辐射物理与防护电子教案

1 辐射物理与防护电子教案 7 1辐射源与辐射场7 2辐射剂量学基本概念7 3辐射防护学基本概念 第七章辐射防护常用量 2 7 1辐射源与辐射场 泛指一切能发射微观粒子的装置或物质 如 X线辐射源 中子 微波辐射源及超声波的声源等 两大类电离辐射源 天然辐射源 人工辐射源 一 辐射源 包括来自外层空间的宇宙射线和来自地球本身存在的天然放射性核素发射的 射线 以及空气 土壤 岩石 动植物食物及水中的宇生放射性核素和原生放射性核素 对人类产生照射的主要机理是辐照 摄入和吸入 3 食物Food Drink 17 天然放射性NaturalRadioactivity 建筑物和土壤中的放射性物质Ground Buildings 宇宙射线CosmicRays 14 37 19 天然电离辐射 人工电离辐射 6 dN为辐射粒子总数 da为粒子通过的截面积 1 粒子注量 射线粒子具有各种可能能量 从Emax到0 E单位能量间隔内的粒子注量 单位 米 2 m 2 二 辐射场的描述 用粒子数量描述辐射场性质 非平行辐射场粒子注量示意图 粒子注量率 单位时间进入单位截面积的辐射粒子数 7 若每个粒子是单能的 则 2 能量注量 用粒子能量描述辐射场性质 单位 焦耳 米 2 J m 2 能量注量率 单位时间进入单位截面积辐射粒子的能量总和 3 能量注量与粒子注量的关系 若辐射场不是单能的 且粒子能量具有谱分布时 则 8 1 转移能Etr 不带电辐射粒子在物质中损失能量的过程分为两个阶段 第一阶段不带电粒子把能量转移给带电粒子 第二阶段次级带电粒子把转移来的能量大部分消耗在介质中 7 2辐射剂量学基本概念 一 比释动能K 2 比释动能K 不带电粒子与物质相互作用时 在单位质量物质中由不带电粒子所产生的转移能 给定物质体积元内的 9 比释动能K的单位 焦耳 千克 1 J kg 1 又名 戈瑞 Gy 简称 戈 毫戈瑞 mGy 微戈瑞 Gy 等 3 比释动能与注量的关系 设辐射场由单能不带电粒子构成 其能量注量为 如图 则垂直于辐射场方向 穿过面积元的辐射能为 da而 此为不带电粒子辐射场在体积元dadl内释放出的带电粒子初始动能之和的数学期望值 tr为线能量转移系数 tr 为质量能量转移系数 多种不带电粒子构成的辐射场 需要求和p 124 10 和 是不带电粒子的能量注量率和粒子注量率 4 比释动能率 单位 戈瑞 秒 1 Gy s 1 毫戈瑞 小时 1 mGy h 1 根据其对空气电离本领的大小来度量X或 射线的一个物理量 二 照射量 1 照射量 X或 射线的光子被单位质量空气完全所阻止时所形成的任一种符号离子总电荷量的绝对值 11 照射量单位 库仑 千克 1 C kg 1 旧有的专用单位 伦琴 R 1R 2 58 10 4C kg 1 1C kg 1 3 877 103R 说明 1 dQ为X或 光子在质量为dm的空气中 产生的全部次级电子均被阻止于空气中时 在空气中所形成的任何一种符号的离子总电荷量的绝对值 2 dQ并不包括在所考察的空气dm中释放出来的次级电子所产生的轫致辐射被吸收后而产生的电离电量 3 照射量不能用于其他类型的辐射 如中子或电子束等 也不能用于其他的物质 如组织等 4 照射量只适用于射线能量在10keV到3MeV射线 2 照射量率 单位 库仑 千克 1 秒 1 C kg 1 s 1 旧有专用单位 伦琴 秒 1 R s 1 伦琴 分 1 R min 1 毫伦琴 小时 1 mR h 1 12 定义 辐射所授予单位质量介质dm中的平均能量dEen 三 吸收剂量 以此研究能量吸收与辐射效应的关系 1 吸收剂量D 单位与比释动能的相同 焦耳 千克 1 J kg 1 即 戈瑞 Gy 厘戈瑞 cGy 1Gy 100cGy沿用单位 拉德 rad 1rad 10 2Gy 说明 1 吸收剂量与物质有关 不同物质吸收本领不同 2 以戈瑞为单位的吸收剂量适用于任何电离辐射及受照的任何物质 13 吸收剂量1戈瑞 1焦耳 千克 时的能量效应 1 水温升高 比热4 2 103J 千克度 1kg水物质吸收剂量1Gy水温度上升1 4 2 103 2 4 10 4C 2 转化为物体的动能mD 1 2 mv2运动速度v 1 4m s 3 转化为物体的势能mD mgh上升高度h 0 1m 剂量 实际上是单位物质吸收电离辐射能大小的一种量度 14 1 完全辐射平衡 2 吸收剂量率 单位 焦耳 千克 1 秒 1 J kg 1 s 1 专名 戈瑞 秒 1 Gy s 1 毫戈瑞 小时 1 mGy h 1 等等 四 吸收剂量 比释动能和照射量之间的关系 指定体积内的任意一点都存在辐射平衡 均匀无限大介质 均匀分布物质 处处存在辐射平衡 15 带电粒子在指定体积内辐射能谱分布处处相等 则该体积内存在带电粒子平衡 2 带电粒子平衡 平衡条件 辐射场均匀 介质厚度 粒子最大射程 以 电子平衡 为例 2 产生的次级电子射程长度为3等份空气层 3 每层产生6个电离粒子 可见 从第三层开始平衡 次级电离粒子 1 X或 射线进入空气其体积分成1 2 3 若干等份 16 1 照射量与比释动能的关系 3 照射量 吸收剂量和比释动能的关系 照射量 设每形成一个离子对带电粒子所消耗的平均能量为 则 根据dQ的定义 则对单能X或 射线 空气中某点照射量与该点能量注量的关系为 17 tr 表示不带电电离粒子在物质中穿行单位长度路程时 其能量变为次级电子的初始动能份额 前已给出 比释动能 在带电粒子平衡和轫致辐射损失可忽略的条件下 但带电粒子的一部分能量有可能转变为轫致辐射而离开质量元dm 此时虽存在带电粒子平衡 但吸收剂量不等于比释动能 于是 2 吸收剂量与比释动能的关系 前已知 电离粒子平衡时 则 g是能量转化为轫致辐射的份额 18 概念完全不同 存在本质区别 3 照射量 比释动能和吸收剂量三者间的区别 照射量 比释动能和吸收剂量的对照表 19 7 3辐射防护学基本概念 一 辐射的生物学效应 问题 辐射为什么会产生生物学效应 根本原因 各类辐射都会发出能量 周围介质吸收 若进入生物机体 同样会吸收 产生生物学效应 机体辐射的生物学效应 大体四个阶段 物理过程 电离辐射 机体 内部电离 激发 生化过程 生物化学变化 细胞水平损伤 生物学过程 细胞功能和结构破坏 组织器官产生效应 20 辐射生物学效应产生的机制 一 两种作用 1 直接作用 受电离辐射 水的辐射产物 对生物大分子作用 引起损伤 2 间接作用 H e H2 H2O 机体细胞的含水量达70 间接作用引起损伤重要 21 哺乳类动物通过有丝分裂增殖后代 1 细胞进程分期 二 对细胞周期进程的影响 细胞周期 2 细胞形态损伤 细胞改变 染色体畸变 膜改变 细胞分裂与生长脱节形成多核或巨核的异畸形细胞 22 1 致死性损伤 不可能恢复 最终导致死亡 低LET辐射 低剂量和分次照射 可提高存活率 哺乳类动物细胞损伤分为三类 2 亚致死性损伤 几小时内可修复 3 潜在致死性损伤 一定条件下可修复 高LET辐射 只能产生致死性损伤 23 为了研究辐射生物效应发生 发展的规律 以便更有效地进行辐射防护 需要对辐射生物效应进行分类 辐射效应的分类 主要分以下三类 按效应出现的个体分 躯体效应 遗传效应 又分为全身效应和局部效应 按效应出现的时间分 近期效应 远期效应 又分为急性效应和慢性效应 按效应发生规律的性质还可以分为 随机性效应和确定性效应 24 随机性效应是指效应的发生概率 非严重程度 与受照射剂量相关的效应 随机性效应发生与个别细胞损伤有关 少于剂量限值的 只是发生的几率限制在被认为可以接受的水平下 现在认为不存在剂量的阈值主要包括遗传效应和辐射致癌 剂量不论大小都有导致随机性效应发生的危险 25 确定性效应 也称非随机性效应 受照组织中大量细胞被集体杀死或严重损伤引起组织器官解剖结构和功能上的损伤 确定性效应是指效应的严重程度与剂量大小相关的效应 它存在剂量阈值 低于阈值量时效应不会发生 主要有辐射致白内障 皮肤放射损伤 造血障碍等 26 由于不同生物组织 种群 器官对射线的反应敏感性不同 仅用照射量 比释动能和吸收剂量不足以表达射线对生物组织的损伤 需引入新的辐射量 二 辐射防护学中常用量 1 当量剂量 将实际接受的吸收剂量按组织的生物效应加权修正 当量剂量 设 R是与辐射R的能量相关的吸收剂量修正因子 辐射权重因子 DTR为辐射R在组织或器官中产生的平均吸收剂量 则某种辐射在某个组织或器官T中的当量剂量为 说明 1 R无量纲 故当量剂量与吸收剂量单位相同 焦耳 千克 1 J kg 1 即 希沃特 Sv 2 若具有不同能量或不同类型的辐射存在 组织或器官T的总当量剂量 27 以前称为品质因素 28 吸收当量剂量相同的两不同组织或器官 对辐射的敏感程度不同 其产生的生物学效应也有可能完全不同 故引入能反映辐射对生物体损害程度大小的量 1 辐射效应的危险度 或称危险度系数 当量剂量率 单位时间内组织或器官T所接受的当量剂量 单位 希沃特 秒 1 Sv s 1 2 有效剂量 器官或组织接受单位当量剂量 1Sv 照射引起随机性损害效应的概率 单位 希沃特 1 Sv 1 29 ICRP所规定的组织器官危险度的数值见下表 表中 均为单位当量剂量 不同器官和组织 辐射效应的危险度不同 人体器官或组织的危险度 引入相对危险度权重因子 30 3 集体当量剂量和集体有效剂量 2 有效剂量 HT为组织T受到的当量剂量 WT为组织T的权重因子 无量纲 1 集体当量剂量 HTi为受照射群体中第i组内Ni个成员平均每人在全身或任一特定器官或组织内的当量剂量 31 若为同类辐照且当量剂量均等 则 为定量计算放射性核素进入体内造成的内照射剂量 辐射防护中引入待积当量剂量和待积有效剂量 2 集体有效剂量 Ni为受照射群体中全身或任一器官受到平均有效剂量为HEi的成员的人数 同样 若同类辐照且有效剂量均等 则 4 待积当量剂量和待积有效剂量 当量剂量率在时间 内的积分 1 待积当量剂量 t0表示摄入放射性核素的时刻 为放射性核素对器官或组织T照射的时间期限 以年为单位 32 待积当量剂量乘以组织器官权重因子 T 然后求和 2 待积有效剂量 组织权重因子 tissueweightingfactor WT 33 几个常用辐射量的概念比较 34 放射性活度 A 吸收剂量 D 剂量当量 H 有效剂量 E 吸收剂量 D 1戈瑞 1焦耳 千克1Gy 1J kg 放射源活度 A 1贝克 1次核衰变 秒 剂量当量 H 有效剂量 E 1希沃特 1焦耳 千克 三者意义和区别 任何物质 有机体 35 小结 剂量是指辐射与物质作用后 释放或吸收能量的量度 不同种类 能量的核辐射 对生物体造成的辐射损伤不同 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算 36 有效剂量 effectivedose HE 定义 各组织或器官的当量剂量 HT 与相应的组织权重因子 WT 的乘积的总和 意义 定量评价随机效应的危险度 单位 Sv 希沃特 37 例 某人骨表面接受0 3Sv的剂量当量 而另一个人骨表面受0 2Sv的照射 同时肝脏又受到0 1Sv的照射 哪个人危险更大些 38 某医生对病人进行胃肠透视检查 病人器官平均吸收剂量如下 性腺0 39mGy 乳腺0 52mGy 红骨髓1 77mGy 肺1 16mGy 甲状腺0 17mGy 骨表面2 34mGy 其余组织1 7mGy 医生也接受了照射如下 性腺0 11mGy 乳腺0 28mGy 红骨髓1 01mGy 肺1 10mGy 甲状腺0 10mGy 骨表面1 14mGy 其余组织1 7mGy 求其受到的集体有效剂量当量 假定透视时间为8秒 则集体有效计量量率为多少 危险度