辐射防护与环保
(二)
基础知识电离辐射电离辐射与非电离辐射从一个原子、分子或其他束缚态中释放出一个或多个电子的过程称作电离。
能够引起电离的带电粒子和不带电粒子称作电离辐射。
当电子和质子等带电粒子的动能大于 4-25eV
时可将其称作电离辐射。
量子能大于 10eV的光子称为电离辐射,量子能小于 10eV的光子称为非电离辐射。波长大于
100mm的紫外光、可见光、红外线和射频辐射都属于非电离辐射。
直接电离辐射和间接电离辐射快带电粒子穿过物质时通过库仑力相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离,这种粒子称作直接电离辐射。
光子和中子等不带电粒子穿过介质时首先将其能量转移给带电粒子,随后这些次级快带电粒子再沉积能量和引起电离,这种不带电粒子称作间接电离辐射。
在核工程和核技术领域内所涉及到的电离辐射通常是指正负电子、质子,α 粒子、重离子、中子,γ 射线,
有时包括 X射线,这些射线的能量是在几 keV到十几 MeV甚至更高的范围内。
电离辐射与物质的相互作用带电的电离辐射在穿透物质时主要通过库仑力发生 4种相互作用:
1.与核外电子的非弹性碰撞,即电离和激发;
2.与核外电子的弹性碰撞;
3.与原子核的非弹性碰撞,发射轫致辐射或者其他类型的辐射;
4.与原子核的弹性碰撞。
根据带电的电离辐射静止质量的差别可分为重带电粒子(如 α粒子、
质子等)和轻带电粒子(电子和正电子)。在核工程技术领域内所涉及的重带电粒子能量绝大部分在 10keV到
10MeV之间,在此能量范围内的重带电粒子穿透物质时,在气体内最多穿透几厘米,在液体和固体内最多穿透几十微米的深度后就全部停滞在该物质内。
重带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞的结果是使原子发生电离或激发。电离就是核外电子通过非弹性碰撞得到足够的能量后克服了原子核的束缚而脱离出来使原子成为一个自由电子和一个正离子。如果非弹性碰撞使核外电子得到的能量不够克服原子核的束缚而脱离出来,仅是电子从能量低的壳层跃到能量较高的壳层,这就是原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的,它将自发地跳回基态,这个过程叫退激。退激时,多余的能量常以光子的形式释放出来。
当带电粒子在原子核附近穿过时,
入射粒子在原子核电场中产生加速运动。按经典物理学的观点,带电粒子将以正比于其加速度平方的几率辐射电磁波,这就是韧致辐射。带电粒子因辐射电磁波引起的能量损失称作辐射能量损失。这是高能电子在物质中损失能量的主要方式。重带电粒子的质量较大,由韧致辐射损失的能量与其它作用过程的相比可以忽略不计。
带电粒子在物质中的射程任何一种带电粒子进入物质以后,通过与物质相互作用而不断地损失能量,带电粒子的速度越来越小。如果物质的厚度是足够的,带电粒子最终将完全停留在物质中,这种现象称为物质对带电粒子的吸收,这种物质称为吸收物质。带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离称为该粒子在物质中的射程。
应注意射程和路程的概念是不一样的。
带电粒子的射程与路程重带电粒子的典型射程曲线
1MeV电子在铝中的射程曲线
α 粒子
α粒子是一个氦核,由两个质子和两个中子组成 。 它是由 α发射体以某一不连续的能量和特有的半衰期而发射出来的 。 它具有下列性质:绝大多数在介质中具有相同的射程 ( 布拉格峰 ) ;沿直线径迹运动; α粒子只是偶尔发生散射并且散射大多发生在靠近 α粒子射程的末端 。
α粒子射程很短,可以认为不存在外照射危害,但其内照射危害却极其严重 。 自然界中氡是造成 α内照射危险的最重要的元素 。
β粒子
β 辐射的概念已经扩大到正电子辐射,β 粒子是正电子和电子。它们的静止质量相同,电荷相等,符号相反。
与 α 粒子不同,β 粒子展示出一个连续能谱。核素表中查到的是 β 能谱的最大值。
电子与介质相互作用主要是电离、激发和辐射
(轫致辐射产生 X射线)。电子在介质中衰减过程基本符合指数规律。
β 粒子可以构成外部伤害,深度和 β 粒子能量有关,高能 β 粒子还要考虑它通过轫致辐射产生的 X射线的危害,而它的内照射危害却比 α 粒子小得多。
轫致辐射带电粒子穿过物质时受到物质原子核的库仑场作用,速度大小和运动方向都发生变化,
这时就伴随产生电磁波,这种电磁辐射称为轫致辐射。
γ 和 X射线
γ 和 X射线是波长较短的电磁辐射,
统称 光子 。 γ 和 X射线起源不同。由核和基本粒子突变产生的电磁辐射光子称作 γ 射线。由带电粒子在原子核库仑场中、慢化和原子电子能级改变而产生的电磁辐射称为 X射线。前者可称为轫致辐射 X射线,后者称为特征 X射线。
不带电的电离辐射(如 γ
光子和中子)在与物质相互作用时可能产生出电子、质子等带电粒子,这些质子和电子等与物质相互作用的规律与带电的电离辐射相同。
光子和物质的相互作用主要是三种过程:光电效应、康普顿散射和电子对的产生。三种过程都产生电子。它们又电离或激发物质中的其它原子。
光电效应光子与原子碰撞,使其中的一个轨道电子射出,而光子的能量则全部被吸收,这称为光电效应。
康普顿效应当入射电子受结合松散的轨道电子散射时,轨道电子获得光子的一部分能量而被释放出来,
称之为反冲电子,而降低了能量的光子称之为散射光子。这一过程称为康普顿效应。
电子对生成光子在带电粒子电场中可能转变成电子-正电子对,这种光子能量“物质化”的过程称为电子对生成。
光电效应、康普顿效应和电子对生成对光子衰减起主要作用。
对低能光子光电效应占优势,在中能区康普顿效应起主导作用,
在高能区电子对生成占优势。
光子三种主要作用类型的相对重要性其他相互作用瑞利散射由于光子的波动性质会产生相干散射,
光子与原子电子发生的相干散射称为瑞利散射,也称电子共振散射。
光核反应原子核吸收一个光子,随后放射出一个或几个核子的过程称作光核反应。
光子通过介质时,它的电磁场与原子、原子电子、原子核以及带电粒子电磁场相互作用。
在作用过程中光子可能被吸收,能量全部转变成其他形式的能量;可能发生非弹性散射,光子的部分能量被吸收,同时发射一个能量较小的传播方向改变了的光子;还可能发生弹性散射,作用的结果只改变光子的传播方向。与带电粒子相比,光子与物质相互作用的截面(光子穿过物质时发生光电效应、康普顿效应和电子对效应这三种作用的几率)小得多,在介质中穿行的路程比较长,但是在一次作用过程中损失的平均能量较大。
中子与物质的作用中子不可能是天然衰变的产物,它主要是由核反应产生的 。 中子依据能量不同而分为慢中子 ( 能量小于 5keV),热中子 ( 能量为 0.025eV),中能中子 ( 能量
5-100keV) 和快中子 ( 0.1-500MeV) 。 不同种类的中子和介质作用的机理很不相同 。
慢中子和原子核的作用主要是吸收,中能中子和快中子与物质作用的主要形式是弹性散射,能量大于 10MeV的快中子以非弹性散射为主。除了弹性散射之外其余各类现象均会产生次级辐射。
电离辐射的名词解释和物理量粒子数、辐射能、通量、注量和注量率粒子数是发射、转移或者接受的粒子数目。
辐射能是发射、转移或者接受的辐射粒子的能量(不包括静止能)。
粒子数和辐射能随时间的变化率称作粒子通量和辐射通量。通量表征辐射场中粒子或能量在时间上的频繁程度。
表征在辐射场穿行的辐射粒子的空间疏密程度的物理量叫注量。单位时间内进入单位截面积球中的粒子数或辐射能称注量率。
照射量照射量是描述 X和 γ 射线辐射场的量。照射量的国际单位( SI)用每千克空气中的电荷量库仑表示,即 C·kg-1。照射量的专用单位是 R(伦琴 )。
1 R=2.58× 10-4C·kg-1
或 1C·kg-1=3.877× 103R
伦琴单位使用历史悠久,它不是受照物质吸收的能量,应称为照射量,而不是一度被误称的剂量和照射剂量。用于描述辐射场时它只适用于空气,
而且只能用于度量 10 KeV-3 MeV能量范围的 X或 γ
射线。
活度在给定时刻处于一给定能态的一定量的某种放射性核素的活度 A定义为:
A=dN/dt
式中:
dN— 在时间间隔 dt内该核素从该能态发生自发核跃迁数目的期望值。活度的 SI
单位是秒的倒数 (s-1),称为贝可[勒尔] (Bq)。
比释动能比释动能 K定义为:
K=dEtr/dm
式中:
dErt— 不带电电离粒子在质量为 dm的某一物质内释放出的全部带电电离粒子的初始动能的总和。比释动能的 SI单位是焦耳每千克 (J?kg-1),称为戈[瑞] (Gy)。
剂量某一对象所接受或“吸收”的辐射的一种度量。根据上下文,它可以指吸收剂量、器官剂量、当量剂量、
有效剂量、待积当量剂量或待积有效剂量等。
吸收剂量是一个基本的剂量学量 D,定义为:
D=dε/dm
式中,dε — 电离辐射授予某一体积元中的物质的平均能量;
dm— 在这个体积元中的物质的质量。
能量可以对任何确定的体积加以平均,
平均能量等于授予该体积的总能量除以该体积的质量而得的商。吸收剂量的 SI单位是焦耳每千克 (J?kg-1),称为戈[瑞] (Gy)。
当量剂量当量剂量 HT,R定义为:
HT,R=DT,R?ω R
式中,DT,R— 辐射 R在器官或组织 T内产生的平均吸收剂量;
ω R— 辐射 R的辐射权重因数。
当辐射场是由具有不同 ω R值的不同类型的辐射所组成时,当量剂量为:
当量剂量的单位是 J?kg-1,称为希[沃特] (Sv)。
RTR RT DH,
辐射权重因数为辐射防护目的,对吸收剂量乘以的因数(如下表所示),用以考虑不同类型辐射的相对危害效应
(包括对健康的危害效应)。
辐射的类型及能量范围 辐射权重因数 ω R
光子,所有能量 1
电子及介子,所有能量 1) 1
中子,能量 <10keV
10keV-100keV
>100keV-2MeV
>2MeV-20MeV
>20MeV
5
10
20
10
5
质子 ( 不包括反冲质子 ),能量
>2MeV
5
α粒子,裂变碎片,重核 20
1) 不包括由原子核向 DNA发射的俄歇电子,此种情况下需进行专门的微剂量测定考虑 。
有效剂量有效剂量 E被定义为人体各组织或器官的当量剂量乘以相应的组织权重因数之后的和:
式中,HT — 组织或器官 T所受的当量剂量;
ω T — 组织或器官 T的组织权重因数。
当量剂量的单位是 J?kg-1,称为希[沃特]
(Sv)。
T
T
T HE
组织权重因数为辐射防护目的,器官或组织的当量剂量所乘以的因数(如下表所示),
乘以该因数是为了考虑不同器官或组织对发生辐射随机性效应的不同敏感性。
组织或器官 组织权重因数 ω T 组织或器官 组织权重因数 ω T
性腺 0.20 肝 0.05
(红)骨髓 0.12 食道 0.05
结肠 a) 0.12 甲状腺 0.05
肺 0.12 皮肤 0.01
胃 0.12 骨表面 0.01
膀胱 0.05 其他组织或器官 b) 0.05
乳腺 0.05
a)结肠的权重因数适用于在大肠上部和下部肠壁中当量剂量的质量平均 。
b)为进行计算用,表中其余组织或器官包括肾上腺,脑,外胸区域,小肠,肾,肌肉,胰,脾,胸腺和子宫 。 在上述其他组织或器官中由单一个组织或器官受到超过
12个规定了权重因数的器官的最高当量剂量的例外情况下,该组织或器官应取权重因数 0.025,而余下的上列其余组织或器官所受的平均当量剂量亦应取权重因数
0.025。
剂量当量国际辐射单位与测量委员会( ICRU)
所使用的一个量,用以定义实用量 — 周围剂量当量、定向剂量当量和个人剂量当量。组织中某点处的剂量当量 H是 D,Q
和 N的乘积,即:
H=DQN
式中,D— 该点处的吸收剂量
Q— 辐射的品质因数
N— 其他修正因数的乘积。
个人剂量当量人体某一指定点下面适当深度 d
处的软组织内的剂量当量 Hp(d)。这一剂量学量既适用于强贯穿辐射,
也适用于弱贯穿辐射,对强贯穿辐射,推荐深度 d=10mm;对弱贯穿辐射,推荐深度 d=0.07mm。