06带电粒子的防护.ppt

1,带电粒子的防护,2,带电粒子的种类,复习：带电粒子与物质的相互作用,带电粒子种类：轻带电粒子(电子)重带电粒子(质量大于电子),带电粒子与物质相互作用的主要过程带电粒子与物质相互作用的过程也就是将自身的全部或部分能量以各种方式传递给物质的过程这是一个能量传递的过程,3,带电粒子与物质相互作用的主要过程,1、带电粒子与核外电子的非弹性碰撞（电离损失）核外电子获得能量，引起电离或激发。,电离：产生自由电子、正离子，主要在最外层电子。,激发：电子跃迁，原子处于激发态，退激发光。,2、带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞（辐射损失）,入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射电磁辐射韧致辐射。,复习：带电粒子与物质的相互作用,4,当具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库伦作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子获得的能量足以克服原子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子，此过程称为电离。电离后的原子带正电，它与逃出的电子合称为离子对。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的，它将通过跃迁到高能级的电子自发地跃迁到低能级而回到基态。多余的能量可以以X射线的形式放出，此种X射线能量不连续，它等于电子跃迁的两能级之差，称之为标识X射线或特征X射线。,带电粒子与物质相互作用的主要过程,复习：带电粒子与物质的相互作用,1电离和激发,5,3、带电粒子与靶原子核的弹性散射（核碰撞损失，核阻止）,入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转；入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。,4、带电粒子与核外电子的弹性散射,与电子的库仑作用，使入射粒子方向偏转；入射粒子损失一部分动能，但能量转移很小，电子能量状态不发生改变。,带电粒子与物质相互作用的主要过程,100eV以下的粒子才需考虑。,复习：带电粒子与物质的相互作用,6,1.能量损失率：入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。,有：电离损失率，辐射损失率。,所以，,也叫线性阻止本领。,复习：带电粒子与物质的相互作用,7,1.能量损失率：,其中：,Bethe-Block公式(描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系)：电子碰撞能量损失率的近似表达式为：,复习：带电粒子与物质的相互作用,8,几点讨论：,1、S与入射粒子质量无关，只与电荷与速度有关。,1.能量损失率：,4、S与v2的关系,2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比,3、S与靶物质的电子密度NZ成正比,v2较大，对数项增大，S上升；v2较小，S1/v2；v2很小，电荷交换效应，俘获；v2极小，核阻止作用。,复习：带电粒子与物质的相互作用,9,在单位路程上通过辐射损失的能量叫做辐射损失率：,1.能量损失率：,几点讨论：,1、辐射损失率与入射粒子质量平方成反比，重带电粒子的辐射损失可以忽略不计；,2、辐射损失率与靶物质NZ2成正比；,3、辐射损失率与入射粒子能量E成正比。,对于电子，电离能量损失率与辐射能量损失率的关系为：,复习：带电粒子与物质的相互作用,10,2.带电粒子在物质中的射程：,射程R：带电粒子在物质中沿初始入射方向行进的最大距离。,电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。,复习：带电粒子与物质的相互作用,11,粒子在标准状态空气中的射程,适用范围：3MeVE7MeV。,在不同的物质中，,与空气对比，可得粒子在其他物质中的射程，,其中，空气是由多种元素组成的混合物，对此：,2.带电粒子在物质中的射程：,复习：带电粒子与物质的相互作用,12,例：210Po，放射源，E=5.3MeV，计算得到：R0=3.8cm。,在人体组织中，R=43m，R=4.3mg/cm2；而人体皮肤的厚度R=7mg/cm2。,在Al中，A=27，=2.7，计算得到：R=23.4m。,典型物质中射线的射程：Ge：REmax，(mm,MeV)Al：R2Emax，(mm,MeV)Air：R400Emax，(cm,MeV),2.带电粒子在物质中的射程：,复习：带电粒子与物质的相互作用,13,第六章带电粒子的防护,一切带电的粒子，如电子、介子、质子、粒子和核都称为带电粒子。凡质量大于电子质量的带电粒子称为重带电粒子。,带电粒子同物质相互作用可能产生贯能力较强的次级辐射，因此在带电粒子的屏蔽计算中，除了考虑对带电粒子本身的屏蔽外，还须考虑对他们在屏蔽材料中产生的次级辐射进行屏蔽。,14,一.射线防护的特点,第一节射线的屏蔽防护,射线比射线具有更大的穿透能力，仅次于射线。射线的防护较为简单，却不能忽视，它容易被组织表层吸收，引起组织表层的辐射损伤。,射线与物质作用的另一特点是产生轫致辐射。轫致辐射的强度与射线的能量、屏蔽材料的有效原子序数有关。其最大能量近似等于初级粒子的最大能量。防护射线时必须考虑两层屏蔽，第一层用较低原子序数的材料屏蔽射线，第二层用高原子序数的材料屏蔽轫致辐射。,选用低原子序数的材料屏蔽射线，可以减少轫致辐射，常用的材料有烯基塑料、有机玻璃及铝等。屏蔽轫致辐射的材料，常用生铁、钢板和铅板等,15,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,带电粒子穿过物质时，主要通过电离、激发损失能量，带电粒子在物质中沿其入射方向穿过的最大直线距离，称为带电粒子在该物质中的射程。只要物质层厚度大于带电粒子在其中的射程，那么所有入射的带电粒子都将被吸收。,对于射线所需的屏蔽厚度，一般应等于射线在物质中的最大射程。射线射线在物质中的最大射程的计算，通常用的是经验公式法和查图法。,16,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,1.经验公式法,射线射线在铝中的最大射程的计算，通常用的经验公式如下：（在各个文献中给出的经验公式并不完全相同）,对于射线射线能量E0.15MeV时，能被不到30厘米的空气所吸收，不需要屏蔽。R为射线在铝中的最大射程（克/厘米2）。,17,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,1.经验公式法,射线射线在物质中的最大射程常用质量厚度表示，其优点是因为屏蔽电子、粒子的常用材料，尽管他们的密度相差很大，但以gcm-2为单位的质量射程，数值上都很接近。因此算出射程后，分别除以有关材料的密度，就得到相应材料所对应的但能电子或粒子的屏蔽厚度d，即：,射线射线在物质中的最大射程和能量的关系可以查表得到,18,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,1.经验公式法,射线射线在物质中的最大射程和能量的关系列于下表：,19,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,2.查图法,为了使电子、粒子在吸收过程产生的轫至辐射尽量减少，屏蔽材料最好选用诸如铝、有机玻璃、混凝土一类的低Z物质。射线在常用屏蔽材料中的最大射程和能量的关系有图给出。根据射线的能量可直接查出在所考虑材料中的Rmax。（屏蔽材料为：空气、铝、玻璃、混凝土、有机玻璃、水、铁、铜、铅均已给出）,当屏蔽层厚度小于粒子的最大射程时，粒子在屏蔽材料中的减弱可用粒子的半减弱层1/2。方法估算，这样，屏蔽层对粒子的减弱倍数为,20,若选用其他图中未给出最大射程的材料，则利用下式：,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,2.查图法,射线在所求材料a中的射程（厘米）射线在材料b中的射程（厘米）材料a的原子序数与其原子量之比材料b的原子序数与其原子量之比分别为材料a、b的密度（克/厘米3）,当Z/MA1/2时，上式可简化为：,如果选用的材料不是单质，而是化合物或混合物时，式中的原子序数和原子量采用该材料的有效原子序数和有效原子量进行计算。,21,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,常用防护材料的密度,22,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,一些物质的有效原子序数,23,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,2.查图法,【例题】某实验室有活度为3.7108贝克（10毫居里）的源，Emax=1.079兆电子伏。问选用哪种材料作为第一层屏蔽？并求出屏蔽层的厚度。,经验公式法：（1）计算Emax=1.079的射线在铝中的最大射程（2）利用公式计算屏蔽层厚度查图法：直接由射线在有机玻璃中最大射程的图中查得（约为0.58cm）,24,二.射线的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,2.查图法,【例题】某实验室有活度为3.7108贝克（10毫居里）的源，Emax=1.079兆电子伏。问选用哪种材料作为第一层屏蔽？并求出屏蔽层的厚度。,需要用到的公式：需要用到的参数：有机玻璃密度1.18g/cm3，有效原子序数Zeff5.85有效原子量Meff9.0铝密度Al2.7g/cm3，ZAl13.0，MAl26.98,25,三.轫致辐射的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,粒子被自身源物质及源周围的其他物质阻止时分别产生的内外轫致辐射，在某些情况下是不能忽略的。在估算外照射剂量和确定屏蔽厚度时，必须考虑粒子的内、外轫致辐射。,有两种计算轫致辐射屏蔽厚度的方法，一种是精确计算法，此法须知道源产生的轫致辐射谱，计算较为复杂；另一种是简单估算法，此法得到的结果是偏安全的，足以满足辐射防护的要求。,26,三.轫致辐射的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,设源的活度为A贝克，射线穿过空气层R1后，被第一屏蔽层d1所屏蔽，P点到源的距离为R。d为第二层厚度。考虑到由空气吸收而引起的射线强度的减弱，在P点轫致辐射的注量率为：,F射线被第一屏蔽层吸收时产生轫致辐射的份额；射线在空气中的衰减系数（厘米-1）,27,三.轫致辐射的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,上式不但适用于空气，而且使用于肌肉组织及水、塑料等组织等效材料。,F射线被第一屏蔽层吸收时产生轫致辐射的份额；射线在空气中的衰减系数（厘米-1）,参数F的计算公式为：,参数的计算公式为：,28,三.轫致辐射的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,轫致辐射的平均能量约等于，若忽略射线与空气和源本身相互作用产生的轫致辐射，则由轫致辐射产生的吸收剂量率为：,射线被第一屏蔽层吸收后产生的轫致辐射，在离源R（厘米）处的空气中产生的吸收剂量率（毫戈/小时）源的活度（贝克）第一屏蔽层材料的原子序数射线的平均能量（MeV）射线穿过空气层的厚度能量等于的光子在空气中的质能吸收系数（厘米2/克）,29,三.轫致辐射的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,【例题】某乙级放射化学实验室设计一个操作射线的手套箱，要求一次操作量可达1.851011贝克，Emax2.18MeV，操作时源与箱外表面距离为40cm，R120cm，应怎样设计？并计算所选材料厚度（考虑2倍安全系数）,解：考虑两层屏蔽层：里层用有机玻璃吸收射线，外层用铸铁或铅屏蔽轫致辐射。（1）用查表法或经验公式法可计算得到有机玻璃屏蔽层厚度（0.86cm0.90cm）（2）计算轫致辐射在所考虑点的吸收剂量率（3）计算屏蔽轫致辐射所需生铁或铅的厚度d,30,三.轫致辐射的屏蔽计算,第一节射线的屏蔽防护,已知：有机玻璃的Z6.3，（en/）a2.90810-2cm2/g，a7.78810-3cm-1；A1.851011Bq，R120cm，R40cm,辐射防护标准规定的吸收剂量率为：2.510-2毫戈/小时计算剂量减弱倍数：由Kd关系表中可查到所需厚度,31,重带电粒子分天然的和人工的两类,第二节重带电粒子的防护,一、重带电粒子的防护特点,1.天然重带电粒子,非人工产生的原子核自发放射出的或天然存在的重带电粒子，称为天然重带电粒子。来自宇宙射线的重带电粒子，其强度很弱，对人们不构成直接危害，不是我们所关心的问题；由放射性核素放射出的粒子，对人体有危害，值得重视。,这类粒子的能量在3.98MeV（232Th）到8.08MeV（212Po）之间。其射程短，一般无外照射危险。但当一定量的放射性核素进入人体内时，可造成严重的内照射。,32,第二节重带电粒子的防护,一、重带电粒子的防护特点,1.天然重带电粒子,放射性核素造成危害的另一特点是“群体反冲”现象。所谓“群体反冲”是由10个或20个左右的某种放射性核素的原子，构成一个群体。当某一群体中的一个核转变时，他将向某一方向发射粒子，于是该群体得到一个方向相反、动量相等的反冲能。在适当的条件下，该群体挣脱源表面力的束缚，进入空气并参与空气分子的热运动。当他们与物体表面接触时，便沉积在物体表面上，造成污染。如210Po、239Pu等核素都有群体反冲现象，这类放射源必须保存在密闭容器里，在密闭良好的手套箱中操作。,33,第二节重带电粒子的防护,一、重带电粒子的防护特点,2.人工重带电粒子,用人工方法，如借助加速器等设备产生的重带电粒子，称为人工重带电粒子。按粒子能量分为低能、中能和高能重带电粒子。,（1）.低能重带电粒子（Emc2如103MeV的的质子）,高能重带电粒子主要是在高能加速器中或进行高能核反应过程中产生的。例如，用倍加速到上百千MeV的质子，进行高能核反应时，除能产生高能质子、中子和高能射线外，还能产生强度高，穿透力较强的介子、介子等。对高能重带电粒子的防护，实际上涉及到高能加速器的防护问题。,35,第二节重带电粒子的防护,二、屏蔽防护的计算,1.用阻止本领计算,阻止本领的倒数表示带电粒子在物质中损失每单位能量所经过的路程。理论上可用阻止本领的倒数对粒子能量从0E0积分，求