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辐射防护与放射损伤基础知识山东大学齐鲁医院程孝国主要内容•第一节辐射防护基础知识•第二节放射损伤基础知识第一节辐射防护基础知识•一、核辐射物理学基础•二、辐射源及其分类•三、核和放射事件分级•四、辐射防护体系一、核辐射物理学基础1、放射性•⑴、原子结构•原子核：占原子体积的1/10000•质子，中子，•1.007277u，1.008665u•电子：围绕原子核旋转，0.000548u•1u=12/NA×1/12=1.6605655×l0-27kg•NA=6.022045×l023是阿伏伽德罗常数•原子序数：质子数，在元素周期表中的位置•同位素：原子序数相同而质量数不同的核素壳层能级次序各能级的电子数满壳层电子总数KLMNOPQ1s2s,2p3s,3p4s,3d,4p5s,4d,5p6s,4f,5d,6p7s,5f,6d,22,62,62,10,62,10,62,14,10,62,14,10,…21018365486电子的壳层结构•钨原子的能级示意图能量单位:eV•⑵放射性：不稳定的核素自发地放出射线，转变为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。•发出的射线种类：可能有α射线、β射线、γ射线，还可能有正电子，质子，中子等其他粒子。•原子序数从84起的所有元素都是不稳定的，具有天然放射性；而原子序数小于84的元素只有少量的某些同位素是不稳定的，具有天然放射性；人工产生的同位素都是不稳定的，具有人工放射性。•⑶放射性衰变：不稳定的重核元素趋向稳定的过程。•例如：•放射性衰变服从指数规律。•放射性活度：放射性核素在单位时间内衰变的个数。•半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目•一半所需的时间T1/2=ln2/λ=0.693/λ•衰变类型：α衰变•β衰变•γ跃迁和内转换ThU2349023892•天然放射性系：•釷系、铀－镭系和锕系•感生放射性：•核粒子轰击较轻的元素可以产生放射性元素•例如：NiConCo602860275927,2、电离辐射•电离辐射：是指一切能引起物质电离的辐射总称。•辐射按与物质作用分类：•电离辐射•非电离辐射•辐射按本质和性质分类：•电磁辐射•粒子辐射•电磁辐射：以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波•能引起电离的是X射线和γ射线•粒子辐射：高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质•高速粒子、带电粒子电磁辐射电离辐射粒子辐射X,γ射线α、β、中子质子、负π电磁辐射--波谱3、常用辐射量和单位•⑴照射量：是描述X（γ）射线电离空气能力的量•单位是C/kg，未定义专用名，曾用单位是伦琴（R），1R=2.58×10-4C/kg•⑵吸收剂量：是描述射线与物质作用的基本量。•它定义为单位质量受照射物质吸收的辐射能量。•曾用单位是拉德（rad），现在国际单位是焦耳/千克（J/kg），又称戈瑞（Gray，符号是Gy），•1Gy=1J/kg，1Gy=100rad•当量剂量是描述辐射防护剂量学的基本量，是在严格意义上的吸收剂量。机体组织中某一点的当量剂量（H）等于某一组织或器官所接受的平均的吸收剂量（D），经过以辐射质的辐射权重因子（辐射品质Q）加权处理的吸收剂量：•H＝D•Q•N，N为其他修正因数（ICRP指定N为1）•单位为J/kg，专用名为希沃特（Sievert），符号为Sv，旧单位：雷姆，rem•1Sv=1J/kg=100rem辐射类型Q值X、、射线1热中子2.3快中子和质子10粒子20•有效剂量E就是组织或器官的当量剂量HT与组织权重因子WT的乘积，并对所有器官或组织求和，即•E=ΣWT·HT•式中，HT、WT分别是器官或组织T的当量剂量和组织权重因子。组织权重因子是组织或器官T的随机效应危险系数与全身均匀照射总危险系数的比值。4、电离辐射与物质的相互作用•带电粒子与物质原子发生以下几种作用：•（1）与核外电子发生非弹性碰撞；•（2）与原子核发生非弹性碰撞；•（3）与原子核发生弹性碰撞；•（4）与原子核发生核反应。•X（γ）射线与物质主要发生三种作用机制：•（1）光电吸收，主要发生在射线能量较低的情况，在10～30keV的能量范围占优势。•（2）康普顿散射，康普顿效应的发生率与原子序数没有太大关系，而主要取决于电子密度，在30keV～25MeV的能量范围占优势。•（3）电子对效应，光子能量超过1.02MeV才能发生这种吸收其它还有相干散射、光核反应•中子与原子核的相互作用分为两大类：•①散射：•②吸收：包括辐射俘获、核裂变、（n，α）•和（n，p）反应等。•对于某些重核（如235U和239Pu），其热中子引起•的核反应主要有两种类型:•1.“辐射俘获”，即（n,γ）反应，•例如235U（n,γ）236U;•2.裂变反应，即235U俘获热中子后发生裂变中•子在物质中有较强的贯穿能力。二、辐射源及其分类1、放射源的种类•放射治疗使用的放射源主要有三类：•（1）放射性同位素放出的α、β、γ线。•（2）X射线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X射线。•（3）各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束，以及其他重离子束等。•照射方式有两种：•（1）外照射；（2）内照射2、近距离治疗用放射性同位素放射源来源释放射线平均能量半衰期使用情况铱-192人工放射性同位素γ射线350KeV74天组织间插植和腔内照射铯-137人工放射性同位素γ射线0.662MeV33年组织间插植和腔内照射钴-60人工放射性同位素γ射线1.25MeV5.25年外照射镭-226天然放射性同位素α、β、γ射线0.83MeV1590年已经禁用3、钴-60治疗机•组成：•（1）、一个密封的钴-60放射源；•（2）、一个源容器及防护机头；•（3）、具有开关的遮线器装置；•（4）、具有定向限束的准直器；•（5）、支持机头的治疗机架；•（6）、治疗床；•（7）、计时器及运动控制系统；•（8）、辐射安全及联锁系统。4、医用直线加速器•医用电子加速器主要有电子感应加速器、电子直线加速器、电子回旋加速器。•1937年第一台1MV范德格喇夫加速器安装在美国波士顿Huntington纪念医院。•1943年D.W.Kerst提出用电子感应加速器作放射治疗。1949年安装了第一台20MV电子感应加速器。•1944年V.I.Veksler提出使用电子回旋加速方法,直到60年代才得到首次使用了22MeV的MM22型加速器。1946年D.W.Fry介绍了行波直线加速器，•1952年安装使用了第一台8MV固定型射频微波直线加速器。•我国首台医用10MV直线加速器于1978年诞生。•直线加速器保留了电子感应加速器的优点，克服了它的缺点，是目前放疗中的主流设备。三、核和放射事件分级1、辐射事故类型•辐射事故是指放射源丢失、被盗、失控，或者放射性同位素和射线装置失控导致人员受到意外的异常照射。•辐射事故的类型，按发生原因可分为：•责任事故、技术事故和其它事故。•按其性质可分为超剂量照射事故、表面污染事故、丢失放射性物质事故、超临界事故和放射性泄露事故。•按发生的途径主要是核设施事故、核技术应用中发生事故、放射性物质运输中的事故。•（一）Ⅰ类放射源为极高危险源。没有防护情况下，接触这类源几分钟到1小时就可致人死亡;•（二）Ⅱ类放射源为高危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时至几天可致人死亡;•（三）Ⅲ类放射源为危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤，接触几天至几周也可致人死亡;•（四）Ⅳ类放射源为低危险源。基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤;•（五）Ⅴ类放射源为极低危险源。不会对人造成永久性损伤。•Co-60800Ci8Ci800mCi8mCi2.7μCi2、辐射事故的危害及产生危害途径•危害途径主要有：•（1）来自辐射源或设施的直接外照射•（2）事故释放的气载放射性物质的直接外照射•（3）沉降于地面或物体表面上的放射性物质产生外照射•（4）皮肤和衣物的污染产生的照射•（5）吸入气载放射性物质产生的内照射•（6）饮用受污染的水引起的内照射•（7）食入污染的食品引起的内照射3、辐射事故分级•《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》根据辐射事故的性质、严重程度、可控性和影响范围等因素从重到轻将辐射事故分为：•★特别重大辐射事故•★重大辐射事故•★较大辐射事故•★一般辐射事故•★特别重大辐射事故：指I类、II类放射源丢失、被盗、失控造成大范围严重辐射污染后果，或者放射性同位素和射线装置失控导致3人以上（含3人）急性死亡；•★重大辐射事故：指I类、II类放射源丢失、被盗、失控或者放射性同位素和射线装置失控导致2人以下（含2人）急性死亡或10人以上（含10人）急性重度放射病、局部器官残疾；•★较大辐射事故：指III类放射源丢失、被盗、失控或者放射性同位素和射线装置失控导致9人以下（含9人）急性重度放射病、局部器官残疾；•★一般辐射事故：指IV类、V类放射源丢失、被盗、失控或者放射性同位素和射线装置失控导致人员受到超过年剂量限值的照射。四、辐射防护体系1、辐射防护的基本原则•辐射防护需遵循下述几项原则：•辐射实践正当化•辐射防护最优化•个人剂量限值•外照射防护的基本方法：•时间、距离、屏蔽2、辐射防护体系的应用•（1）职业照射防护体系•我国基本标准GB18871-2002规定，应对任何工作人员的职业照射水平进行控制，不能超过下述限值：由审管部门决定的连续5年内的年平均有效剂量20mSv；任何一年内的有效剂量50mSv；眼晶体的年当量剂量150mSv；四肢或皮肤的年当量剂量500mSv。•（2）医疗照射防护体系•我国基本标准GB18871-2002中，对实践正当性的表述是“对于一项实践，只有在考虑了社会、经济和其它有关因素之后，其对受照个人和社会所带来的利益足以弥补其可能引起的放射危害时，该实践才是正当的。”诊断方法剂量水平X光机胸透荧光屏检查25--100mGy/分X光机拍片头3--5mSv0.4—1.5mSv腰椎10--40mSv胸椎7--20mSvX射线断层照相(CT)腹25mSv,腰椎35mSv,头50mSv•（3）公众照射防护体系•年龄为16-18岁的人员，为了学习目的或培训的目的有可能使用放射源而受到放射照射，不能超过下述限值：年有效剂量6mSv；眼晶体的年当量剂量50mSv；四肢或皮肤的年当量剂量150mSv。•公众照射剂量限值，不能超过下述限值：年有效剂量1mSv；特殊情况下，如果5个连续年的年平均剂量不超过1mSv，则某一单一年份的有效剂量可提高到5mSv；眼晶体的年当量剂量15mSv；四肢或皮肤的年当量剂量50mSv。•慰问者及探视人员的剂量限值：患者的慰问者在患者诊断或治疗期间所受的剂量不超过5mSv。第二节放射损伤基础知识•一、电离辐射损伤的化学基础•二、电离辐射损伤的分子生物学基础•三、放射损伤的影响因素•四、生物剂量学指标•五、辐射生物效应一、电离辐射损伤的化学基础1、自由基•自由基是指能独立存在的、含有一个或一个以上不配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。•自由基的特性：•高反应性：•带有未配对电子，具有强烈的获取或失去电子以成为配对•电子的趋势，因此化学性质活泼•不稳定性：•寿命短不稳定•顺磁性：•当电子成对存在于同一轨道时，由于两个电子的自旋方向•相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。2、直接作用与间接作用•直接作用（directeffect）概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。•特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物大分子上。•间接作用（indirecteffect）概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物（H·，OH·，水合电子等），再作用于生物大分子引起后者的物理和化学变化。•特点：能量沉积和生物效