辐射物理与防护电子教案

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1§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、辐射源当今主要有：核武器爆炸试验落下灰、核电生产和医疗照射以及核事故等。主要辐射类型是

射线，

和

粒子也称为“天然本底辐射”某些照射因素或多或少没有太大变化（或不可驱除、具有背景之含义）。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。

2食物Food&Drink17%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CosmicRays14%37%19%3天然电离辐射4人工电离辐射5dN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、辐射场的描述电离辐射存在的空间称为辐射场(用粒子数量描述辐射场性质)进入单位截面积的辐射粒子数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6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)进入单位截面积辐射粒子能量的总和单位：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71、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描述转移能量第一阶段的一个辐射量

进入体积V内所有不带电粒子的能量从体积V逸出的所有不带电粒子能量所有相关核和基本粒子静止能量改变的总和（减小为正，增加为负）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)8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

dlda

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.1249

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10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、照射量率单位时间内照射量的增量单位：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)11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衡量物质吸收辐射能量的多少在介质中用于电离和激发的这部分能量另部分则转化为轫致辐射(非吸收)1、吸收剂量DdEen为平均授予能离开该体积的全部粒子(带电和不带电)能量总和该体积内发生任何核反应所增加的静止能量

进入dm介质全部粒子(带电和不带电)能量的总和––=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

12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)m

v2

运动速度v=1.4m/s3)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131、完全辐射平衡2、吸收剂量率单位时间内的吸收剂量(吸收剂量的速率)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进入某一个无限小体积元的辐射能，等于离开该体积元的辐射能该无限小体积元存在辐射平衡。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14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：①辐射场均匀；②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介质中某体积元吸收的能量次级电子从体积元中带出的能量体积元外产生的次级电子带入体积元的能量射线转移给该体积元的能量(1)X或

射线进入空气其体积分成1、2、3…若干等份15(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给定单能X或

射线在空气中的质量吸收系数空气中

=33.85eV16

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：包括两部分：①碰撞损失转移；②

轫致辐射损失转移。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17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辐射量照射量比释动能吸收剂量剂量学含义表征X和

射线在指定体积内用于电离空气的能量表征不带电电离粒子在指定体积内交给带电粒子的能量表征任何辐射粒子在指定体积内被物质吸收的能量使用介质空气任何介质任何介质适用辐射类X和

射线不带电电离辐射任何辐射18§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

—组织器官产生效应化学过程：直接和间接作用—有机分子损伤（给分子）（介质—内部动荡—激发）

19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→引起损伤电离辐射作用于溶质分子受损正常功能和代谢受阻

化学键断裂（结构和性质改变）生物膜结构破坏2.间接作用溶质分子与电离辐射与溶剂分子作用产生的反应产物之间的相互作用(H、e、H2、H2O)机体细胞的含水量达70%

间接作用引起损伤重要20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分裂成两个子细胞（从母细胞得到遗传物质）

再分裂有丝分裂周期或细胞周期细胞周期①DNA合成前期(G1期)

②DNA合成期(S期)

③DNA合成后期(G2)

间隙期（准备期）分裂期(丝裂期)M期辐射敏感性低辐射敏感性强（易损伤）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

21(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→→可提高存活率此外,电离辐射作用还会阻断细胞周期活动延长细胞周期时间增殖能力下降甚至变性死亡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Linearenergytransfer——单位长度射程中的能量损失22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、遗传效应出现在受照者本人身上的效应(又分为全身效应和局部效应)影响受照者后代的效应按效应出现的时间分:近期效应、远期效应受照后2个月内出现的效应(又分为急性效应和慢性效应）受照几年到几十年之后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23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

因而具有随机性剂量不论大小都有导致随机性效应发生的危险24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。可制定相应的年剂量限值：

每个器官单独照射，与其他器官一起照射只要每年所受剂量不超过该器官的年剂量限值，则总累积剂量当量就不会超过阈值确定性效应就不会发生！25

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26以前称为品质因素27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)

28ICRP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。(internationalcommissiononradiationprotection)国际放射防护委员会人体器官或组织的危险度引入相对危险度权重因子：不包括手、前臂、足、踝、皮肤和眼晶体。胃肠受照时胃、小肠、大肠上段、大肠下段分别作为四个单独的器官。组织辐射效应危险度(Sv-1)性

腺乳

腺红骨髓肺甲状腺骨表面其余组织合

计遗传效应乳腺癌白血病肺

癌甲状腺癌骨

癌癌

4×10-32.5×10-32×10-32×10-35×10-45×10-45×10-31.65×10-229组织TWT性

腺乳

腺红骨髓肺甲状腺骨表面其他组织0.250.150.120.120.030.030.3合

计1.00其他组织(不包括眼晶体和皮肤)，取其他五个接受最高当量剂量的器官或组织；每一个的WT取作0.06；所有其他剩下的器官或组织照射可忽略不计。不同组织或器官的辐射危险度权重因子WT3、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。30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)。31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）

组织或器官组织权重因子WT组织或器官组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺0.200.120.120.120.120.050.05旰食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0.050.050.050.010.010.0532几个常用辐射量的概念比较吸收剂量单位质量介质吸收的

①

平均辐射能当量剂量对吸收剂量考虑组织生物

②

效应不同，进行加权修正有效剂量

考虑到全身不同组织或

③

器官受辐照的总危险度集体当量剂量每个人每个器官当量剂量

④

的总和集体有效剂量每个人每个器官有效剂量

⑤

的总和待积当量剂量某器官或组织接受的

⑥

当量剂量率对时间的积分待积当量剂量考虑组织权重因子WT之