辐射安全与防护物理基础

辐射安全与防护辐射安全与防护物理基础物理基础四川大学核学院杨朝文2011年7月辐射安全与防护物理基础主要内容一、放射性、放射性二、射线与物质的相互作用三、辐射剂量常用单位四、辐射的生物学效应五、辐射来源六核能与核电站事故六、核能与核电站事故辐射安全与防护物理基础一、放射性辐射安全与防护物理基础放射性•原子核自发地放射出某种粒子或射线的现象，称为放射性。的现象，称为放射性。•放射性不受物理、化学等环境条件的影响，是原子核的内在特征。1896年贝可勒尔（H.Bequerel）1896年贝可勒尔（H.Bequerel）发现铀矿能发射出穿透力很强的不可见射线，并使照相底片感光。辐射安全与防护物理基础射线在电磁场中的偏转射线在电磁场中的偏转辐射安全与防护物理基础放射性种类α：在电/磁场中偏转，与带正电荷离子流相同β：在电/磁场中偏转，与带负电荷粒子流相同γ：在电/磁场中不偏转，电中性。α：2He2原子核；β：电子；β：电子；γ：光子；n:中子，在电磁场中不偏转辐射安全与防护物理基础放射性来源于原子核的衰变：α衰变衰变α衰变β－衰变变类型β衰变β＋衰变轨道电子俘获EC型衰变轨道电子俘获ECγ跃迁γ衰变γ跃迁内转换IC辐射安全与防护物理基础α衰变原子核自发地放出α粒子而发生的转变4222226HeRnRa42222226+→例：辐射安全与防护物理基础α粒子特征能量：一般来说，α粒子能量4-8MeV，能量单一。能量：一般来说，α粒子能量4-8MeV，能量单一。穿透能力：在空气中的射程约几厘米。在固体材料中的射程10-20微米。一张薄纸就能挡住。一张薄纸就能挡住。重核才具有α衰变：（A150）辐射安全与防护物理基础常见的α衰变源源能量空气210Po：5.3MeV3.84cm238：238Pu：5.445,5.499MeV4.1cm241Am：5.443,5.486MeV4.1cmAm：5.443,5.486MeV4.1cm辐射安全与防护物理基础β衰变原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变β衰变个轨道电子而发生的转变β衰变AAβ-衰变放射出电子：ν++→+_A1ZAZeYXβ+衰变放射出正电子：ν++→+eYXA1-ZAZ俘获轨道电子：ν+→+−YeXA-1ZAZ辐射安全与防护物理基础β衰变特点电子：放出的射线是电子能量连续：从很低能量到接近衰变能穿透力不强：纸张，铝箔穿透力不强：纸张，铝箔伴随粒子：中微子，穿透力极强！韧致辐射：屏蔽材料选择+e：对于正电子，存在电子对效应+e：对于正电子，存在电子对效应质量数守恒：衰变过程中，质量数A保持不变辐射安全与防护物理基础常用的β放射源低能源：55Fe(5.6keV),3H(18.5keV),63Ni(65.8keV)低能源：Fe(5.6keV),H(18.5keV),Ni(65.8keV)中能源：14C(156keV),147Pm(224keV),204Tl(763keV)高能源：32P(1710keV),89Sr(1460keV),106106106Ru-106Rh(3541keV)辐射安全与防护物理基础γ跃迁原子核从高激发态到低激发态跃迁时，放出光子:原子核从高激发态到低激发态跃迁时，放出光子:EγEiEffiEE−=γE辐射安全与防护物理基础γ跃迁特点γ跃迁中,原子核能量状态转变γ跃迁前后，原子核的质量数和电荷数保持不变γ射线能量从几十keV到几个MeVγ射线能量从几十keV到几个MeVΓ跃迁一般伴随着α、β衰变而产生。辐射安全与防护物理基础中子组成原子核的粒子组成原子核的粒子不带电穿透力强，屏蔽困难生物损伤大生物损伤大辐射安全与防护物理基础137Cs衰变纲图30.17y7/2+13706616611/2−Cs13755661.662.55m11/2−β−511.694.6%9.6661.66keVβ−1173.25.4%12.103/2+)B(137稳定)Ba(13756稳定辐射安全与防护物理基础60Co的衰变60Co5.3a1.17MeV1.33MeV60NiNi辐射安全与防护物理基础放射性活度定义活度：一个放射源，在单位时间内衰变的原子核数目，用于衡量放射性的强弱。目，用于衡量放射性的强弱。放射源的质量不能用于衡量放射性的强弱。比活度：放射源单位质量的活度，用于衡量放射源的纯度。的纯度。强度：单位时间内放射出的某种射线的数目。强度：单位时间内放射出的某种射线的数目。辐射安全与防护物理基础活度单位活度单位放射性活度的国际单位为Bq(贝可勒尔)放射性活度的国际单位为Bq(贝可勒尔)1贝可：1Bq=1次衰变/秒强度单位：1Bq=1个射线/秒常用旧单位：居里Ci常用旧单位：居里Ci1Ci=3.7×1010Bq1mCi=3.7×107Bq1uCi=3.7×104Bq1uCi=3.7×104Bq比活度单位：Bq/kg,Ci/kg，Bq/ml辐射安全与防护物理基础活度衰变规律活度与源数目、衰变常数的关系tteAeNNAλλλλ−−===eAeNNAλλ===00辐射安全与防护物理基础半衰期T1/2定义：放射性原子核衰减到原来数目的一半需要的时间。半衰期与衰变常数的关系：半衰期与衰变常数的关系：λ693021./=T活度随时间的变化：λ21/2/1/002TttAeNNA−−===λλλ002AeNNAλλ辐射安全与防护物理基础二、射线与物质的相互作用1、射线分类2、重带电粒子与物质的作用3、电子与物质的作用4、光子与物质的作用4、光子与物质的作用5、中子与物质的作用6、屏蔽材料的选择辐射安全与防护物理基础射线分类（1）带电粒子：p、α、d、e±（1）带电粒子：p、α、d、e±轻带电粒子：e+、e-重带电粒子：α、p、重离子：Z2（2）光子：γ、Χ（2）光子：γ、Χ（3）中子：n辐射安全与防护物理基础重带电粒子与物质相互作用重带电粒子是相对于电子质量而言的，质量重带电粒子是相对于电子质量而言的，质量要比电子的质量大的多，重带电粒子与物质相互作用，常常是以α粒子为例。作用，常常是以α粒子为例。辐射安全与防护物理基础电离损失当α粒子通过物质时，与靶物质核外电子之间的库仑作用力，使电子受到吸引或排斥。从而，电子库仑作用力，使电子受到吸引或排斥。从而，电子获得一部分能量。获得的这部分能量分成两种情况：电离：激发：辐射安全与防护物理基础原电离：次级电子：产生的自由电子次级电子：产生的自由电子次级电子的能量足够大，它也可以使物质电离，这种电离过程：次电离这种电离过程：次电离总电离=原电离+次电离辐射安全与防护物理基础激发激发：激发：激发状态是不稳定的，以发射光子的形式放出相应的能量，回到基态。相应的能量，回到基态。原子退激辐射安全与防护物理基础电离损失当入射带电粒子与核外电子发生碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，称靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，称为电离损失。电离损失是重带电粒子在穿过物质的过程中电离损失是重带电粒子在穿过物质的过程中能量损失的主要方式。辐射安全与防护物理基础电离能量损失公式()cVmNZezdE220421l2l4βπ⎥⎤⎢⎡++⎟⎟⎞⎜⎜⎛()ZIVmdXdEion42220201lnlnββ⎥⎦⎢⎣+−−+⎟⎟⎠⎜⎜⎝=−BVmNZez20424π=0重带电粒子的电离损失与粒子电荷数成正比，2z重带电粒子的电离损失与粒子电荷数成正比，与靶物质原子序数Z成正比，与入射粒子速度v2z成反比，与粒子质量无关。辐射安全与防护物理基础α粒子与质子的比较例如：速度相等时，α：z=2p:z=1()倍zdxdEion(α222)−()()倍zzdxdEpαion(p)ion(α41222)===−当两者速度相等时，防护粒子比质子要容易得多！pion(p)当两者速度相等时，防护α粒子比质子要容易得多！辐射安全与防护物理基础平均电离能平均电离能：产生一对电子离子所需要的平均能量平均电离能的特点：只与被电离物质种类有关，与粒子能量无关。辐射安全与防护物理基础α粒子的射程路程：入射粒子在吸收体中所经过的轨迹的长度。射程：入射粒子在吸收物质中，沿入射方向从入射点到它的终点之间的直线距离射点到它的终点之间的直线距离()∫∫∫−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−⋅===00000/ERRdxdEdEdEdEdxdxxR一般情况下：路程射程()⎠⎝/dxdEdE般情况下：路程射程辐射安全与防护物理基础α粒子与电子碰撞的过程中，大部分的轨迹几α粒子的径迹α粒子与电子碰撞的过程中，大部分的轨迹几乎是一条直线，运动方向不会发生很大的改变。乎是一条直线，运动方向不会发生很大的改变。粒子的径迹是直线的α粒子的径迹是直线的路程≈射程辐射安全与防护物理基础α粒子在空气中的射程()cm56E0.R0α=4MeVE32α0E0.318R=4MeVEαα07MeVE4α对于210Po30MeV5E.=α在标准状态下的空气中84cm3R.=辐射安全与防护物理基础用质量厚度表示射程：ρ⋅=RRm5MeV的α粒子在人体组织中的射程为43μmρm3cmg1=ρ人体组织密度234mcmmg34cmg11043RR.=××=⋅=ρ人体皮肤厚度：27cmgm所以：α粒子的外照射可以很容易防护辐射安全与防护物理基础粒子能量空气生物组织铝α粒子能量（MeV）空气（cm）生物组织（）铝（）4253116αmμmμ42.531164.53.037205.03.54323粒子在5.54.049266.04.65630在几种6.55.264347.05.97238种物质7.56.681438.07.49148质中的射8.58.1100539.08.911058射程9.59.81206410.010.613069辐射安全与防护物理基础电子与物质相互作用特点：特点：¾与α相同之处：均是带电粒子，在与物质相互作用时，主要是与物质中原子的核外电子发生电离相互作用物质中原子的核外电子发生电离相互作用¾与α不同之处：β粒子质量是α粒子的质量的1/7300,在与物β粒子质量是α粒子的质量的1/7300,在与物质相互作用过程中,会有很大的差别辐射安全与防护物理基础主要作用形式电离能量损失：辐射能量损失：多次散射多次散射：运动轨迹不是直线：运动轨迹不是直线：辐射安全与防护物理基础相对论效应β粒子的质量只有α粒子的1/7300，所以具有相同能β粒子的质量只有α粒子的1/7300，所以具有相同能量的β粒子比α粒子速度大很多，往往接近光速，因此对β粒子与物质相互作用必须考虑相对论效应。为的粒子和粒子C%v5=α同为4MeV的β粒子和α粒子C%.v599=βα辐射安全与防护物理基础电子的电离能量损失电离能量损失是电子在穿过物质时，损失能电离能量损失是电子在穿过物质时，损失能量的主要方式。当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞入射电子将自的质原子的壳层电子发生碰撞，入射电子将自己的一部分能量传递给原子壳层的电子，使原子电离部分能传递给原子壳层的子使原子离或激发。辐射安全与防护物理基础电子的电离损失率:()42πedE()()()()⎤⎡•=−22012πeENZvmedxdE()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−+−++−−−−222220118111122ln12lnβββββ2IvEm辐射安全与防护物理基础电子与α粒子的比较:(-dE/dx)e与粒子的速度v2成反比在相同能量的情况下，电子的速度要比α粒子的在相同能量的情况下，电子的速度要比α粒子的速度大很多，因此电子的电离损失率比α粒子要小得多，正是由于它的电离损失率小，电子穿透物质得多，正是由于它的电离损失率小，电子穿透物质的本领比α粒子大。4MeVα粒子：在水中每微米产生3000个电子离子对。4MeVα粒子：在水中每微米产生3000个电子离子对。1MeVβ粒子：在水中每微米产生5个电子离子对。辐射安全与防护物理基础轫致辐射韧致辐射概念：辐射损失率：()2辐射损失率：()222NZmEzdxdErad∝−m辐射安全与防护物理基础轫致辐