1、輻射防護(hù)與劑量,楊亞新 東華理工大學(xué)核工程與地球物理學(xué)院 2015年10月,目 錄,前 言 第 1 章 基礎(chǔ)知識(shí) 第 2 章 輻射生物效應(yīng) 第 3 章 職業(yè)照射、公眾照射和醫(yī)療照射的控 制 第 4 章 輻射防護(hù)監(jiān)測(cè) 第 5 章 實(shí)踐與干預(yù) 第 6 章 放射性廢物管理及核與輻射設(shè)施退役,前 言,一、輻射防護(hù) 1. 源由 X射線(xiàn)和放射性發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用 輻射對(duì)人體健康影響和危害 對(duì)輻射防護(hù)與安全重視和關(guān)注 設(shè)法減少和避免不必要的照射,2. 概念與定義,輻射包括電離輻射和非電離輻射 輻射防護(hù)和安全機(jī)構(gòu)（部門(mén)）建立 “用”與“防”永遠(yuǎn)是辯證的統(tǒng)一 輻射防護(hù)與濟(jì)量學(xué)是綜合性學(xué)科，與許多學(xué)科存在交叉領(lǐng)域,3.

2、目的任務(wù),基本任務(wù)：既要保護(hù)工作人員、公眾與環(huán)境安全；有要促進(jìn)輻射實(shí)踐造福于人類(lèi) 目的：防止有害的確定性效應(yīng)，并限制隨機(jī)性效應(yīng)的發(fā)生概率，保證輻射安全,二、核與輻射安全,二、核與輻射,1. 歷史發(fā)展 從設(shè)計(jì)上和設(shè)備上保證不發(fā)生核與輻射事故 核與輻射有可能對(duì)人的傷害和環(huán)境影響 1979年三哩島、1986年切爾諾貝利和2011年日本福島核事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，促使核與輻射安全概念的不斷深化和發(fā)展,2. 概念與定義,防護(hù)（安全），實(shí)際上是一種心態(tài)、依賴(lài) 核與輻射安全受到世界范圍的特殊重視 核與輻射安全定義：在核與輻射實(shí)踐全過(guò)程中產(chǎn)生輻射對(duì)人員、公眾和環(huán)境的不利影響降低到可接受的水平，所采取的全部理論、原則

3、和技術(shù)及管理措施的總稱(chēng)。,3. 范圍和內(nèi)容,范圍：核技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用各階段；核與輻射設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行退役各階段 內(nèi)容：確定論和概率論；縱深防御與核安全文化；設(shè)備分級(jí)、鑒定、限值和條件；報(bào)告制度、許可證申請(qǐng)和監(jiān)督。 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)將核安全、輻射安全、放射性廢物安全和放射性廢物運(yùn)輸安全統(tǒng)稱(chēng)為核安全,三、小結(jié),1. 輻射防護(hù)與濟(jì)量和核與輻射安全密不可分，并有許多交叉內(nèi)容； 2. 消除從業(yè)人員和公眾憂(yōu)慮，樹(shù)立對(duì)核安全有個(gè)正確看法和認(rèn)識(shí)，增長(zhǎng)輻射防護(hù)知識(shí)。,第1章 基礎(chǔ)知識(shí),引 言 1895、1896、1897年，相繼發(fā)現(xiàn)x射線(xiàn)、放射性和電子 20世紀(jì)50年代，研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)三支學(xué)科 核能和核技術(shù)應(yīng)用

4、發(fā)展 輻射防護(hù)和核與輻射安全獨(dú)立學(xué)科 重點(diǎn)討論原子核特點(diǎn),1.1 原子與原子核,1.1.1 原子結(jié)構(gòu) 原子的核式模型：原子由原子核與核外電子組成，例如氧原子的行星模型圖1-1所示,原子直徑約10-8cm,原子質(zhì)量約10-24g 原子軌道電子，從近核向外依次為K、L、M、N、O層等，每層容納2n2個(gè)電子 鋅的原子結(jié)構(gòu)的例圖，如圖1-2所示,1.1.2 原子核的基本性質(zhì),1.1.2.1 原子核的組成 原子核是原子中帶正電的核心 原子核由質(zhì)子和中子組成，電子繞核運(yùn)動(dòng) 原子核用 表示，Z為原子序數(shù)=核內(nèi)質(zhì) 子數(shù)，A為原子核質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+ 中子數(shù)，N為核內(nèi)中子數(shù) 原子核的線(xiàn)度只有幾十飛米 (fm=10

5、-15m=10-13cm）,國(guó)際規(guī)定(1960):12C原子質(zhì)量的1/12定義為原子質(zhì)量單位，用u表示 質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量 mp=1.00727646u mn=1.00866492u me=5.4858810-4u,原子核的常用術(shù)語(yǔ),核素 同位素 同位素豐度 同質(zhì)異能素,1.1.2.2 原子核的穩(wěn)定性,核素分為穩(wěn)定核素和不穩(wěn)定的放射性核素 按原子序數(shù)Z排成元素周期表,自然界存在92種元素,包括人工制造達(dá)112種 核素圖，除電荷數(shù)（即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）Z外，還考慮中子數(shù)N，天然存在332個(gè)核素（含280個(gè)是穩(wěn)定的），包括人工制造達(dá)1600個(gè)放射性核素，共約2000個(gè)核素 元素周期表、核素圖1-3和

6、穩(wěn)定核素圖1-4,1.1.2.3 原子核的大小,原子核半徑R與A1/3成正比，R=r0A1/3，r0=1.20fm，A為原子核質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)） 原子核密度單位體積為核子數(shù)為 為常數(shù)，其密度相同 將r0=1.20fm代入得 ，可見(jiàn)原子核的密度很大，表明原子核內(nèi)的核子結(jié)合得很緊密。,1.1.2.4 原子核的結(jié)合能,質(zhì)能聯(lián)系定律： ，或 物質(zhì)能量E，質(zhì)量m分別以J、表示，光速 質(zhì)量虧損：以氘核為例 結(jié)合能：既然質(zhì)量虧損 ，由質(zhì)能關(guān)系式, ，表明核子結(jié)合成原子核，釋放 能量,比結(jié)合能曲線(xiàn)，如圖1-5。比結(jié)合能 ， 即， 比結(jié)合能 的單位是MeV/N，N代表核子；表征原子核結(jié)合能的松緊程度， 大，核結(jié)合

7、緊，穩(wěn)定性高；反之， 小.從圖看出，獲得能量?jī)蓚€(gè)途徑：重核裂變；輕核聚變。,1.2 原子核的放射性,1.2.1 放射性衰變的基本規(guī)律 不穩(wěn)定原子核會(huì)自發(fā)地發(fā)生衰變，放射出粒子、粒子和光子等 衰變是統(tǒng)計(jì)的過(guò)程，隨時(shí)間按一定規(guī)律減少,1.2.1.1 單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律,以 （氡射氣）衰變?yōu)槔?衰變情況如圖1-6（a）和圖1-6（b） 取自然對(duì)數(shù)，線(xiàn)性方程： 即 ， 其中N(0)和N(t)是時(shí)間t=0和t時(shí)刻 的 核數(shù)， 為常數(shù) 可見(jiàn)，氡的衰變服從指數(shù)規(guī)律,1.2.1.2 衰變常數(shù)、半衰期和平均壽命,上式中比例常數(shù)稱(chēng)衰變常數(shù)，是單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原子核衰變的概率，其單位是時(shí)間的倒數(shù) 半衰期是放射性

8、核素衰變掉一半所需要的時(shí)間 平均壽命 來(lái)量度衰變的快慢， 稱(chēng)壽命,1.2.1.3 放射性的活度,一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱(chēng)為它的放射性活度，用A表示 一個(gè)放射源的放射性活度是隨時(shí)間增加而指數(shù)規(guī)律地衰減，即 1950年規(guī)定居里（Ci）表示放射性活度， 1 Ci=3.71010/s 1975年規(guī)定貝克（勒爾）Bq表示放射性活度，1 Bq=1/s,1.2.2 放射系,地球年齡10億年（109a） 目前放射性核素只能維系在三個(gè)處于長(zhǎng)期平衡狀態(tài)的放射系中，如下： 1.2.2.1 釷系（4n系） 半衰期為1.411010a 從 ，連續(xù)10次衰變,半衰期為4.47109a ，連續(xù)14次衰變,

9、1.2.2.2 鈾系(4n+2系),1.2.2.3 錒鈾系（4n+3系）,半衰期為7.04108a ，連續(xù)11次衰變,1.2.2.4 镎系（4n+1系）,半衰期為2.14106a 由人工方法發(fā)現(xiàn),1.3 射線(xiàn)及其與物質(zhì)相互作用,1.3.1 核輻射類(lèi)型及其特征 輻射 熱輻射 原子輻射 原子核輻射 核輻射粒子主要有、和中子輻射 核輻射靜態(tài)性質(zhì)列于表1-1,1.3.1.1 射線(xiàn),粒子以符號(hào) （氦）表示 天然來(lái)源于較重原子核子核自發(fā)衰變 1.3.1.2 射線(xiàn) 原子核發(fā)射有 和 + 射線(xiàn)，以 e-、e+表示 衰變分衰變、 +衰變和軌道電子俘獲,1.3.1.3 和 射線(xiàn),和 射線(xiàn)都是能量范圍的電磁輻射，又

10、稱(chēng)光子（光速c為 ） 光子靜止質(zhì)量為0，不帶任何電荷 單個(gè)光子能量與輻射頻率 成正比，即， h為普朗克常數(shù)（ ）,1.3.2 射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用,核輻射又稱(chēng)電離輻射 電離輻射同物質(zhì)作用過(guò)程和效應(yīng)是核科技應(yīng)用與發(fā)展的基礎(chǔ)，又是采取有效措施防護(hù)輻射危害的基本依據(jù),1.3.2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用,電離與激發(fā)。 電離過(guò)程: 例如 ： 衰變 : 衰變 : 韌致輻射。高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子受到加速或減速時(shí)發(fā)射連續(xù)能量的電磁輻射 射程 路程 韌致輻射產(chǎn)生示意圖,韌致輻射產(chǎn)生示意圖,1.3.2.2 射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用,射線(xiàn)與物質(zhì)作用效應(yīng)的總截面:,光電效應(yīng) 光電效應(yīng)過(guò)程示意圖17,康普頓效應(yīng) 康普頓效應(yīng)過(guò)

11、程示意圖18,電子對(duì)效應(yīng) 電子對(duì)生成效應(yīng)示意圖19,射線(xiàn)的吸收,1.3.2.3 中子與物質(zhì)相互作用,中子同原子核作用發(fā)生彈性散射、非彈性散射或引起核反應(yīng) 中子的散射。包括彈性、非彈性散射如圖 1-10，圖1-11,中子的俘獲。例如: 俘獲一個(gè)中子分裂為兩個(gè)或三個(gè)較輕的原子核，同時(shí)發(fā)出2-3個(gè)中子及很大的能量(約200MeV)，這就是裂變反應(yīng),1.4 密封源和非密封源,所謂核技術(shù)應(yīng)用是指放射源在各個(gè)領(lǐng)域中使用 1.4.1密封源 密封源是密封的 密封源種類(lèi)多、分類(lèi)方法多樣 1.4.1.1 放射源 常用的 源有210Po、238Pu、239Pu、241Am、235U、238U等，其活度較低（1043

12、.7109Bq），能量低于7MeV，射程6cm，沒(méi)有外照危險(xiǎn)，但毒性大，應(yīng)防護(hù)內(nèi)照射,1.4.1.2 放射源,常用的源有3H、14C、58Co、60Co、63Ni、85Kr、90Sr-90Y、147Pm、204Tl等，其穿透能力較 強(qiáng)100倍，能量70KeV，應(yīng)防護(hù)外照射 穿過(guò)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生韌致輻射和光子，不能忽視韌致輻射和光子的防護(hù),1.4.1.3 低能光子源,常用的核素有55Fe、 57Co 、125I 、238Pu 、241Am 、244Cm等 注意高能 射線(xiàn)、韌致輻射的影響和自發(fā)裂變和 反應(yīng)產(chǎn)生的中子。,1.4.1.4 放射源,放射源使用最多最廣的放射源，要防外照 射 各種 放射源的主要用

13、途如下表1-2,1.4.1.5 中子源,常用的有鐳鈹中子源、镅鈹、釙鈹、钚鈹中子源等 常用 中子源的輻射特征如下表1-3所示,1.4.2 非密封源,非密封源也稱(chēng)開(kāi)放源或開(kāi)放型放射源 使用這種源應(yīng)注意防護(hù)內(nèi)外照射和“三廢” 1.4.2.1 工作場(chǎng)所分級(jí) 非密封源工作場(chǎng)所的分級(jí)如表1-4所示,操作方式與放射源狀態(tài)修正因子如表1-5,1.4.2.2 放射性核素毒性分組,（GB18871）附錄D 常用核素毒性分組如下表1-6,1.5 電離輻射警示標(biāo)志,新增電離輻射防護(hù)警示標(biāo)志 2007年2月15日一個(gè)新的電離輻射警示標(biāo)志出臺(tái)，作為傳統(tǒng)的三角三葉形國(guó)際輻射標(biāo)志的補(bǔ)充。該標(biāo)志由輻射波、骷髏頭加交叉的股骨圖

14、形以及一個(gè)奔跑的人形組成。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)啟用上述新標(biāo)志是幫助減少大型輻射源事故性照射造成的不必要死亡和嚴(yán)重傷害。 新標(biāo)志旨在警示任何地方的任何人注意靠近大型電離輻射源的潛在危險(xiǎn)，這是在全世界11個(gè)國(guó)家實(shí)施的一個(gè)為期五年的項(xiàng)目所取得的成果。目的是確保其“危險(xiǎn)-遠(yuǎn)離”的信息非常清晰，并為所有人所理解。,電離輻射標(biāo)志,1.5 電離輻射警示標(biāo)志,電離輻射警告標(biāo)志 電離輻射的警告標(biāo)志如圖2。警告標(biāo)志的含義是使人們注意可能發(fā)生的危險(xiǎn)。其背景為黃色，正三角形邊框及電離輻射標(biāo)志圖形均為黑色，“當(dāng)心電離輻射”用黑色粗等線(xiàn)體字。正三角形外邊a1=0.034L，內(nèi)邊a2=0.7

15、00a1，L為觀察距離。 詳解：電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)（GB18871-2002） 說(shuō)明：電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)（GB18871-2002）由2003-04-01實(shí)施，同時(shí)代替GB4792-1984和GB8703-1988。,1.5 電離輻射警示標(biāo)志,1.6 常用輻射量及其單位,1.6.1 活度A 一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱(chēng)它的放射性活度 放射性活度的SI單位叫Bq（貝克勒爾），是時(shí)間秒的倒數(shù)（S-1）,1.6.2 吸收劑量D,吸收劑量D是單位質(zhì)量受照物質(zhì)中所吸收的平均輻射能量，定義為： 式中 是電離輻射授予質(zhì)量為 物質(zhì)的平均能量 吸收劑量D的單位是J/Kg

16、，專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)是戈瑞（Gray），符號(hào)Gy 。 1Gy=1J/kg,1.6.3 當(dāng)量劑量,當(dāng)量劑量 定義為： 式中， 是輻射R在器官或組織T內(nèi)產(chǎn)生的平均吸收劑量； 是輻射R的輻射權(quán)重因數(shù) 當(dāng)量劑量與吸收劑量的單位都是J/kg，給予當(dāng)量劑量單位一個(gè)專(zhuān)門(mén)名稱(chēng) ，為希沃特（Sievert），符號(hào)Sv 輻射權(quán)重因子 ，如表1-7所示,1.6.4 有效劑量E,有效劑量E定義為： 式中， 是器官或組織T的當(dāng)量劑量； 是器官或組織T的組織權(quán)重因子 由于 無(wú)量綱，因此，有效劑量與當(dāng)量劑量的單位、名稱(chēng)、符號(hào)都相同 組織權(quán)重因子 ，如表1-8所示,1.6.5 待積當(dāng)量劑量,待積當(dāng)量劑量 定義為： 式中t0是攝入放射性物質(zhì)的起始時(shí)刻； 是在t時(shí)刻器官或組織T受到的當(dāng)量劑量率； 是攝入放射性物質(zhì)之后經(jīng)過(guò)的時(shí)間 未對(duì) 加以規(guī)定時(shí)，對(duì)成年人 取50a；對(duì)兒童的攝入要算至70a,1.6.6 待積有效劑