輻射屏蔽簡(jiǎn)介
發(fā)布時(shí)間:2023-12-12
1.什么是核輻射?
輻射是以波動(dòng)形式或運(yùn)動(dòng)粒子形式向周?chē)橘|(zhì)傳播的能量,是一種能量傳播的方式。輻射分為非電離輻射和電離輻射兩大類。通常輻射防護(hù)上關(guān)心的對(duì)象就是電離輻射。
電離輻射包括高能電磁輻射和粒子輻射,高能電磁輻射指X射線和γ射線產(chǎn)生的輻射;粒子輻射是指中子、α粒子、β粒子、質(zhì)子、重離子等產(chǎn)生的輻射。電離輻射中質(zhì)子、重離子為帶電粒子,X射線、γ射線和中子為非帶電粒子。
對(duì)于來(lái)自體外的電離輻射即外照射,輻射防護(hù)主要關(guān)心穿透力強(qiáng)的γ射線、中子;對(duì)于來(lái)自體內(nèi)的電離輻射即內(nèi)照射,輻射防護(hù)主要關(guān)心射程較短的帶電粒子射線,例如氡-222產(chǎn)生的α粒子,碘-131產(chǎn)生的β粒子(能量大部分沉積在人體)。核電站發(fā)生事故時(shí),泄漏的核輻射主要包括γ射線、中子、α粒子、β粒子等。
2.主要輻射粒子有哪些?
α粒子主要來(lái)自于α衰變,許多錒系元素如鈾、钚等的同位素均可以發(fā)生α衰變,釋放出α粒子。α粒子就是氦原子核,由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成,帶2個(gè)單位的正電荷;
β粒子主要來(lái)自于β衰變,一些不穩(wěn)定的同位素衰變釋放出β粒子(電子)。
γ射線一般伴隨著核反應(yīng)產(chǎn)生,如裂變、衰變等均會(huì)產(chǎn)生伽瑪射線。
中子的最大來(lái)源是核反應(yīng)堆中的裂變反應(yīng),還有加速器中子源也能產(chǎn)生中子,許多核反應(yīng),如鈹?shù)模?/span>α,n),鎢的(γ,n)等反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生中子。
3.核輻射對(duì)人體造成的影響如何衡量?
核輻射對(duì)人體造成的影響用有效劑量或劑量當(dāng)量來(lái)衡量,國(guó)際單位是西弗(Sievert),簡(jiǎn)稱Sv。由于一個(gè)西弗的劑量比較大,通常也使用毫西弗(mSv)和微西弗(μSv),毫西弗是千分之一西弗,微西弗是百萬(wàn)分之一西弗。
4.自然界存在輻射嗎?
自然界存在的輻射叫天然輻射。天然輻射的來(lái)源包括宇宙射線和地球上自然存在的放射性元素。天然輻射的水平通常稱為天然的“本底輻射”。就世界平均來(lái)說(shuō),每人每年所受的天然的本底輻射大約是2.4mSv。天然的本底輻射無(wú)法避免,人類在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中,就生活在天然放射性環(huán)境中。
除天然的本底輻射外,人們?nèi)粘;顒?dòng)中還會(huì)受到如核試驗(yàn)、核設(shè)施(包括核電站)、核技術(shù)應(yīng)用、核醫(yī)學(xué)、核燃料循環(huán)、建筑等活動(dòng)而產(chǎn)生的人工輻射。輻射防護(hù)則主要是屏蔽該類輻射。
5.輻射防護(hù)的基本物理量有哪些?
人體受到電離輻射照射, 所受照射大小用劑量描述,根據(jù)射線種類和所需評(píng)價(jià)受照對(duì)象的不同詳細(xì)分為:
吸收劑量:單位質(zhì)量上因輻射照射所沉積的能量,單位為Gy。它是一個(gè)基本的物理學(xué)劑量量,是實(shí)際可測(cè)量的量。
當(dāng)量劑量:由于不同質(zhì)的輻射照射所產(chǎn)生的生物效能的差異,引入輻射權(quán)重因子,吸收劑量與對(duì)應(yīng)輻射權(quán)重因子之積就是當(dāng)量劑量,單位為Sv。
有效劑量:為了建立輻射劑量與輻射危害之間的關(guān)系,除了考慮不同種類的輻射照射所產(chǎn)生的生物效應(yīng)的差異外,對(duì)同一種輻射還需要考慮器官和組織對(duì)輻射照射的敏感性不同。為此,引入組織權(quán)重因子,用它和組織當(dāng)量劑量加權(quán)求和來(lái)獲得人體所受的有效劑量,單位為Sv。
6.輻射劑量的限值是多少?
根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18871-2002的規(guī)定,對(duì)于從事核相關(guān)工作的人員(放射工作人員),連續(xù)5年的年平均有效劑量不得超過(guò)20mSv,任何一年中的有效劑量不得超過(guò)50mSv。對(duì)于普通公眾中的關(guān)鍵人群組的成員所受到的平均年有效劑量不得超過(guò)1mSv。
7.通常說(shuō)的2.5uSv/h標(biāo)準(zhǔn)是否安全?
GB 18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的職業(yè)人員連續(xù)5年的年平均有效劑量限值20mSv,也是一般醫(yī)療機(jī)構(gòu)制定的放射工作人員管理目標(biāo)值。也就是說(shuō),如果這個(gè)人在上班時(shí)間時(shí)時(shí)刻刻接觸2.5μSv/h的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率,一年的累積接觸有效劑量為5mSv,是限值的四分之一。因此,這個(gè)2.5μSv/h標(biāo)準(zhǔn)是非常安全的。
GB 18871-2002規(guī)定公眾人員的連續(xù)年平均劑量不超過(guò)1mSv。實(shí)際上,公眾人員接觸輻射源的時(shí)間非常短,很難達(dá)到這標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于普通公眾人員來(lái)說(shuō),CT機(jī)器的輻射量較大,即使每年12次CT,劑量率也遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
8.如何減少可能受到的核輻射?
減少受到核輻射有三個(gè)要點(diǎn):距離、時(shí)間和屏蔽。遠(yuǎn)離輻射源,人員所受的輻射劑量與他和輻射源的距離的平方成反比;減少暴露時(shí)間,輻射劑量是有累加效果的,暴露在輻射中的時(shí)間越長(zhǎng),所受的劑量越大;對(duì)輻射進(jìn)行屏蔽,有效的屏蔽能夠極大的減少人員所受的輻射。
9.如何對(duì)核輻射進(jìn)行屏蔽?
不同的輻射采用不同的方法。對(duì)于α粒子,由于其穿透力很弱,只需要一張紙就可以起到很好的屏蔽效果。對(duì)于β粒子,其穿透力也不強(qiáng),只需要一張鋁箔就可以屏蔽。而伽瑪和中子,則需要特殊的方法進(jìn)行屏蔽。
10.中子如何屏蔽?
屏蔽指的是:利用輻射與材料原子的互相作用來(lái)降低某一區(qū)域的輻射水平,以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、減少人體受輻照量的一種輻射防護(hù)技術(shù)。屏蔽的基礎(chǔ)是中子與物質(zhì)的相互作用,且與中子能量相關(guān)。
主要原理是:快中子進(jìn)入物質(zhì)后,通過(guò)彈性散射和非彈性散射將其能量傳遞給物質(zhì)的原子核,慢化成熱中子或超熱中子,通過(guò)輻射俘獲、核裂變等過(guò)程被物質(zhì)原子核吸收。
散射反應(yīng)分為彈性散射和非彈性散射。1)彈性散射是中子和物質(zhì)的原子核發(fā)生彈性碰撞(質(zhì)心系),把部分或全部能量(取決于中子與原子核碰撞前各自運(yùn)動(dòng)方向的夾角)傳給反沖核,同時(shí)改變自己的能量和運(yùn)動(dòng)方向。反沖核的質(zhì)量越小,一次碰撞的中子平均損失能量越多,例如對(duì)能量為2MeV的快中子與氫核平均碰撞18次就可以慢化成熱中子;而2MeV的快中子與鉛核碰撞則大約需要2000次才能慢化成熱中子。2)非彈性散射通常先形成復(fù)合核,在發(fā)射中子后反沖核除得到動(dòng)能外,其本身還處于激發(fā)態(tài),并通過(guò)放出γ光子而回到基態(tài)。非彈性散射發(fā)生的概率隨中子能量和物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加。一次非彈性散射可以把相當(dāng)多的能量傳給反沖核,所以非彈性散射是快中子(能量大于1MeV)減速的主要過(guò)程。
吸收反應(yīng)類型較多,包括俘獲反應(yīng)、核裂變等。熱中子可以通過(guò)通過(guò)輻射俘獲等過(guò)程被物質(zhì)原子核吸收,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的屏蔽。輻射俘獲反應(yīng)(n,γ)是中子被物質(zhì)吸收的最后一個(gè)過(guò)程。大多數(shù)核素都易與熱中子發(fā)生(n,γ)反應(yīng),少數(shù)核素還易與超熱中子發(fā)生共振吸收反應(yīng)。
據(jù)此,對(duì)于中子的屏蔽應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生中子的能量進(jìn)行方案設(shè)計(jì):
1)快中子:具有很強(qiáng)的穿透能力,應(yīng)選擇與中子發(fā)生核反應(yīng)截面大的材料作為中子輻射的屏蔽材料,應(yīng)具有以下特性:①質(zhì)量密度大,例如鐵、鎢等,可以通過(guò)非彈性散射把快中子慢化下來(lái);②使用富含氫元素的物質(zhì),如水、石蠟、聚乙烯、混凝土等材料,可以有效地把非彈性散射閾值以下的中子慢化為熱中子;③含硼、釓、鉿等熱中子吸收截面大的材料,有效吸收熱中子。
2)熱中子:主要使用使用富含氫元素的物質(zhì)對(duì)中子進(jìn)行慢化,然后通過(guò)含硼、釓、鉿等熱中子吸收截面大的材料對(duì)中子進(jìn)行吸收。
需要注意的是,在中子碰撞和吸收的過(guò)程中,一部分的能量會(huì)以γ輻射的形式釋放,因此在屏蔽中子時(shí),還要同時(shí)做好γ的屏蔽。
11.如何屏蔽γ?
γ射線與物質(zhì)的反應(yīng)相對(duì)中子較為簡(jiǎn)單,主要包括:光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng),在這些過(guò)程中把能量傳遞給物質(zhì)原子的電子而本身被減弱或吸收。
1)光電效應(yīng)是光子把全部能量傳給電子,使電子從原子的束縛中釋放出來(lái),而光子本身消失掉,這對(duì)低能γ光子(能量小于幾百keV的γ光子)的吸收起主要作用。
2)康普頓散射是光子與自由電子發(fā)生非彈性碰撞,把部分能量傳給電子,同時(shí)改變自己的方向和能量,對(duì)降低中能γ光子(能量在幾百keV和幾MeV之間)的能量起主要作用。
3)電子對(duì)形成是γ光子與核的庫(kù)侖場(chǎng)發(fā)生作用,γ光子完全湮沒(méi),其能量轉(zhuǎn)換成一對(duì)正負(fù)電子的質(zhì)量和動(dòng)能以及反沖核的動(dòng)能,對(duì)高能γ光子(能量大于幾MeV)的吸收起主要作用。
γ射線的穿透能力較強(qiáng),能夠進(jìn)入或穿透人體組織。屏蔽伽瑪射線最佳的方法是使用高密度高原子序數(shù)的材料,常用的有鐵、鉛及混凝土材料等。同時(shí),能量越高的伽瑪射線需要越厚的屏蔽。

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