核医学与放射防护的基础知识

RadiologicalHealth Radioprotection 放射卫生学 辐射防护 TheSchoolofPublicHealth SoutheastUniversityTang Meng东南大学公共卫生学院唐mob 025 83272564 o InternationalConferenceonthe PROTECTIONOFTHEENVIRONMENTFROMTHEEFFECTSOFIONIZINGRADIATION Stockholm Sweden6 10October2003 OrganizedbytheIAEAInco operationwithUNSCEAR theECandtheIURHostedbytheGovernmentofSwedenthroughtheSwedishRadiationProtectionAuthority Mailingaddress informationunder http www iaea org worldatom Meetings 2003 InternationalConferenceonthe InternationalAtomicEnergyAgency OrganizedbytheIAEAInco operationwithUNSCEAR theECandtheIURHostedbytheGovernmentofAustriathroughtheAustrianRadiationProtectionAuthority Vienna Austria6 7May2004 Mailingaddress informationunder http www iaea org worldatom Meetings 2004 绪论 核医学与放射防护的基础知识 核医学的发展史 1 1934年EnricoFermi发明核反应堆 生产第一个碘的放射性同位素 1936年JohnLawrence首先用32P治疗白血病 这是人工放射性同位素治疗疾病的开始 1937年Herz首先在兔进行碘 128I 半衰期 半衰期T1 225分 的甲状腺试验 以后被131I 8 4天 替代 1942年JosephHamilton首先应用131I测定甲状腺功能和治疗甲状腺功能亢进症1943年至1946年用131I治疗甲状腺癌转移 核医学发展史 2 1946年7月14日 美国宣布放射性同位素可以进行临床应用 开创了核医学的新纪元1951年BenedictCassen发明线性扫描机1958年HalO Anger发明Anger照相机1959年SolomonA Berson和RosalynS Yalow发明放射免疫分析等对影像核医学和体外测定的发展都起到了很大的推动作用50年代 钼 99Mo 锝 99mTc 99Mo 99mTc 发生器的出现70年代单光子断层仪的应用和80年代后期正电子断层仪进入临床应用 使影像核医学在临床医学中的地位有了显著提高 原子核 一 核的组成二 原子核的能级 分子和原子的概念 分子 分子是保持物质化学性质的最小粒子 原子 原子是化学变化中的最小粒子 原子与分子的主要区别在于分子在化学反应里可 分 原子在化学反应里不可 分 原子的内部结构 原子的内部结构原子核 质子 中子 原子 带正电 不带电 核外电子 带负电 关于原子要注意的几个问题 1 原子核所带电量和核外电子的电量相等 但电性相反 因此整个原子不显电性 故核电荷数 质子数 核外电子数 2 电子的质量很小 只相当于质子或中子质量的1 1836 所以原子的质量主要集中在原子核上 故相对原子质量 质子数 中子数 一 核的组成 原子核 atomicnucleus 由两种质量几乎相等的基本粒子 质子 和中子 组成 质子和中子统称为核子 原子核的结构及相互关系 二 原子核的能级 一般情况下最低能量状态 稳态 放射性核素衰变高能量状态 激发态 或高能粒子轰击 第一节核物理基本知识 一 元素 核素 同位素和同质异能素二 放射性核素与核衰变三 放射性衰变规律四 电离辐射与物质的相互作用 一 元素 Element 元素 凡质子数相同的原子称为一种元素 它们的原子序数相同 因此具有相同的化学特性 是组成不同物质的基本单位 但其原子核中的中子数可以不同 因而物理特性可有某些差异 目前 人们已发现的元素有109种 其中原子序数为61 95 109为人造元素 二 核素 Nuclide 核素 不仅质子数相同 而且中子数也相同 因而质量数相同 并处于同一能量状态的原子 称为一种核素 每种元素可以包括若干种核素 目前已知的核素有2300多种 分别属于100多种元素 核数的表示方法如下 X是元素符号 Z表示质子数目 即原子序数 A表示核子数 上右图某些核素左上角质量数之后加m 表示该核素处于激发态 如99mTc 三 同位素 Isotope 同位素 凡属于同一种元素的不同核素 它们在元素周期表中处于相同的位置 质子数相同而中子数不同 称为元素的同位素 四 同质异能素 Isomer 同质异能素 核内中子数和质子数都相同但核所处能态不同的核素互为同质异能素 同质异能武器 第三代 第四代武器 伽玛弹 元素 核素 同位素和同质异能素的异同点 二 放射性核素与核衰变 一 稳定性核素和放射性核素 二 核衰变公式和衰变图 三 放射性衰变规律 一 几个概念 二 放射性活度单位和与质量的关系 衰变常数 放射性核素在单位时间内衰变的原子核数与当时存有的原子核总数成正比 每一种放射核素都有自己固定的单位时间内衰变百分数 这个百分数叫做衰变常数 是放射性核素的重要物理特征参数 放射性活度 I 单位时间内原子核衰变的数量 物理半衰期 T1 2 放射性活度随时间按指数规律减少 其减少至一半所需要的时间称作物理半衰期 生物半排期 Tb 指生物体内的放射性核素经由各种途径 生物代谢 从体内排出一半所需要的时间 有效半减期 Te 指生物体内的放射性核素由于从体内排出 生物代谢 和物理衰变 放射性衰变 两个因素作用 减少至原有放射性活度的一半所需要的时间 放射性活度 放射性活度 简称活度 过去惯称放射性强度 现用国际制单位的专门名称是贝可 Bq 定义为每秒一次衰变 为了更好地表示各种物质中的放射性核素含量 通常还采用比活性及放射性浓度这二个参数 比活性 指单位质量物质的放射性活度 单位是 q g 放射性浓度 为单位体积溶液内所含的放射性活度 单位是 l 亦有用单位摩尔物质的放射性活度来描述比活性的 单位是 mol 贝可与居里之间的关系 四 电离辐射与物质的相互作用 一 带电粒子与物质的相互作用 二 X 光子与物质的相互作用 三 中子与物质的相互作用 一 带电粒子与物质的相互作用 1 电离作用2 激发作用3 散射作用4 韧致辐射5 湮没辐射6 吸收作用7 带电粒子的射程 电离作用 是指射线使物质中的原子失去轨道电子而形成正负离子对 它是某些放射性探测器测量射线的物理基础 又是射线引起物理 化学变化及生物学效应的主要机制 激发作用 指射线使某些原子的轨道电子从低能级跃迁至高能级 当该电子退激时 能量以光子或热能形式释出 激发作用也是一些放射性探测器工作的物理基础 是射线引起物理 化学变化和生物学效应的机制之一 散射作用 指带电粒子受到物质原子核库仑电场作用而发生方向偏折 散射作用对测量及防护都有一定影响 粒子的质量远小于粒子 它引起物质电离和激发的同时 本身有明显的散射 韧致辐射 粒子在介质中受到阻滞而急剧减速时能将部分能量转化为电磁辐射 即 射线 在防护上值得注意 即 粒子的吸收体和屏蔽物应采用低密度材料 如有机玻璃 铝等 湮没辐射 当 粒子与物质作用 能量耗尽时和物质中的自由电子 e 结合 正负电荷抵消 两个电子的静止质量转化为两个方闽相反 能量各为0 511 eV的 光子而自身消失 这叫做湮没辐射或光化辐射 吸收作用 射线使物质的原子发生电离和激发的过程使射线的能量逐渐消耗 当能量全部耗尽 该射线则不再存在 称作被吸收 带电粒子的射程 带电粒子在物质中沿着最初入射方向所能穿行的最大直线距离称为带电粒子的射程 二 X 光子与物质的相互作用 光子引起初级电离的机制主要有以下三种 1 光电效应2 康普顿效应3 电子对生成效应 光电效应 光子与物质原子相撞时 其能量全部交给原子的一个轨道电子 主要是内层 使之脱离原子而释放出来 此电子称作光电子 这种现象称作光电效应 光子在此过程中消失 康普顿效应 入射 光子仅将一部分能量传递给核外电子使之释出而本身则发生散射 这种现象称作康普顿效应 释放出的电子称作康普顿电子 入射 光子经散射后称为康普顿散射光子 电子对生成效应 当 光子能量 1 02 时 其中1 02 的能量在物质原子核电场作用下转化为一对正负电子 是为电子对生成 余下的能量变成电子对的动能 三 中子与物质的相互作用 中子不带电荷 不能直接引起电离 但中子可以与物质原子核碰撞 使原子核受到反冲而运动 这种反冲核可引起物质的电离作用 弹性散射 中子也可能直接进入物质原子核而使之发生反应 核反应 第二节电离辐射量与单位 一 照射量和照射量率二 吸收剂量及吸收剂量率三 剂量当量和剂量当量率四 照射量与吸收剂量的关系 了解 五 有效剂量当量和集体剂量当量 照射量 X 1 照射量 X 是表示中等能量的 光子或 射线在空气中致电离能力的物理量 2 照射量率 单位时间内的照射量称照射量率 照射量和照射量率 二 吸收剂量及吸收剂量率 1 吸收剂量 D 适用于各种类型的电离辐射 它表示物质吸收射线能量的电离辐射量 2 吸收剂量率 单位时间内的吸收剂量称吸收剂量率 吸收剂量及吸收剂量率 三 剂量当量和剂量当量率 剂量当量 H 是在吸收剂量的基础上考虑刭生物学效应的不同而设置的一种电离辐射量 它是直接反映各种射线被吸收后引起的生物学效应强弱的电离辐射量 剂量当量实为经过适当修正后的吸收剂量 剂量当量率 指单位时间内的剂量当量剂量当量单位国际制单位是希沃特 旧的专用单位为雷姆 1S 100rem剂量当量率单位为 或 五 有效剂量当量 有效剂量当量 HE 当所考虑的效应是随机效应时 在全身受到非均匀照射的情况下 受到危险的各组织或器官的剂量当量与相应的权重因子乘积的总和为有效剂量当量 建议 HE全限为50 Sv 即5 五 集体剂量当量 集体剂量当量 S 由于辐射的随机性效应 仅以一定的几率发生在某些个体身上 并非受到照射的每个人都会发生 因此要评价群体所受到的辐射危害以采用集体剂量当量 S 更有实际意义 集体剂量当量的单位是 men Sv 或 men rem 集体剂量当量是一个广义量 可用于全世界居民 或一个群体乃至一个个人 第三节辐射测量仪器 基本原理 将辐射与物质的相互作用的各种效应 辐射量 转化为其它可以观测的物理量 辐射探测器 1 从构成分 核电子仪器分类 放射性测量仪 鉴别辐射粒子的种类 2 按测量目的分测量辐射粒子的数目或数率 测量辐射粒子能量或能谱 剂量测量仪 测量照射量或照射量率 测量吸收量或吸收量率 一 辐射探测器 探头 一 盖革 弥勒 GM 计数管和正比计数管G M计数管与正比计数管的区别 G M计数管不能区别粒子能量区别正比计数管产生的电脉冲的幅度与入射粒子能量成正比 二 闪烁计数器 闪烁探头 组成 闪烁体 光电倍增管功能 计数粒子数目 依脉冲幅度区别粒子能量 三 半导体探测器P N结合型半导体探测器P positivepole N nagitivepole 二 通用核电子仪器 常用的三种核电子仪器 自动定标器 计数率仪 脉冲高度分析器 通用核电子仪器 一 定标器是一种主要用于记录电脉冲数目的核电子仪器组成 高压稳压电源 脉冲放大器 脉冲甄别器 计数器 定时器 二 计数率仪是一种直接指示单位时间内的平均脉冲数的仪器 三 脉冲幅度分析器是一种把不同幅度的输入电压脉冲加以甄别分组 并按不同高度范围 分组加以记录的仪器 闪烁计数器 scintillationcounter 液体闪烁计数器 liquidscintillationcountetr 放射性活度计脏器功能测定仪脏器显像仪器其它 三 核医学专用辐射仪器 四 防护监测仪器 一 场所剂量监测仪 二 个人剂量监测仪 三 表面污染监测仪 一 场所剂量监测仪 固定按形式分电离室型巡测仪便携1 类型闪烁体型巡测仪电离室型较准按探头分计数管型轻便 经济闪烁体型灵敏2 功能 测工作场所X 射线3 读数表示法 mR h mrad h 二 个人剂量监测仪 1 电离室型个人剂量监测仪 个人剂量笔 直读可目测读数类型非直读须专门仪器测笔上的残留电荷2 胶片剂量仪 黑度计 特点 体小 结实 价廉 记录可永久保存3 热释光剂量仪特点 灵敏度高 量程范围宽 可重复使用 可以多种形式在多种条件使用适用 个人 工作场所 环境4 玻璃剂量仪优点 量程宽 性能稳 重复性好 可重复使用缺点 对清洁度要求高 对环境湿度要求高5 几种个人剂量仪性能比较 表1 5 三 表面污染监测仪 1 功能 测工作场所的工作面 衣服 手脚等表面污染水平2 类型 便携式 固定式3 读数 粒子数 分 cpm 4 特点 带有超限值报警信号 2020年4月16日10时14分 63 ThankYou 反应堆 最早的扫描机 最早的伽玛相机 最早的摄碘试验 钼 99Mo 锝 99mTc 99Mo 99mTc 发生器 稳定性核素 稳定性核素 当核内中子和质子数保持一定比例时 两种力量平衡 若没有外来因素 如高能粒子的轰击 不会发生核内成分或能级的变化 这种核素称为稳定性核素 目前已发现的2000多种核数中 只有274种是稳定性核素 属于81种元素 1700多种属于不稳定性核素 原子核内核子之间存在一种强大的引力 称为核力 nuclearforce 引力短程力斥力长程力原子核能否稳定 取决于以上两种内在力量是否平衡 不稳定性核素 放射性核素 核内质子数不变 中子数增加或减少都会使斥力大于引力 此时原子核乃处于不稳定状态 需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定 这种核素称作不稳定性核素 这种核内结构或能级的调整称为核衰变 核衰变的同时 将释放出一种或一种以上的射线 这种性质叫做放射性 因此 不稳定核素又称作放射性核素 核衰变公式和衰变图 1 衰变2 衰变3 衰变4 电子俘获 EC 5 跃迁与同质异能跃迁6 自裂变 三种射线的比较 带电电子流电子流 光流能谱单能连续能谱单能射程 空气 3 4cm10 20cm无限大电离能力 空气 1万 7万对 cm60 7千对 cm很小穿透力弱中大内照射危害大中小外照射危害无中大 衰变 每次衰变释放出一个 粒子 He 母核失去二个质子和二个中