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辐射防护基础知识 一 放射性基础知识二 核技术应用三 环境中的电离辐射源及其防护原则与标准四 放射性污染的特点 来源五 辐射监测 1 一 放射性基础知识 1 核物理基础知识2 重要的概念和量 2 一 核物理基础知识 放射性的发现无论对科学思想本身 还是对宇宙的认识都产生了一场革命 核物理 天体物理 放射化学 放射生物学 放射医学等 而由于它的应用 这一不同凡响的发现无论对人类历史还是对我们日常生活都产生了深刻的影响 原子弹 加速了二次世界大战的结束 核技术应用已经深入生活的每一个角落 1998年纪念放射性发现100周年报告 3 核辐射 放射性 1896年 Bequerel用铀矿粉作实验 有一次无意的将铀粉放在避光包装的胶片旁 他惊讶的发现胶片暴光了 由此断定 铀可以放出某种射线 使胶片暴光 4 核辐射 放射性 1898年7月和12月 居里夫妇先后发钋和镭也有这种特性 物质放出某种射线的现象称为放射性 放出射线的过程称为核辐射或放射性衰变 5 原子 电子 原子核 质子 中子 放射性的产生 原子由非常小 带正电的原子核 及带负电的电子高速环绕运动组成 原子不带电 原子大小 10 10m 原子核大小 5x10 15m 后者只有前者的二千分之一 但占有原子99 9 的质量 原子核由带正电的质子和不带电的中子组成 质子和中子的质量几乎相等 质子和中子是靠核力结合在一起的 核力比静电力和万有引力强得多 但只有在距离小于x10 15m才起作用 6 元素 同位素 原子核内的质子数相同的原子 元素 112种 同一元素的原子核内的中子数可以不同 但其化学性质相同 在周期表中占有相同的位置 这些核内质子数相同 但中子数不同的元素 同位素 超过2000种 原子质量 A 质子质量 Z 中子质量 N 7 元素 同位素 凡是原子序数相同而质量数不同的一组核素 即同属一种元素的一组核素 在元素周期表中占据同一位置 称为该元素的同位素 如2815P 2915P 3015P 3115P 3215P 3315P 3415P都是磷的同位素 一般每种元素都有一种以上的同位素 多的可有数十种 其中多数是放射性同位素 少数是稳定的 从84Po开始 以后的各个元素的同位素都具有放射性 92号铀以后的元素称为超铀元素 至今已知的同位素有2000多种 其中放射性核素约1800种 稳定同位素约300种 天然同位素大多是以同位素混合物状态存在 如天然铀中 234U丰度为0 0056 235U为0 72 238U为99 27 8 元素 同位素 每一种元素可以有多个同位素 112种元素 2000多种同位素 9 元素 同位素 蓝色同位素为稳定核素 研究发现 原子核内的中子数和质子数要保持一定的关系 过多或过少均会使核产生不稳定因素 引起衰变 10 核素与放射性核素 核素核素是具有特定特征的某种原子的统称 如氕 11H 氘 21H 氚 31H 为元素氢的3种核素 放射性核素能自发地放出各种射线的核素统称为放射性核素 也叫不稳定核素 如氚 31H 23592U 23892U等 放射性核素有天然放射性核素和人工放射性核素 天然放射性核素又分为原生和次生两类 原生天然放射性核素是与地球形成过程中同时产生的 如238U 232Th等放射系的母体和40K等单个核素 次生天然放射性核素是指天然放射系的衰变子体和由天然核反应所产生的天然放射性核素如氚 31H 14C等 11 天然 人工和宇生放射性核素 天然放射性核素 铀系 U 238 极其子体 如Ra 226 Rn 222 钍系 Th 232 极其子体 锕系 U 235 极其子体 钾 40 K 40 人工放射性核素 利用中子活化技术产生 如60Co 137Cs等宇生放射性核素 宇宙间的高能射线作用所产生的放射性核素 如Be 7 12 放射性与射线类型 放射性放射性是指原子核自发地放射各种射线的现象 射线类型原子核放出的射线有 射线 其次还有中子射线 这些都是天然存在的 还有一中人工产生的射线 射线 13 射线 射线 射线 1899年 Rutherford用不同的材料对射线的穿透能力进行测试 发现射线可以分为3种 射线 1张纸片就能阻止它的穿透 射线 几毫米的铜片才能阻止它的穿透 射线 几厘米的铅片才能阻止它的穿透 14 射线 射线 射线 如果让射线穿过磁场 则 射线 射线会往两个相反的方向偏转 而 射线则保持其原方向运动 可见 射线 射线分别带正 负电 射线不带电 射线 氦核 4He 质量数4 电荷量 2 1个质量数 1823Me 1 66x10 27kg 射线 高速运动的电子 电荷量 1 质量9 1x10 31kg 射线 光子 也是电磁波 无静止质量 能量 h 比较几种射线 射线是重粒子流 就单个粒子而言 其作用效果最大 N 15 射线特征 射线是高速运动的氦原子核或氦离子 2 2He 带两个正电荷 由于其质量大 在空气中的射程很短 在固体或生物组织中只有30 130微米 它的电离能力大 穿透能力很弱 16 射线特征 射线是高速运动的电子流 其质量是 粒子的万分之几 在空气中的射程最大可达10余米 在生物组织中达数毫米 它的电离能力较小 穿透能力较大 射线是波长很短的电磁波 它不带电荷 其穿透能力很强 电离能力小 17 原子核衰变 放射性和原子核衰变密切相关 所谓原子核衰变是指原子核自发地放出 或 等粒子而发生的转变 放射性与 衰变相联系 放射性与 衰变相联系 放射性与 跃迁相联系 也与 衰变或 衰变相联系 射线的自发发射一般伴随 或 射线产生 18 衰变常数与半衰期 衰变常数是在单位时间内每个原子核的衰变几率 半衰期 T1 2 是放射性核素的原子核数衰减到原来的数目的一半所需的时间 如镭 226的半衰期是1602年 铀 238为45亿年 19 衰变 母体 子体 核素在衰变时放出 粒子的衰变 衰变 衰变时 原子核的质量和电荷都会发生变化 即核素发生变化 见图 原子核在衰变前称为母体 衰变后称为子体 衰变前后 M母 M子 M E MC2 以光的形式发射 20 衰变 母体 子体 核素在衰变时放出 粒子的衰变 衰变 衰变时 原子核的质量和电荷都会发生变化 即核素发生变化 见图 原子核在衰变前称为母体 衰变后称为子体 衰变前后 M母 M子 M E MC2 以光的形式发射 21 衰变 镝 核素在衰变时放出 粒子的衰变 衰变 衰变时 原子核的质量和电荷都不会发生变化 只是核素内部的结构发生变化 衰变后结合得更紧了 见图 射线是电磁辐射的一种形式 与其他电磁辐射的区别在于频率 波长 和产生形式不同 22 半衰期 T1 2 原子核数No衰变到剩下一半时所经历的时间 半衰期 T1 2 N No e 0 693 t T 5 27年5 27年5 27年 60Co衰变曲线 原子核数 年 23 半衰期 平均寿命 半衰期也称为平均寿命或简称寿命 平均寿命是一个统计量 就单个原子核来说 什么时候衰变完全是随机过程 同一种原子核 同位素 有特定的半衰期 不同的原子核有不同的半衰期 且差别很大 可从 10 9s到 10 10年 24 光子 电磁波 从本质上看 光子 X射线 热辐射 太阳光 电磁辐射等所产生的射线都是电磁波 给予不同名称是因为其来源不同 并且其频率或波长范围不同 射线 波长短 频率高 能量大 电磁波 波长长 频率小 能量小 25 能谱 对特定的放射性核素 其放出的 射线 射线的能量是一定的 这种核素与其射线能量的一一对应的关系称为放射性核素的能谱 它是后来放射性谱仪测量技术的理论基础 而 射线则没有特定的能量 但有最大值 它的能量范围0 Emax Co 60 1173kev 1332kev Cs 137 31 8kev32 2kev 662kev 26 Cs 137和Co 60能谱 Cs 137 Co 60 662keV 1173keV1332keV 27 裂变核反应 一个原子核 分裂成两个轻核的核反应 裂变 裂变放出大量的能量 物质量相当的裂变反应比普通的化学反应所放出的能量大百万倍 E MC2 28 裂变核反应 威力强大的原子弹就是利用了裂变核反应所放出的能量 功率强大的核电站也是利用裂变核反应所放出的能量 29 聚变核反应 两个轻核结合 生成另一种新核的核反应 聚变 聚变放出大量的能量 甚至比原子弹的威力还大 E MC2 聚变对轻核容易发生 但不能在常规下发生 因为对带正电的原子核来说 要想使其靠近并结合在一块需要有强大的外力 30 聚变核反应 威力更加强大的氢弹就是利用聚变核反应所放出的能量 原子弹引爆 不象裂变核反应那样 聚变核反应目前还处于不可控状态 因此暂时还不能和平利用 31 聚变核反应 光芒四射的太阳的能量来自太阳内部的核聚变反应 闪闪发亮的星星的能量也来自内部的核聚变反应 32 宇宙射线 来自宇宙间的射线 宇宙射线宇宙射线随着高度的增加而增加 海平面 30nGy h拉萨 120nGy h 高 大 低 小 33 电离辐射 射线 射线 射线 某种射线 如 射线 射线 射线或其次级射线 作用到原子的外层电子 使电子脱离原有的轨道的现象 电离辐射 能量大于12 4eV 一般电磁辐射由于其单个光子的能量低 因此无法使原子发生电离 34 原子弹投下广岛爆炸的一瞬间 辐射 核辐射 核 元 素 同位素 天然放射性 人工放射性 射线 射线 射线 电离辐射 半衰期 35 广岛原子弹爆炸后剩下一片废墟 36 放射系 放射性核素的递次衰变系列通称放射系 自然界中存在铀系 钍系 锕系三个天然放射系 它们的母体半衰期都很长 和地球年龄相近或更长 它们的成员大多具有 放射性 少数具有 放射性 一般都伴随有 辐射 但没有一个具有 衰变或轨道电子浮获的 人工放射系只有镎系 1 钍系从232Th开始 经过10次连续衰变 最后到稳定核素208Pb 这个系的成员 质量数都是4的整倍数 母体232Th的半衰期为141亿年 子体半衰期最长的是228Ra为5 76年 所以 钍系建立起长期平衡 需要几十年时间 37 2 铀系从238U开始 经过14次连续衰变 最后到稳定核素206Pb 该系成员的质量数都是整倍数加2 母体238U的半衰期为45亿年 子体半衰期最长的234U为24 5万年 所以 铀系建立起长期平衡需要几百万年时间 3 锕系从235U开始 经过11次连续衰变 最后到稳定核数207Pb 该系成员的质量数都是4的整倍数加3 母体235U的半衰期为7 04亿年 子体半衰期最长的231Pa为3 3万年 所以 锕系建立起长期平衡需要几十万年时间 4 镎系把238U放在反应堆照射 连续浮获3个中子变成241U 它经过2次 衰变变成了具有较长寿命的241Pu 14 4年 241Pu经过13次衰变 最后到稳定核素209Bi 但在这个衰变系列中 237Np的半衰期最长 2 14百万年 当时间足够长以后 241Pu和241Am几乎衰变完了 237Np还会存在 并与其子体建立起平衡 所以这个系叫镎系 该系成员的质量数都是4的整倍数加1 38 二 重要的概念和量 1 放射性活度放射性活度表示放射性核素的核转变率 它是指处于特定状态下的一定量放射性核素在单位时间内发生自然衰变的数目 放射性活度的SI单位为贝可勒尔 简称贝可 Bq 1贝可表示每秒钟发生1次衰变 过去使用的单位是居里 Ci 1居里 3 7 1010贝可 放射性比活度是指单位质量或单位体积的放射性活度 2 照射量照射量是指X或 射线在单位质量空气中释出的所有次级电子 当它们完全被阻止在空气中时 在空气中产生的同一种符号的离子的总电荷量 照射量的SI单位 按定义为 库伦 千克 C kg 过去使用的单位名称是伦琴 R 它们的关系式如下 1R 2 58 10 4C kg照射量率是单位时间内照射量的増量 其SI单位为库仑 千克 秒 C kg s 过去使用的单位为伦琴 秒 R s 39 3 吸收剂量 D 吸收剂量就是电离辐射给予单位质量物质的平均授予能 吸收剂量的SI单位是戈瑞 Gy 其量纲是焦尔 千克 J kg 过去使用的单位是拉德 rad 1Gy 1J kg1Gy 100rad吸收剂量率是单位时间内吸收剂量的增量 其SI单位是 Gy h 过去使用的单位是 rad h 4 当量剂量 H 当量剂量为被研究组织内某一点上的吸收剂量与品质因数 Q 和其他修正因素 N 的乘积 其SI制单位为希沃特 Sv 量纲为焦耳 千克 J kg 1Sv 1J kg 过去使用的单位为雷姆 rem H D Q N1Sv 1J kg1Sv 100rem当量剂量率表示单位时间内当量剂量的增量 其SI制单位为Sv h等 过去使用的单位是rem h等 40 各种射线的辐射权重因子 WR 41 5 有效剂量 He 有效剂量为人体各个器官或组织受照射的当量剂量 用以评价人体所受总的损伤 设Ht为T器官 或组织 所受当量剂量 Wt为T器官 或组织 的权重因子 表示相对危险度 则有效当量剂量HE可用下式计算 HE HtWt 希沃特 42 43 放射性度量新旧单位对照表 44 6 集体当量剂量 S 集体当量剂量用于评价人群受到照射所付出的危害代价 为受照射之群体某组 i 内Pi名成员平均每人的全身或某一器官所受当量剂量 Hi 和 用S表示 S HiPi 人 希沃特 45 二 核技术应用 核能 核技术和放射性同位素应用 46 核能 核技术与放射性核素的应用 1 军事核设施核武器 原子弹 氢弹 中子弹核动力设施 核潜艇 航空母舰 宇宙飞船等2 民用核设施核电站核供热 供气站研究性反应堆生产同位素反应堆3 辐射与同位素技术 1 辐照保鲜 如大蒜 土豆 2 辐照杀菌 杀虫 如中成药 卫生巾 腊肉制品 稻谷等 3 品种改良 4 工业探伤 材料改性 5 仪器仪表自动化控制 料位计 液位计 核子称 测厚仪 火灾报警器等 6 地质钻探测井 7 医疗卫生 肿瘤照射 甲亢治疗 放免分析等 47 4 同位素与辐射技术在环境保护中的应用 1 烟道气净化 SO2 NOx的去除率达到90 以上 2 有机废水辐照处理 有较好的解毒 降解 脱色 去污效果 3 放射性示踪技术应用研究地表水 地下水的运动规律研究污染物在生物链中的转移规律跟踪农药 化学污染物在生态系统中的施加 吸收 降解 转和积累的全过程 4 中子活化分析环境样品中的痕量化学元素含量或浓度 48 三 环境中的电离辐射源及其防护原则与标准 一 环境中的电离辐射源电离辐射 是指能引起物质电离的辐射 电离辐射源 包括放射性核素 宇宙射线和射线装置 环境中的放射性核素 天然放射性核素 人工放射性核素天然放射性核素 自然存在于地球环境中的放射性核素 如铀 238 铀 235 铀 234 钍 232 镭 226 氚 3 碳 14 钾 40等 人工放射性核素 由人工制造的放射性核素 如 碘 131 铯 137 钴 60等 人工放射性核素主要由以下途径产生 1 通过核反应堆 2 通过加速器 3 从裂变物质中提取 4 核爆炸产物 49 二 电离辐射对人体的影响 教材 1 辐射损伤机理辐射作用使人体内水分子电离 形成自由基和活化分子而引起病变 2 辐射效应辐射照射人体后引起人体发生的某些变化称之为辐射效应 辐射效应分为 随机性效应 确定性效应 躯体效应和遗传效应随机性效应 是指发生的几率 而非其严重程度 与剂量大小无关的辐射效应 对于这种效应不存在于剂量阈值 辐射致癌是随机效应 确定性效应 严重程度与剂量大小有关的辐射效应 这种效应有剂量阈值 如白内障的诱发剂量是10mSv 躯体效应 辐射所致的 显现在受照者本人身上的有害效应 如白内障 皮肤损伤 白血球减少等 遗传效应 辐射所致的 显现在受照者后裔身上的有害效应 50 三 辐射防护基本原则 1 辐射防护的目的 防止确定性效应 将随机性效应限制在可以接受的水平 2 辐射防护体系 把人类活动分为实践和干预 1 实践 有些人类活动增加了总的辐射照射 ICRP称这种人类活动为实践 如核能利用 2 干预 有些人类活动旨在降低总的照射 ICRP称这种人类活动为干预 3 实践的辐射防护体系 原则 实践的正当性 在进行任何伴有辐射的实践时 所得到的利益必须大于付出的包括健康损害在内的代价 即利要大于弊 辐射防护最优化 对一项实践中的任一特定源 个人剂量大小 受照的人数等 在考虑了经济和社会因素后 应当全部保持在可以合理做到的尽量低的程度 个人剂量限值 个人受到的所有有关实践联合产生的照射剂量水平不超过为其规定的剂量限值 剂量限值是由国家审管部门制订 51 四 辐射防护标准 电离辐射防护与辐射源安全基本标准 GB18871 2002 1 范围 2 一般要求 3 对实践的主要要求 4 对干预的主要要求 5 职业照射的控制 6 医疗照射的控制 7 公众照射的控制 8 潜在照射的控制 源的安全 9 应急照射情况的干预 10 持续照射情况的干预 52 1 GB18871 2002中有关当量剂量的规定 53 2 辐射照射的控制措施 工作场所分区 a 控制区 红色区 工作人员年照射剂量可能超过年限值的十分之三b 监督区 橙色区 年照射剂量小于年限值的十分之三 有可能超过年限值的十分之一c 非限制区 绿色区 年照射剂量小于年限值的十分之一工作条件分类 第一类 工作人员年照射剂量可能超过年限值的十分之三第二类 年照射剂量不大可能超过年限值的十分之三开放型放射源工作场所分级 按日等效最大操作量划分甲级 4 109Bq乙级2 107 4 109Bq丙级4 104 2 107Bq 54 3 放射性废物管理 放射性废物分类 1 按物态分为固态 液态 气态放射性废物 2 按比活度和半衰期分为高放长寿命 中放长寿命 低放长寿命 中放短寿命 低放短寿命五类 半衰期分类 长半衰期T1 2 5 3年中半衰期60天 T1 2 5 3年短半衰期T1 2 60天 55 放射性废物管理目标 1 对工作人员与公众的健康及环境可能造成的危害降低到可以接受的水平 2 对后代健康的预计影响不大于当前可以接受的水平 3 不给后代增加不适当的负担 56 放射性废物管理原则 1 必须设立废物收集系统 尽量减少废物产生量和体积 2 要按国家废物处置方针和规定在环境中处置废物 3 低放废液和废气常规排放 事前必须报环保部门批准 4 向环境的排放限值 都必须进行最优化分析 并留有余地 5 除低放废液和废气可有控制地排放外 其余废物必须转化为固化物 在保证安全地与生物圈隔离的条件下 以固体废物的形态在环境中处置 57 固体放射性废物处理 a 核技术应用中产生的低放固体废物 含废源 应分类收集在专用的放射性废物容器中 送往废物库存放或处置 b 核设施中产生的中 低放固体废物 应采用区域性的浅地层废物埋藏场进行处置 c 对于各类长寿命的超铀固体废物和不再进行后处理的乏燃料元件 应采用深地质层处置方案 使其与生物圈隔离 d 含天然放射性核素的尾矿砂和废矿石及有关固体废物当比活度 2 7 104Bq kg建坝存放 退役时要妥善处理比活度 7 104Bq kg建库存放 58 常见放射性废物的形式 a 废 退役放射源 b 受放射性物质污染的金属和非金属材料 劳保用品 工具 器皿 设备等 c 含放射性物质的废液 废气 d 被放射性污染的动物尸体或植株 e 含放射性核素的有机闪烁液 比活度大于37Bq L f 放射性和伴生放射性矿产资源开发利用中产生的尾矿砂 废矿石及有关固体废物 59 五 辐射防护方法 辐射照射方式 外照射 人体位于空间辐射场接受照射 如X光透视 r射线源照射 肝癌放疗照射等 内照射 摄入放射性核素造成对人体内部某器官或组织的照射 如服用131I治疗甲亢 宫颈癌照射等 60 1 外照射防护 控制用量 在不影响工作的前提下 尽量减少放射性物质的用量是最有效的防护 时间防护 缩短受照射的时间 距离防护 增加同辐射源的距离 屏蔽防护 在放射源与操作者之间加屏蔽物 一种是对放射源进行包装屏蔽 另一种是对受照者进行屏蔽 61 2 内照射防护 目的 阻止放射性物质进入人体内 防护方法 a 稀释分散法 如工作场所通风换气 放射性气体通过高烟囱排放 b 包容集中法 如将放射性物质集中存放在铅室或其它专用容器内 操作时在通风橱 手套箱内进行 使操作空间与人员所处环境隔离 c 防止通过皮肤进入体内 皮肤有破伤时 尤其是手 不可操作放射性物质 62 四 放射性污染的特点 来源 一 放射性污染的特点1 毒性大 绝大多数的放射性核素的毒性均远远大于一般的化学毒物 2 具有遗传效应 辐射损伤分确定效应和随机效应 随机效应包括躯体效应和遗传效应 3 人体器官不能直接感觉放射性污染 只有靠仪器探测 4 辐射具有一定的穿透能力 5 放射性核素具有可变性 如气态放射性核素向大气中逸散形成气溶胶 通过吸入并衰变成固态子体而在体内器官中沉积 6 放射性物质只能靠自然衰变来减弱 人工无法加速其衰减 7 放射性废物种类繁多 复杂 固对其处理 处置也相当复杂和困难 63 二 放射性污染的来源 核能与核技术应用对环境的放射性污染主要有 1 核武器试验 有大气层试验 水下试验 地下核试验等多种形式 近地表的大气层核试验对环境的污染最严重 至今仍残留的污染核素有137Cs 90Sr等 2 核设施事故造成放射性物质泄漏1979年的美国三浬岛核电站事故