氡气 页 22-1 氡气 何谓氡气? ? 氡气是镭元素放射性蜕变所产生的气体。 ? 氡气本身有放射性，放出一个阿伐粒子并形成钋元素。 ? 在三个天然发生的放射核种蜕变系列中每一个都会释出氡气(只有U-238系 列贡献显著而形成危害)。 ? 铀无所不在(土壤、建材，等等) ? 铀蜕变最后成镭。 ? 镭，是氡气的母核且非常易溶。 ? 因此氡气也是无所不在。 ? 氡的主要来源是土壤，但地下水、天然气与建材中也有。 危害有哪些？ ? 氡的半衰期只有3.8天。 ? 氡气蜕变的子核种产物对健康危害更大。 ? 在空气中与肺中的氡气蜕变产生钋、铋与铅(等等)。 ? 氡气子核蜕变会释出阿伐粒子。 ? 非常低剂量的阿伐粒子之生物效应仍不确定(是由矿工高剂量结果外插得 到)。 氡气 页 22-2 氡的历史： ? 早在15世纪在东欧的Erz山区的地下金属矿工身上证实有高的不寻常之呼吸道疾病致病率 (「肺黑病」)。在18世纪在这区域的矿工身上证实有肺的恶性癌，而在20世纪早期称为肺 脏的原发性癌。 ? Rutherford与Owens在1899年研究「钍的射气」并写出「钍所放出的辐射量非一定而是变幻 莫测的」。Rutherford作一观察的批注「射气…行为像一般寻常气体」且「… 辐射的强度 在经过约1分钟的时间间隔降为原来的一半」。Rutherford与Owens发现的氡-220(钍气)， 半衰期为51秒。 ? Pierre与Marie Curie于1899年研究钍的射气，结论为「..放射性持续几天」。Curies量测氡-222 的半衰期为3.8天，但他们仍然怀疑放射活性是否存在气体的形式中。 ? Rutherford (1901)与Ernst Dorn (1900)晚期的研究确认了镭放出的辐射是放射性气体。 ? 在1920年代于Czechoslovakia 的矿区侦测道有高浓度的氡气，此处的矿工也有高的肺癌比 例。此结果曾被认为是氡气造成的，但这假设未被一般社会所接受，直到1950与1960年代 的其它研究团队进行对受氡气曝露的矿工之流行病学调查后才获得认同。 ? 在1950与1960年代的采矿工业开始监测矿区空气并限制曝露。 ? 氡气本身已经被假定为是直接造成矿工肺癌的原因。在1950年代，Harly于Rensselear Polytechnical 机构的医学论文中提出氡气蜕变产物会额外对肺脏细胞给予剂量。 氡气 页 22-3 影像已移除 表 B-4于[BEIR VI]中。国家研究委员会。Health Effects of Exposure to Radon: BEIR VI. Washington DC: National Academies Press, 1999. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/194.html#page_top. [WL，工作水平，是空气中氡子核浓度的量测值。] ? 氡气被发现在室内气体中，但直到1970年代才被接受有潜在的健康关连性室内氡水平。在 Scandinavia 发现室内有高的氡水平并追踪到建材中含有特殊类型的页岩。少数的美国资 料报告也有类似的水平。 ? 直到1970年代氡气才被确认为对一般公众的辐射曝露主要来源。 ? 在1970年房屋建构实务上(以反应能源危机)采用更好的绝缘与更密实的封闭房屋。 ? 在1984年，在宾夕法尼亚州的核电厂工作人员将辐射监测器带回家。回家后发现家中的氡 气污染程度比地下矿区限值的还高。 ? 之后其它家庭也发现有类似高的氡气水平。随着数据库的增加，已确认是相当广泛的问题。 氡气 页 22-4 氡气 铀：来源 ? 所有岩石都含有一些铀：平均介于1至3(ppm)之间。 ? 一般而言，土壤中的铀含量约略等于从土壤中取出的岩石之铀含量。 ? 有些种类的岩石所含平均铀含量较高(浅色火成岩，花岗石，深色页岩，含磷的沈积岩， 与这些岩石中所变成的变质岩)。 ? 这些岩石与土壤含有约100 ppm的铀。 ? 这些岩层来自于美国各处。 ? 在室内氡气的量除了地下土壤的铀含量以外还大大地受其它因素所影响。 氡气 页 22-5 来源：U.S. Geological Survey. 「Geologic Radon Potential of the U.S.」 [1995.08.13更新， 2004.03.29引用]。 http://energy.cr.usgs.gov/radon/rnus.html. RADON POTENTIAL 潜在氡气量 LOW 低 MOD 中 HIGH 高 氡气 页 22-6 铀 → 镭 → 氡 ? 阿伐回跳是影响矿物结晶中氡气释出的较重要因素。 ? 有些氡气脱出结晶进入细孔空间中。 ? 细孔间内的水可减缓氡气并增加氡气滞留细孔空间的机会。 在一矿物结晶之区域的氡气可能逃 逸出而进入细孔空间中。 正蜕变成氡气的镭原子 新形成的氡气原子 在矿物结晶中产生的氡气只有 10~50%会逃逸出而进入细孔空间 中，剩余的仍嵌在结晶内。若有水 存于细孔空间中，则氡原子较容易 滞留在细孔空间内。若细孔空间是 干的，则氡原子可能会跑过一个个 细孔直到嵌入其它结晶而不能动为 止。 来源：U.S. Geological Survey. 「The Geology of Radon」 [1995.10.13更新，2004.03.29 引用]。 http://energy.cr.usgs.gov/radon/georadon/3.htmll. ? 以大多数土壤来说，矿物结晶中产生的氡气只有10~50%会逃溢出并进入细孔中。 ? 在美国的多数土壤内的矿物质含有每公克0.33至1 pCi的氡气，而土壤中空气所含每公升 氡气介于200至2,000 pCi。 氡气 页 22-7 土壤状态影响氡的迁移 氡气藉由从石缝或开口逃逸能易于脱离岩石与土壤并进入土壤颗粒间的细孔。 影响氡气迁移的因素： ? 在细孔中的水量(土壤湿度) ? 土壤中细孔空间百分比(孔隙度) ? 土壤渗透率，细孔空间的「相互连结性」决定了土壤中水与空气的穿透能力。 来源：U.S. Geological Survey. 「The Geology of Radon」 [1995.10.13更新，2004.03.29 引用]。 http://energy.cr.usgs.gov/radon/georadon/3.htmll. ? 氡气穿过可渗透的土壤比较无渗透粒的土壤如黏土较为迅速，如粗颗粒与砂砾。 ? 在任何土壤或岩石的裂缝皆可使氡气迁移较为迅速。 ? 氡气在富含水分的岩石或土壤中之蜕变多在迁移不到1英吋内发生，但在干燥的岩石或 土壤中可迁移达6英呎，甚至10英呎以上。 氡气 页 22-8 进入建筑中的氡气 来源：U.S. Geological Survey. 「The Geology of Radon: Preface」 [1995.10.13 更新，2004.03.29引用]. http://energy.cr.usgs.gov/radon/georadon/1.html. 住宅之氡气水平提高特性 ? 有地下室的房屋→狭窄空间者 ? 墙壁在基准标高以下的房屋 ? 曝露在地下的地下室/集水坑的房屋 ? 房屋在山脊/边坡的→在山谷中。在边坡的土壤通常排水良好且渗透性佳。 ? 房屋为空心的混凝土块地基壁→固密混凝土墙。 ? 密闭的→通风的房屋 氡气通常逃进大气中。 若有一间房屋，土壤空气常常倾向往其底层流动，有三个原因： ? 土壤与房屋之间的空气压力不同 ? 房屋底层有孔隙 ? 底层周围渗透性增加 氡气 页 22-9 氡气浓度 在室外空气、室内空气、土壤中空气与地下水中的氡气水平差异很大。 室外空气中的氡气 范围从低于0.1 pCi/L至约30 pCi/L, 平均0.2 pCi/L. 室内空气的氡气 范围从低于1 pCi/l至约3,000 pCi/L, 平均介于1与2 pCi/L之间 土壤空气中(占据土壤中空隙的空气)的氡气 范围从20或30 pCi/L至大于100,000 pCi/L； 在美国多数的土壤含量每公升土壤空气介于200与2,000 pCi的氡气。 溶解于地下水中氡气的范围从约100至将近3百万pCi/L。 在一间家用住宅中对室内氡气浓度的大略贡献。 ? 土壤 1.5 pCi/L ? 公用水源 0.01 ? 私人水井 0.4 ? 建材 0.05 ? 室外空气 0.2 影像已移除 由来自19个不同研究中的552个美国(上)与瑞典(下)家庭室内氡气浓度分布资料。(4 pCi/L的浓 度相当于160 Bq/m 3 )。 影像已移除 氡气 页 22-10 氡气蜕变 影像已移除 Fig. 16.2 in Alpen, E. L. Radiation Biophysics, 2 nd ed. San Diego, CA: Academic Press, 1998. 氡气( 222 Rn)本身由于半衰期非常短而不是主要的因素。 氡气也是惰性气体且一般在吸入后会呼出(尽管有些会溶于血液中)。 氡气的子核种则需要考虑悬浮粒子(特指气胶粒子)、阿伐-放射与在几小时内蜕变成 210 Pb (T 1/2 = 22 年)。 氡气 页 22-11 工作水平 依惯例，氡气子核的浓度以工作水平(WL)来量测，而一段时间的累积曝露以工作水平月(WLM) 来量测。 工作水平(WL)是用来描述氡气子核浓度的单一值且也反应其生物危害。 其危害更直接关系到沈积肺中藉 218 Po与 214 Po的阿伐蜕变的能量之量。 工作水平是一公升空气中氡气与其子核造成的1.3 x 10 5 MeV阿伐粒子能量放射。 1 WL = 平衡时100 pCi/L的氡气子核 (一个WL = 100 pCi/L) 1 WL = 1.3 x 10 5 MeV/L 一般氡气子核的工作水平浓度： 室外 0.0016 WL 室内，地下室 0.008 WL 室内，一楼 0.004 WL 工作水平月是氡气子核的累积曝露。曝露在氡气子核浓度1WL下一个月(170小时)即是一个工 作水平月。 曝露(WLM) = 170 )()( hrsWL 暴露限值濃度 × 氡气 页 22-12 平衡 影像已移除 Fig. B-1 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/178.html#p200063c49960178001. 若有足够时间，最初只含有 222 Rn的封闭系统会渐与子核产物平衡。 多数情况下的平衡因子约为0.5 ][ ][ 氡氣 子核 = 0.5 所有氡气子核在100 pCi/L时 = 1 WL. 或者，氡气在200 pCi/L而平衡因子0.5时 = 1 WL. 氡气 页 22-13 潜在阿伐能量浓度(PAEC) 氡气子核浓度的描述规定倾向用更标准的SI单位表示：焦耳/公尺 3 。 PAEC是说明氡气子核，而非氡气，因为氡气本身是惰性且不会滞留肺中。 C p (J/m 3 ) = (5.79 C 1 + 28.6C 2 + 21.0C 3 ) × 10 -10 这里： C p = PAEC单位J/m 3 潜在阿伐能量 C 1 = 218 Po (RaA)活性浓度Bq/m 3 (13.69 MeV) C 2 = 214 Pb (RaB)活性浓度Bq/m 3 (7.69 MeV) C 3 = 214 Bi (RaC)活性浓度Bq/m 3 (7.69 MeV) 曝露的单位是 J h/m 3 1 WLM = 3.5 x 10 -3 J h/m 3 影像已移除 Fig. B-1 in [BEIR VI]. Fig. 4.7 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995. 氡气 页 22-14 附加气胶 当氡气蜕变成其子核产物( 218 Po)通常会剥除几个电子而导致带正电荷。 218 Po多数会与氧结合或水珠围绕着形成水合物。未附着」的 218 Po可能在任何地方而大小为 0.001 – 0.02 μm。 未附着的 218 Po有下列三个可能之一： ? 维持未附着状态直到蜕变结束 ? 附着在周围气胶上 ? 或平均散于同一表面 影像已移除 估计未附着分率在1至10%；一般在矿区平均值为4%，而住宅为7%。 环境气胶浓度越高，附着系数越大。 氡气 页 22-15 肺脏 acdseeclassic2.43.exe acdseeclassicv2.43keygencore.zip acdseeclassicv2.43rp.zip 生理学 传 导 路 径 来源；美国国家癌症机构监管、流行病学与最终结果(SEER)项目。「Respiratory System: Conducting Passages.」 [2004.03.29引用] http://training.seer.cancer.gov/module_anatomy/unit9_4_resp_passages.html 经同意使用。 来源；美国国家癌症机构监管、流行病学与最终结果(SEER)项目。 「Respiratory Tract.」 [2004.03.29引用] http://training.seer.cancer.gov/ss_module03_lung/unit02_sec02_resp_tract.html 经同意使用。 氡气 页 22-16 气胶粒子的大小影响肺脏沈积样式。 影像已移除 Fig. B-19 in [BEIR VI]. 见http://books.nap.edu/books/0309056454/html/207.html#page_bottom 影像已移除 Fig. B-8 in [BEIR VI]. 见http://books.nap.edu/books/0309056454/html/185.html#page_middle ? 最小的粒子(未附着分率)会滞留在鼻腔与咽喉(以长期考虑是主要的剂量贡献者)。 ? ~ 5 nm：沈积在支气管区 ? 3-10 nm：对肺脏的剂量增加较大 ? > 10 nm：深部肺脏的沈积 ? ~ 100 nm：由于大粒子的有效扩散较低而造成沈降有效值减少。 ? > 500 nm：紧嵌有助于在呼吸道的沈积 ? > 2500 nm：沈积在鼻腔与咽喉 氡气 页 22-17 对肺脏的剂量：剂量学研究方法 有几种方法来计算放射性尘埃沈积在肺脏的计算。 最简单的方法是假设能量均匀的沈积于整个肺脏实质中(在成年男性中以1000公克计)。 对支气管上皮的剂量比因计算时假设能量被整个肺脏所吸收的值还高几倍。 多数肺癌发生在支气管表皮组织。 影响氡气曝露对呼吸道中靶细胞的剂量影响因素。 ? 未附着分率 ? 气胶特性 ? 呼吸样式：潮气容积；用鼻或口呼吸 ? 肺脏的特性；黏膜厚度；支气管形态学 粒子大小分布会影响剂量分布。 对氡气而言，其能量假设被吸收的深度在40-70 μm，为氡气蜕变图中所放射出的多数带能阿 伐粒子的射程。 ? 剂量评估仍然仰赖经验。 ? 在这领域的研究仍蓬勃进行 ? 辐射防护机构仍未使用来作为风险评估。 氡气 页 22-18 因阿伐粒子所引发的生物危害之特别本质 影像已移除 表 2-1 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/52.html#page_top ? 任何个别的细胞被撞击的机率非常低。 ? 诱发肺癌的靶细胞目前仍不清楚。 ? 正好一个阿伐粒子穿过时的效应为何？ 影像已移除 Fig. 2-1 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/51.html#page_bottom. 文献指出在矿工群体中有肺癌增加的风险。 问题是如何将风险向下外插到一般公众所遇见的曝露程度。 典型的一般公众曝露： ~ 0.2 WLM/年 ~ 10-17 WLM/一生 平均一生的曝露在200 Bqm -3 (5.4 pCi/L)，约为平均室内曝露的四倍，结果平均而言，每一个 支气管上皮细胞核有约一个阿伐粒子穿过。(支气管基底细胞核约0.6个，而分泌细胞核约2-4 个)。 氡气 页 22-19 肺癌与风险评估：流行病学研究 肺癌的风险因子(来自BEIR VI 表e 1-1) ? 主动吸烟 ? 被动吸烟 ? 氡气 ? 因职业的致癌物质 含砷物质 石绵 铬酸盐 甲基氨乙醚 镍 ? 多环芳香基碳氢化合物 ? 家族史 ? 纤维化肺部病变 ? 环境空气污染 影像已移除 Figure 3-6 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/113.html#page_bottom 影像已移除 Figure G-1 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/377.html#page_middle ERR：超额相对风险—用以描述来自曝露的风险倍数增加到背景水平之上的超额疾病风险模 式。 影像已移除 表 3-2 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/77.html#page_top. 氡气 页 22-20 EPA行动水平 在美国与欧洲的室内氡气浓度变化从20-60 Bq/m 3 (0.5至1.6 pCi/L) 芬兰、挪威与瑞典平均约100 Bq/m 3 (2.7 pCi/L) 氡气浓度转换成剂量有许多不确定性： 20 Bq/m 3 (0.5 pCi/L)对支气管上皮细胞的剂量为1 mSv/年(100 mrem/年)。 美国环保署设定一建议的行动水平值160 Bq/m 3 (4 pCi/L)。 ? 它约为美国住宅的平均氡气浓度的四倍(12个住宅中有1个超过此水平) ? 在全世界中这是较为令人信服的行动水平 ? 德国与英国为其2倍以上。芬兰、瑞典与挪威则为五倍之高。 下列是根据氡气曝露所评估的剂量： 1 WLM = 14.2 rem(0.71 rads)，成年男性 1 WLM = 12.6 rem，成年女性 1 WLM = 25 rem，10岁小孩 典型的累积曝露： 0.2 WLM/年 对支气管内皮为~3 rem/年 10 – 17 WLM/一生 BEIR VI 之评估：将所有住宅的浓度降低至< 4 pCi/L将减低肺癌发生率3~4%。 氡气 页 22-21 风险评估 如何预测低程度之曝露的风险？ 影像已移除 图1-3 in [BEIR VI]. 见 http://books.nap.edu/books/0309056454/html/26.html#page_bottom 剂量量测研究：专注在计算阿伐粒子沈积在肺脏靶细胞中的能量。这方法仰赖曝露在其它辐 射下的人口之风险评估，例如日本原子弹存活者，对于在肺细胞中的剂量评估。 生物学上的研究：利用来自分子、细胞与动物研究的数据产生可用来致癌模式的参数。矿工 数据可被用来与模式结合以测试可靠度。 以观察经验为主的研究：使用统计方法来分析矿工与住宅之研究的资料。 问题： 1. 利用受加马射线曝露群体需要假设以急性低-LET曝露可外插延伸到高-LET的局部曝 露。 2. 住宅的氡气曝露资料受统计量限制。只有少数研究、少数群体。 3. 剂量量测研究在急性全身受加马射线曝露之生物效应外插到高-LET阿伐的局部曝露有 许多不确定性。 4. 生物研究：辐射诱发致癌的机制数据有限。 BEIR VI 结论：选择以观察经验为根据的研究 氡气 页 22-22 参考文献： National Research Council. Health Effects of Exposure to Radon: BEIR VI. Washington DC: National Academies Press, 1999. Viewable online at http://www.nap.edu/catalog/5499.html