辐射剂量与防护

关于辐射剂量与防护第1页，共86页，2023年，2月20日，星期六电离辐射剂量学：研究电离辐射能量在物质中的转移和沉积的规律，特别是转移和沉积的度量（量的定义、测量、计算等）的科学。剂量计算或测量两种基本途径：（1）辐射场本身测量—辐射场粒子数、辐射的能谱分布、辐射能量沉积本领（2）直接或间接测量沉积能量第2页，共86页，2023年，2月20日，星期六第一章回顾1、辐射的分类i.电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离，如α粒子、β粒子、质子、中子、X射线和γ射线等。ii.非电离辐射：与物质作用不产生电离的辐射，如微波、无线电波、红外线等。第3页，共86页，2023年，2月20日，星期六2、辐射场的描述粒子注量定义：单向辐射场：粒子注量，数值上等于通过与粒子入射方向垂直的单位面积的粒子数。θda┴da第4页，共86页，2023年，2月20日，星期六da┴=dacosθ定义：Φu=dN/da┴

为单向辐射场的粒子注量。一般情况：各向辐射场定义：Particlefluence(粒子注量)Φ：Φ=dN/da，m-2Energyfluence（能量注量）Ψ：Ψ=dR/da，j.m-2Pda第5页，共86页，2023年，2月20日，星期六按能谱分布：能量注量：能量注量与粒子注量的关系第6页，共86页，2023年，2月20日，星期六3、相互作用系数A、带电粒子（e、、重带电粒子）总阻止本领:

总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。－dE是dl距离上损失能量的数学期望值。总线阻止本领与带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影响可得到总质量阻止本领公式：第7页，共86页，2023年，2月20日，星期六总质量阻止本领描述带电粒子在物质中穿过单位路程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各种相互作用阻止本领之和。质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级带电粒子的能量损失决定）质量碰撞阻止本领（包括电离和激发对能量损失的贡献）第8页，共86页，2023年，2月20日，星期六X、射线与物质作用类型：光电效应康普顿效应电子对生成5MeVr=1mm栅元0.2×1mm2

5MeVnr=1mm栅元0.2×1mm2笔形束辐射在水模中的纵向能量沉积第9页，共86页，2023年，2月20日，星期六中子与物质相互作用类型:

弹性散射（Elastic-scattering）：总动能守恒。非弹性散射（In-elasticscattering）：总能量、动量守恒，动能不守恒。去弹性散射（Non-elasticscattering）：（n.p）（n.）等。俘获（Capture）：（n.γ）。散射（Spallation）以上均属与原子核的相互作用。第10页，共86页，2023年，2月20日，星期六B、不带电粒子（X、、中子）质量减弱系数（/）：描述物质中入射不带电粒子数目的减小，不涉及具体物理过程。质量能量转移系数（tr/）：描述不带电粒子穿过物质时，其能量转移给带电粒子数值。只涉及带电粒子获得的能量，而不涉及这些能量是否被物质吸收。质量能量吸收系数（en/）：描述不带电粒子穿过物质时，不带电粒子被物质吸收的能量。当次级带电粒子动能较小、物质原子序数较低时，轫致辐射弱，g值接近于零，此时en/值近似tr/值。数值上：质量减弱系数（/）>质量能量转移系数（tr/）>质量能量吸收系数（en/）第11页，共86页，2023年，2月20日，星期六4、辐射剂量学中使用的量A吸收剂量（D） 同授与能（）相联系，单位质量受照物质中所吸收的平均辐射能量。单位Gy。适用于任何类型的辐射和受照物质，与一个无限小体积相联系的辐射量。受照物质中每一点都有特定的吸收剂量数值。第12页，共86页，2023年，2月20日，星期六授与能ε（energyimparted）

（1）能量沉积事件（energydepositionevent）由某个电离粒子或某组相关的电离粒子给指定沉积内物质授与能量的事件。

（2）.某一能量沉积事件的授与能ε

1

某个电离粒子或某一组相关的电离粒子在指定体积V内发生的所有的相互作用中沉积能之和。①定义②通用表达式第13页，共86页，2023年，2月20日，星期六hυBe+α13Chυe-En16O(n,αγ)13CEe’δ一次能量沉积事件的授与能示意图Q=-2.215MeV第14页，共86页，2023年，2月20日，星期六B、比释动能（K）同转移能（tr）相联系，不带电粒子在质量dm的物质中释放出的全部带电粒子的初始动能总和的平均值。单位Gy。针对不带电粒子，对受照物质整体，而不对受照物质的某点而言。实用时可先查比释动能因子表（国际上给出比释动能因子的推荐值），进而求得比释动能。

第15页，共86页，2023年，2月20日，星期六C、照射量（X）

X或射线在单位质量的空气中，释放出来的全部电子完全被空气阻止时，在空气中产生一种符号的离子的总电荷的绝对值。单位C/kg。针对X或射线、空气。空气中各点的照射量不同。空气中某点的照射量X与同一点处的能量注量的关系：若粒子为单能的，则照射量与粒子注量有如下关系：第16页，共86页，2023年，2月20日，星期六X和值得说明的问题含义:

自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量或照射量率的概念可以用空气碰撞比释功能Kc,a来取代照射量原因：a.由电离电荷量到能量的换算（乘以(w/e)a因子）很不方便

b.Exposure的含义容易混

c只适用于X、γ射线；

d只对空气；

e测量时必须满足电子平衡；

f不能作为剂量的单位，历史误会。第17页，共86页，2023年，2月20日，星期六带电粒子平衡带电粒子平衡

不带电粒子在某一体积元的物质中，转移给带电粒子的平均能量，等于该体积元物质所吸收的平均能量。发生在物质层的厚度大于次级带电粒子在其中的最大射程深度处。5MeVr=1mm栅元0.2×1mm2

第18页，共86页，2023年，2月20日，星期六比释动能与吸收剂量在物质中的变化：第19页，共86页，2023年，2月20日，星期六带电粒子平衡的条件：（1）离介质边界有一定距离，dRmax；（2）均匀照射条件；（3）介质均匀条件：介质对次级带电粒子的阻止本领，对初级辐射的质能吸收系数不变。带电粒子平衡不成立：（1）辐射源附近；（2）两种物质的界面；（3）高能辐射。第20页，共86页，2023年，2月20日，星期六带电粒子平衡条件下，空气中照射量（X）和同一点处空气吸收剂量(Da)的关系为：吸收剂量与物质的质量吸收系数成正比，即故空气中同一点处物质的吸收剂量Dm为：照射量换算到某物质吸收剂量的换算因子，可查表得到。第21页，共86页，2023年，2月20日，星期六吸收剂量、比释动能和照射量的区别第22页，共86页，2023年，2月20日，星期六且电子平衡时第23页，共86页，2023年，2月20日，星期六吸收剂量与比释动能的关系带电粒子平衡下

D=K（1-g）

g是次级电子在慢化过程中，能量损失于轫致辐射的能量份额。对低能X或射线，可忽略轫致辐射能量损失，此时

D＝K第24页，共86页，2023年，2月20日，星期六本章概念一、名词解释

电离辐射粒子注量粒子注量率比释动能吸收剂量照射量第25页，共86页，2023年，2月20日，星期六二、单选题吸收剂量的SI单位是：（）a、J/kg（焦耳每千克）b、J/s（焦耳每秒）c、J/kg.s（焦耳每千克秒）d、J（焦耳）三、简答题什么叫带电粒子平衡？第26页，共86页，2023年，2月20日，星期六四、计算题1.4、在γ辐射场中，某点处放置一个圆柱形电离室，其直径为0.03m长为0.1m。在γ射线照射下产生10-6C的电离电荷。试求在该考察点处的照射量和同一点处空气的吸收剂量各为多少？第27页，共86页，2023年，2月20日，星期六1.6在60Coγ射线照射下，测得水体膜内某点的照射量为5.18×10-3Ckg-1，试计算同一点处水的吸收剂量。上式中，60Coγ射线包括1.17MeV和1.33MeV，分支比1:1，查P17表1.3不同光子能量对某些物质的fm值可知，能量在0.4~2MeV的γ射线对水的fm值都为37.64。剂量学计算能准确更好，可用插值法求表中未给出的数值点；防护学计算未知能量点可插值，也可按防护最安全角度考虑，将剂量值往大方向计算。第28页，共86页，2023年，2月20日，星期六1.8设在3min内测得能量为14.5MeV的中子注量为1.5×1011m-2。求在这一点处的能量注量、能量注量率和空气的比释动能各为多少？能量注量：能量注量率：

空气的比释动能：

第29页，共86页，2023年，2月20日，星期六第二章回顾1、照射量的标准测量方法A自由空气电离室 适用于测量50keV~3MeV的X或射线，基本原理根据照射量定义。比释动能L1和L2距离大于次级电子在空气中的射程，保证电子平衡条件。第30页，共86页，2023年，2月20日，星期六B空腔电离室

测量较高能量的X或射线的照射量，特点增加电离室的壁厚。测量依据布拉格—戈瑞原理。条件：介质内存在的空腔足够小以致i腔内的气体电离几乎全部是介质中的次级电子引起的；ii空腔的存在不会改变介质中初始光子和次级光子的能谱和角分布；iii空腔周围介质厚度大于次级电子在其中的最大射程。空腔位置处存在着电子平衡Sm,g物质与腔内气体的平均质量碰撞阻止本领比第31页，共86页，2023年，2月20日，星期六电子平衡时，空腔中的电离量反映了射线交给室壁材料的次级电子的能量。第32页，共86页，2023年，2月20日，星期六布拉格－戈瑞公式第33页，共86页，2023年，2月20日，星期六第34页，共86页，2023年，2月20日，星期六理想情况：室壁材料、腔内空气完全与空气等效。

－空气等效电离室如何消除等参数的影响？质量阻止本领与Z、z、Ma有关；质量吸收系数与Z、E有关。第35页，共86页，2023年，2月20日，星期六近似情况：用碳、铝一类低Z（Z<30）材料做室壁材料。国际上都以石磨电离室作为测量X或射线照射量的标准装置。第36页，共86页，2023年，2月20日，星期六能量响应：单位照射量对应的仪器的读数对光子能量的依赖关系。在低能量下，尤其要注意仪器的能量响应，有时读数可差别几十倍。第37页，共86页，2023年，2月20日，星期六2、中子当量剂量的测量中子当量——不同中子能量范围的中子吸收剂量乘以相应的辐射权重因子，最后相加，即得中子当量剂量。实际测量中，测量不同中子能量范围的中子吸收剂量是困难的。这时在一定能量范围内，调整仪器的响应，使仪器的探测效率正比于。这样，辐射场中探测器测到的中子数Nn，即正比于中子的当量剂量指数HI,no。第38页，共86页，2023年，2月20日，星期六第二章作业2.1试简述自由空气电离室、空腔电离室测量照射量的基本原理。2.2何谓剂量仪的能量响应？影响能量响应的因素是什么？如何改善能量响应？2.3、在标准状况下，设一个半径5cm球状空气等效壁电离室，受射线照射后产生1.5uC的总电荷。求照射量是多少？相应空气中的吸收剂量是多少？第39页，共86页，2023年，2月20日，星期六2.7、用2.5cm×2.5cmNaI(Tl)闪烁体，测得与圆柱体轴线平行入射能量为1MeV的光子计数率为100计数/s。试计算：①2.58×10－6C/kg的光子注量；②闪烁体的固有探测效率；③计算照射量率为多大？假设NaI(Tl)的密度为4g/cm3，其对能量为1MeV光子的质量衰减系数/=0.05cm2/g，空气质量能量吸收系数en/＝0.025cm2/g。(1)(2)(3)第40页，共86页，2023年，2月20日，星期六2.10、试简述热释光元件测量剂量的基本原理。2.11、设计一个G-M计数管式剂量率仪，若光子能量为1MeV，探测效率为1%，计算管有效面积10cm2，要求测量量程为10-6~10-4C/kg/h。试计算相应的计数率范围是多少？

第41页，共86页，2023年，2月20日，星期六本章试题举例1、B-G腔需满足哪些条件？2、仪器能量响应？3、热释光剂量计的原理？第42页，共86页，2023年，2月20日，星期六第三章回顾第一节辐射对人体健康的影响一、影响辐射生物学作用的因素1、物理因素——与辐射有关的因素辐射类型剂量率及分次照射照射部位和面积照射的几何条件第43页，共86页，2023年，2月20日，星期六2、生物因素——与机体有关不同生物种系的辐射敏感性个体不同发育阶段的辐射敏感性不同细胞组织或器官的辐射敏感性辐射防护即从影响辐射损伤的因素入手来进行防护，如对不同的辐射类型采取不同的防护方法、限制剂量和分次照射以使辐射损伤所发生的可能性最小。第44页，共86页，2023年，2月20日，星期六二、剂量与效应的关系随机性效应（Stochasticeffect）随机性效应特征“线性无阈”。“无阈”指任何微小的剂量都可能诱发随机性效应。“线性”指随机性效应发生几率与所受剂量成线性关系，但其后果的严重程度不一定与所受剂量有关系。剂量有害效应的发生率第45页，共86页，2023年，2月20日，星期六确定性效应有阈值。超过阈值，效应肯定会发生，且其严重程度与所受剂量大小有关，剂量越大，效应越明显。

ICRP在其建议书草案(征求意见稿,2006)中将确定性效应也称为组织反应。剂量有害效应的严重程度阈值第46页，共86页，2023年，2月20日，星期六第二节辐射防护中使用的量一、与个体相关的辐射量1、当量剂量（H）：与辐射生物效应相联系，用同一尺度描述不同类型和能量的辐射对人体造成的生物效应的严重程度或发生几率的大小。WR辐射权重因子——与辐射种类和能量有关；DT，R按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量；HT单位Sv。第47页，共86页，2023年，2月20日，星期六WR值大致与辐射品质因子Q值一致。所谓辐射品质，是指电离辐射授予物质能量在微观空间分布上的特征，传能线密度LΔ是描述加射品质的方法之一。第48页，共86页，2023年，2月20日，星期六2、有效剂量（E）：与人体各器官对辐射的敏感度相联系。描述辐射照射人体，给受到照射的有关器官和组织带来的总的危险。在非均匀照射下随机效应发生率与均匀照射下发生率相同时所对应的全身均匀照射的当量剂量。有效剂量单位Sv。WT——组织权重因子，在全身均匀受照射下各器官对总危害的相对贡献。第49页，共86页，2023年，2月20日，星期六组织权重因子（WT）——器官或组织受照射所产生的危害与全身均匀受照射时所产生的总危害的比值。即反映了在全身均匀受照射下各器官对总危害的相对贡献。组织权重因子第50页，共86页，2023年，2月20日，星期六有效剂量表示为表示了非均匀照射条件下随机效应发生率与均匀照射下发生率相同时所对应的全身均匀照射的当量剂量。评价危险时，当量剂量、有效剂量，只能在远低于确定性效应阈值的吸收剂量下提供随机性效应概率的依据。第51页，共86页，2023年，2月20日，星期六3、待积当量剂量H50,T、待积有效剂量H50，E描述内照射情况下，放射性核素进入人体内对某一器官或个人在一段时间内（50y）产生的危害。也可用来估计摄入放射性核素后将发生随机性概效应的平均几率。第52页，共86页，2023年，2月20日，星期六第三节人体受到照射的辐射来源及其水平1、天然本底照射宇宙射线来自宇宙空间的高能粒子流，包括质子、粒子、其它重粒子、中子、电子、光子、介子等；宇生核素宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生，如3H、14C、7Be等；原生核素存在于地壳中天然放射性核素，以238U、232Th、235U为起始的三个天然放射系，及独立的长寿命放射性核素如40K等。第53页，共86页，2023年，2月20日，星期六2、人工辐射医疗照射X射线检查核动力生产核燃料循环核爆炸第54页，共86页，2023年，2月20日，星期六第四节辐射防护的基本原则

辐射防护的目的

防止有害的确定性效应，并限制随机性效应的发生率，使它们达到被认为可以接受的不平。辐射实践正当化

涉及照射的实践，除非对受照个人或社会能够带来足以补偿其所产生的辐射危害的利益，否则不得采用。第55页，共86页，2023年，2月20日，星期六防护与安全的最优化

对一项实践中的任一特定辐射源，个人剂量的大小、受照人数以及照射发生的可能性，在考虑了经济和社会因素之后，应当全部保持在合理可行的最低程度（ALARAAsLowAsReasonablyAchievable）。为了保证公平性，应当在这个过程中考虑个人剂量约束或个人危险约束。最优化的定量分析技术

－代价利益分析CostBenefitAnalysis第56页，共86页，2023年，2月20日，星期六剂量限制

个人剂量限值

个人受到所有有关实践联合产生的照射，应当遵守剂量限值。

剂量约束值一种与源相关的个人剂量值，公众成员从任何受控源的计划运行中接受的年剂量上界。干预的防护体系——ICRP60干预：任何旨在减小或避免不属于受控实践的或因事故而失控的源所致照射或照射可能性的行动.第57页，共86页，2023年，2月20日，星期六剂量限值

应用职业人员公众有效剂量20mSv·a-1

连续5年内平均1mSv·a-150mSv·a-1在任一年年当量剂量眼睛150mSv15mSv皮肤500mSv50mSv四肢500mSv辐射防护标准和各种限值第58页，共86页，2023年，2月20日，星期六本章试题举例1、确定性效应、随机性效应2、当量剂量、有效剂量3、待积当量剂量4、辐射防护三原则第59页，共86页，2023年，2月20日，星期六第四章回顾第一节外照射防护的一般方法1.1、外照射防护的基本原则

尽量减少或避免射线从外部对人体的照射，使之所受照射不超过国家规定的剂量限值。内、外照射的特点照射方式辐射源类型危害方式常见致电离粒子照射特点内照射外照射多见开放源多见封闭源电离、化学毒性电离、高能、电子、、X、n持续间断第60页，共86页，2023年，2月20日，星期六1.2、外照射防护的基本方法1、减少接触放射源的时间2、增大与放射源的距离3、设置屏蔽1.3、屏蔽材料的选择一般选低Z材料纸、铝箔、有机玻璃低Z+高Z材料铝、有机玻璃、混凝土、铅X、高Z材料、通用建筑材料铅、铁、钨，铀N高Z材料、含氢低Z材料、含硼材料水、石蜡、碳化硼铝、含硼聚乙烯第61页，共86页，2023年，2月20日，星期六第二节射线的剂量计算点源的照射量率计算点源：辐射场中某点与辐射源的距离，比辐射源本身的几何尺寸大5倍以上，即可把辐射源看成是点状的，称其为点状源，简称点源。非点源：辐射场中某点与辐射源的距离，比辐射源本身的几何尺寸小于5倍，且辐射源有一定的大小和形状，因而该辐射源不能视为简单的点源。第62页，共86页，2023年，2月20日，星期六点源的照射量率计算照射量率常数非单能情况：第63页，共86页，2023年，2月20日，星期六第三节X、射线在物质中的减弱规律3.1窄束X或射线的减弱规律窄束—入射光子发生一次相互作用，就认为该光子消失宏观衰减量—质量能量减弱系数、质量厚度物质对光子数目衰减第64页，共86页，2023年，2月20日，星期六（3）两个概念

能谱的硬化：平均自由程：随着通过物质厚度的增加，不易被减弱的“硬成分”所占比重越来越大的现象。线减弱系数的倒数称为光子在物质中的平均自由程。即λ=1/μ。表示光子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿行的平均厚度。如果d＝λ，即厚度等于一个平均自由程，X或γ射线被减弱到原来的e-1。康普顿效应占优时，估算，第65页，共86页，2023年，2月20日，星期六

宽束X或γ射线的减弱规律

第66页，共86页，2023年，2月20日，星期六描述散射光子影响的物理量。表示某一点散射光子数所占份额。B取决于：源的形状，光子能量，屏蔽材料的原子序数，屏蔽层厚度，屏蔽层几何条件给定辐射源和屏蔽介质的话，只与光子能量E和介质厚度（平均自由程数μd）有关，即B（Eγ，μd）。B－积累因子（build-upfactor)第67页，共86页，2023年，2月20日，星期六第四节射线的屏蔽计算点源屏蔽计算点源，初级辐射γ占主导时：透射比：减弱倍数第68页，共86页，2023年，2月20日，星期六居留因子q居留因子q种类举例q＝1全居留值班室、控制室、工作室、实验室、车间、放射工作人员经常用的休息室；宿舍；儿童娱乐场所；宽得足以放办公桌的走廊；暗室。q＝1/4部分居留容不下放办公桌的走廊；杂用房；不常用的休息室；有司机的电梯；无人看管的停车场。q＝1/16偶然居留候诊室；厕所；楼梯；自动电梯；储藏室；人行道、街道。第69页，共86页，2023年，2月20日，星期六（1）查透射比曲线（2）减弱倍数计算减弱倍数（3）十倍减弱倍数计算第70页，共86页，2023年，2月20日，星期六第五节β射线外照射防护β射线特点：能谱连续，在物质中的减弱近似指数规律散射显著；轫致辐射；β点源的剂量分布与距离平方成反比，但有很多修正项。β点源对空气吸收剂量率近似：β射线的射程第71页，共86页，2023年，2月20日，星期六第六节中子外照射的防护1中子源特点总结：放射性中子源优点：各向同性、源的总体尺寸小（可视为点源）缺点：中子产额低（400中子/（106sBq）），中子场常伴随有辐射加速器中子源优点：产额高（109~1010中子/（sA）），

（p，n）源伴随辐射少缺点：中子产额角分布严重，各角度中子分布不均中子源体积较大反应堆中子源等离子体中子源第72页，共86页，2023年，2月20日，星期六2当量剂量计算单能中子场具有能量分布的中子场与中子谱n,E相应的中子平均当量剂量换算因子(4.73)(4.74)（4.75）第73页，共86页，2023年，2月20日，星期六3、中子在屏蔽层中的减弱中子在物质中衰减规律总结：非弱性散射：有阈值，中子能量在25MeV以下，非弹性散射截面随中子能量增大而增加。弹性散射：与中子相碰撞的原子核越轻，中子转移给反冲核能量越多。氢是1MeV左右的中子最好的慢化剂。要使快中子（0.5~10MeV）慢化，首先应使用重或较重的物质，通过非弹性散射使中子能量很快降低到与原子核的第一激发能级相应的能量以下；以后再利用含氢物质，能过弹性散射使中子能量进一步降低到热能区。硼的热中子慢化截面大，且其伴随的辐射能量低，因而适宜做热中子慢化剂。反应堆中常用其吸收热中子，调节临界系数。第74页，共86页，2023年，2月20日，星期六计算宽束流中子减弱的分出截面法

经历散射作用的中子被有效地从穿出屏蔽的中子束中“分出”了，使穿过屏蔽层的都是哪些在屏蔽层内未经相互作用的中子。满足下列条件可用分出截面法：A、屏蔽层足够厚，使得在屏蔽层后面的当量剂量主要是由中子束中一组贯穿能力最强的中子的贡献所致；B、屏蔽层内须含有铁、铅之类的中等重或重的材料，以使入射中子能量能通过非弹性散射很快降低到1MeV左右；C、屏蔽层内要含有足够的氢，以保证在很短的距离内，使中子能量从1MeV左右很快降到热能区，并使其能在屏蔽层内被吸收。第75页，共86页，2023年，2月20日，星期六为使参考点上中子注量率降低到L(m-2s-1)，所需屏蔽厚度d，可由下式计算：第76页，共86页，2023年，2月20日，星期六14、已知226Ra-Be中子源的活度为3.7×1012Bq（中子产额见表4.12）。求离源2m处的中子与当量剂量率。

中子当量剂量率：从P112页表4.12查得226Ra-Be中子源的中子产额为405×10-6s-1Bq-1，查P117页表4.15得226Ra-Be中子源的当量剂量换算因子为34.5×1015Svm-2。

第77页，共86页，2023年，2月20日，星期六当量剂量率：查P82页表4.4得核素226Ra的空气比释动能常为6.13×10-17Cm-2kg-1Bq-1s-1。

P128例1中子屏蔽计算的例子第78页，共86页，2023年，2月20日，星期六第五章内照射防护、监测与评价第一节前言内照射：

体内