放射性和防护知识.doc
来源:    发布时间: 2023-08-01 10:38   1642 次浏览   大小:  16px  14px  12px


一、放射性

1、原子核

1895年伦琴发现了X射线,1896年贝可勒尔发现了放射性,从此开启了原子核的研究。原子由原子核和核外电子构成。质子数相同,具有相同的化学性质,占据周期表一个位置的一类原子统称为元素;在周期表同一位置上,质子数相同,质量数(即核子数)不同的元素之间互称同位素;对不同质量数的元素常称为核素。核素又分为稳定核素和放射性核素,放射性核素包括天然生成的和人工产生的两大类。

目前发现的元素有118种,稳定核素有274种(包括半衰期>1015a),天然放射性核素大约是82种,人工放射性核素目前知道有三千多种。理论推测放射性核素有8000多种。

2、核衰变

放射性素的原子核不稳定,会自发地衰变成另一种原子核称这种现象为“核衰变”。核衰变是随机发生的,衰变速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响

核衰变有多种类型,可以同时放射出α射线、β射线、γ射线,也可以只放一两种射线,或不放出射线只改变原子核的状态。

3、半衰期

放射性素衰变快慢,通常用“半衰期”表征。半衰期(half-life)即一定数量放射性原子减少到其初始值一半时所需要的时间。如铯-137的半衰期是30.08年,经过30.08年,原子核衰变了一半,还剩下一半。若原来活度是100毫居里,30.08年后,只剩下50毫居里了。半衰期越长,说明衰变得越慢,半衰期越短,衰变得越快。半衰期是放射性同位素的特征常数不同的放射性素有不同的半衰期。

4、测井常用源

石油测井常用的γ射线源是137Cs、226Ra源中子源有鎇(241Am)铍中子源、钚(238Pu)铍中子源。早期常用钋(210Po)铍中子源,但因半衰期太短,已被鎇铍、钚铍中子源代替。

中子源的中子α粒子轰击铍产发生9Be(α,n)12C核反应产生具有α放射性的核素一般伴有γ射线,或X-射线钚(238Pu)和钋(210Po)几乎无γ射线;鎇(241Am)虽有γ,但能量只有59.54keV很低防护容易,半衰期432.6a很长,所以常测井使用

中子源的活度实际上是指α衰变的活度。例如400mCi的鎇铍中子源,α发射1.48×1010α·s-1,而中子产生率约为8.01×105 n·s-1

5、射线与物质的作用

射线与物质的作用因射线的性质,物质的密度原子序数而异α射线β射线通过物质时,主要通过电离和激发损失其能量β射线还有少部分能量损失在韧致辐射上。由于α射线带有4个质量数,两个电荷,在物质中损失能很快,射程基本上是直线,很短,一个1MeV能量的α射线,在空气中的射程不足1厘米。最大能量为1MeVβ射线,在空气中的平均射程就有2

γ射线与物质作用主要是光电效应、康普顿效应和电子对效应,通过这三种效应损失其能量因此一束γ射线通过物质时,沿途不断减弱,穿行很长距离才会被物质完全吸收。

由于中子不带电,几乎不与核外电子发生作用只与物质中的原子核发生作用。中子与原子核的作用可以分为两类:散射和吸收。慢中子与原子核作用的主要形式是吸收。散射又可以分为弹性散射和非弹性散射。中能中子和快中子与物质作用的主要形式是弹性散射。对于能量大于10Mev的快中子,以非弹性散射为主。所以中子的射程,与中子能量,物质的性质关系极大。

二、电离辐射量

1、放射性活度

放射性活度(radioactivity)表示放射性核素单位时间衰变次数。活度不是单位时间衰变产生的粒子数。二者的关系是某能量的衰变粒子数等于它的分支比(或称辐射强度)与活度的乘积。通常活度用A表示。活度的国际标准单位是贝可(Bq),1Bq=1次衰变·秒-1;活度的暂时并用单位是居里(Ci),1Ci=3.7×1010Bq。

2、注量

注量是表示电离辐射场中某区域辐射粒子疏密程度的物理量。设某点da面积上垂直穿

入的粒子数为dn,将da任意方向上的粒子总数dN与da之比称为注量。以φ表示。注量的国际标准单位为 m-2但习惯上注量率常用cm-2·s-1

3、照射量

照射量表示X或γ射线在空气中产生电离能力的物理量。照射量定义:X或γ射线在质

量为dm的空气中释放出来的全部电子(正电子和负电子)完全被空气阻止时,在空气中产生的同一种符号的离子的总电荷的绝对值dQ除以dm即为照射量,用符号X表示照射量的国际标准单位是C·kg-1(库仑·千克-1);暂时并用单位是R(伦琴)1R=2.578×10-4C·kg-1

4、吸收剂量

吸收剂量表示物质吸收各类电离辐射能量的能力。任何电离辐射,授予质量为dm物质的平均能量为dE,则吸收剂量为dE与dm之比,用符号D表示。吸收剂量的国际标准单位为Gy(戈瑞),任何电离辐射在1kg被照射的物质中吸收的平均能量为1J即为1Gy,1Gy=1J·Kg-1暂时并用单位为rad(拉德),1Gy=100 rad。

5、比释动能

比释动能为不带电电离粒子(指X、γ和中子)在质量dm的物质中,释放出来的全部

带电粒子的初始动能总和dEtrdm之比,用符号K表示。比释动能的单位也用Gy和rad。

6、剂量当量

人身体吸收1Gy的γ射线,和吸收1Gy的α射线吸收剂量相同,但生物效应,对人身的

伤害却相差20倍。为了描述这一问题,单纯使用吸收剂量是不够的。于是引入了剂量当量的概念。剂量当量是经过辐射品质因数Q修正后的吸收剂量。剂量当量可以通过实际测量或理论计算获得。剂量当量主要用于辐射防护屏蔽计算和环境放射性水平的检测。剂量当量符号为H。剂量当量国际标准单位为Sv(希沃特),1Sv=1J·Kg-1;暂时并用单位为rem(雷姆),1Sv=100 rem。

三.辐射防护知识  

1、天然放射性剂量当量

人们受到天然放射性照射80%来自土壤、墙壁中的氡气,其余是宇宙线-40等

天然放射性。地球人受到的天然辐射年平均有效剂量当量约为2mSv

2、人工放射性

地球人受到的射线照射主要是核医学的诊断与治疗全世界居民医疗受到的年平均有效剂量当量约为0.4mSv。辐射医学影像学包括:X射线计算机断层显像技术(CT)、正电子发射断层显像技术(PET/CT)、单光子发射断层显像技术(SPECT)、γ射线摄像及X透视等。目前一次CT扫描的剂量当量约在5~15mSv。

3、个人剂量限

辐射剂量问题医学界非常重视。无论是X-CT、SPECT、PET/CT、γ摄像、以及X透视,医生都会把辐射剂量控制在目前认为的安全标准内,只要每年的检查剂量限定在20mSv以内,就是安全的。我国制定了《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)。只要按照国家辐射防护标准的要求去做,就可以保障人身安全。目前规定放射性工作人员一年中的有效剂量限值为50mSv,公众的剂量限值1mSv。

4γ射线屏蔽

   γ射线束在物质中减弱规律呈指数衰减,衰减速度与物质的密度和厚度有关。密度和厚度越大衰减越快。因此常选用铅等重核物质作为屏蔽材料衰减γ射线束强度,降低辐射剂量。

    5、β射线防护

  β射线的能谱是连续谱,最大能量为Eβmaxβ射线防护一方面要防护β射线,另一方面还要防护β射线与物质产生的韧致辐射。韧致辐射发射量正比于屏蔽材料的原子序数和Eβmax一般先用低密度材料降低β射线最大能量,以减少轫致辐射,再用高密度材料吸收β射线。

    6、中子防护

由于中子源的中子能量都是快中子,所以中子防护首先要快速降低中子能量,降到热中子后,再利用核反应将中子吸收。

氢核与中子质量都是1个质量单位,根据弹性散射公式,其散射有最大截面。当快速运

动的中子与处于静止的氢核碰撞时,每次碰撞中子几乎会损失一半的能量。所以含氢材料可

使快中子迅速慢化到热中子。硼的同位素10B的丰度是19.8,当与中子发生10B(n,α)7Li

反应时,其热中子反应截面为3837b,这是非常大的截面。所以氢与硼结合在一起,会迅速使快中子慢化吸收。因此在中子防护中,常常用石蜡或聚乙烯等含氢材料,再掺入5%的碳化硼或硼砂等含硼材料用作中子源的防护屏蔽,同时在外周再加铅板吸收核反应中产生的γ射线,以减少中子源周围的剂量。各类辐射的防护计算方法请参看文献[1]。

              

[1]“核仪器设计与应用”一书。