辐射安全与防护基础

1. 辐射安全与防护基础 环境保护部核与辐射安全中心 二〇一二年八月

2. 主要内容 • 电离辐射的基本知识与概念 • 辐射防护中常用的量和单位 • 电离辐射的生物效应 • 辐射防护的原则和方法

3. 一、电离辐射的基本知识与概念 按辐射作用于物质产生的效应，辐射可分为电离辐射与非电离辐射。 电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称。 包括宇宙射线、X射线和从放射性物质中产生的辐射。其种类很多，高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子，不带电粒子有中子以及X射线、γ射线。 非电离辐射包括紫外线，热辐射，无线电波及微波。

4. 电离辐射 e>12ev 辐 射 非电离辐射 e＜12ev

5. 电离辐射是广泛存在于宇宙和人类生存环境中的自然现象。电离辐射是广泛存在于宇宙和人类生存环境中的自然现象。 • 电离辐射存在于我们日常生活之中。 • 电离辐射的特殊性（无色、无味、看不见、摸不着），长久以来人们没有感觉到它的存在。 • 电离辐射一经发现，很快便得到了应用。

6. 什么是放射性？ • 放射性是自然界存在的一种自然现象，来自于原子核。 • 大多数物质的原子核是稳定不变的，少数原子核不稳定。 • 不稳定的原子核会自发的向稳定的状态变化（衰变），同时会发射各种各样的射线，这种现象就是 “放射性”。

7. 现在知道，有许多天然的和人工生产的核素都能自发地发射各种射线。现在知道，有许多天然的和人工生产的核素都能自发地发射各种射线。 • 有的发射α射线，有的发射β射线，有的发射γ射线，有的在发射α射线或β射线的同时也发射γ射线，有的三种射线均发射。 • 铀发射的射线就是由三种不同成分的射线组成，即α、β和γ射线。此外，原子核还有发射正电子、质子、中子、重离子等其它粒子以及自发裂变的情况。

8. 由原子核自发的变化而放射出各种射线的现象，称为原子核的放射性。能自发地放射各种射线的核素，叫放射性核素。实验证明，对放射性核素加温、加压或加电磁场，都不能抑制或显著改变其放射性。除了原子核的放射性，现在已被广泛应用的还有射线装置，它们主要有X射线机、粒子加速器、中子发生器等。由原子核自发的变化而放射出各种射线的现象，称为原子核的放射性。能自发地放射各种射线的核素，叫放射性核素。实验证明，对放射性核素加温、加压或加电磁场，都不能抑制或显著改变其放射性。除了原子核的放射性，现在已被广泛应用的还有射线装置，它们主要有X射线机、粒子加速器、中子发生器等。

9. 衰变 尽管有许多原子核是稳定的，但绝大部分是不稳定的。原子核的稳定性主要是由原子核内的质子数与中子数之间的平衡决定的。 较小的稳定核素，质子数与中子数基本相等；较大的稳定核素，中子要比质子略多一些。

10. 如果原子核中中子太多，就会通过中子转变成质子而使原子核达到稳定结构。这个过程也就是我们已知的β衰变，发射出一个带负电的电子，称为β粒子。如果原子核中中子太多，就会通过中子转变成质子而使原子核达到稳定结构。这个过程也就是我们已知的β衰变，发射出一个带负电的电子，称为β粒子。 • 如果原子核中质子数太多，质子就会转变成中子而达到稳定，这是另外一种β衰变，通过发射正电子而减少正电荷。

11. 这些转变经常使原子核具有过剩的能量―通过γ射线（一种高能光子）而释放出来。这些转变经常使原子核具有过剩的能量―通过γ射线（一种高能光子）而释放出来。 • γ射线是没有质量、不带电和具有能量的离散粒子。原子核的自发转变就是所谓的放射性，过剩的能量以（电离）辐射的形式发射出来。转变的过程称为衰变，发生变化并发射辐射的原子核就称为放射性核素 • 一些重原子核通过释放阿尔法（α）粒子而衰变，α粒子含有两个中子和两个质子，与氦核相同。α粒子的质量比β粒子要大的多，带有两个正电荷。

12. 电离辐射的发现和利用过程 • 1896, 贝克勒尔（Becquerel） 1896年，法国物理学家贝克勒尔（1852-1908）发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生——证明发射这种射线是铀原子自身的作用。 放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。“进入原子内部”和“分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。 Nobel Prize in 1903

13. 电离辐射的发现和利用过程 钋、镭的发现 1898年，物理学家居里夫人（1867-1934）在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为“钋”。 居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，后又测出其原子量为225，其发出的射线比铀强200多万倍。 贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。另外，居里夫人因此获1911年诺贝尔化学奖。

14. 居里夫妇

15. 电离辐射的发现和利用过程 、β、γ射线 物理学家卢瑟福1899年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型： 一种是极易吸收的，他称之为α射线； 另一种有较强的穿透能力，他称之为β射线。 1900年法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。

16. 卢瑟福、索迪——元素衰变 1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。 并提出了“原子能”的概念。 卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖

17. 卢瑟福、索迪——元素衰变 以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链： 索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。 元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。

18. 人工核反应 卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果， 18N＋ α17O＋p。 这是人类历史上第一次实现原子核的人工反应，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。

19. 世界上第一个制造的人工放射性核素 约里奥.居里夫妇 1934 年 27Al + 4He → 30P + n β+衰变 30Si + e+ +  提供许多种放射性核素,为研究和广泛应用开辟了广阔前景 例如：超铀元素的发现 （人工制造） Z = 92 93 94 95 96 …… 114

20. 核能利用的发展过程 1932年，查德威克发现了中子。 1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象。 1942年12月2日，费米（Fermi）在美国芝加哥大学建造的世界上第一座人工核反应堆，实现链式反应。 1945年爆炸了第一颗原子弹。 1952年氢弹试验成功。 1954年建成第一座 核电站。

21. 中国的“两弹一星” • “两弹一星”最初是指原子弹、导弹和人造卫星。“两弹”中的一弹是原子弹，后来演变为原子弹和氢弹的合称；另一弹是指导弹；“一星”则是人造地球卫星。1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功，1967年6月17日我国第一颗氢弹空爆试验成功，1970年4月24日我国第一颗人造卫星发射成功。中国的“两弹一星”，是20世纪下半世纪中华民族创建的辉煌伟业。

22. 基本概念 同位素：原子序数相同，原子的质量数不同，即原子核内的质子数相同，中子数不同，在元素周期表内占据同一位置的元素。 稳定性同位素 放射性同位素 一个元素的所有同位素，其化学性质几乎一样。一种元素往往有几种到几十种同位素。目前已知的118种元素，同位素共达2000多种。 自然界中天然存在的放射性物质较少，实际应用中的放射性同位素，绝大部分是人工制造的放射性同位素。

23. 放射性核素表示方法 • 226Ra • 226Ra 或 Ra－226 核素符号 原子质量 原子序数 88

24. - + γ α β 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 常见射线的种类

25. 进一步的研究证明： （1）α射线是高速运动的氦原子核（又称α粒子）组成的，所以它在磁场中的偏转方向与正离子流相同。它的电离作用大，贯穿本领小。它在空气中的射程只有几个厘米。 （2）β射线是高速运动的电子流，它的电离作用较小，贯穿本领较大,在空气中的射程因其能量的不同而有较大差异，一般为几米至十几米。 （3）γ射线是波长很短的电磁波，所以在磁场中不发生偏转。它具有间接电离作用，贯穿本领很大,在空气中的射程通常为几百米。

26. + + + + + + + + + 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 衰变 从母核中射出 的4He原子核 238U4He + 234Th 放射性母核!! 粒子得到大部分衰变能

27. 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 衰变示例241Am 237Np

28. 中微子 + + + + + + + + + + － 反中微子 三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 衰变 发生原因：母核中子或质子过多 质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷 中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷

29. 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 衰变示例——3H 3He

30. 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 正衰变示例——11C 11B

31. + + + 光子 + + + + + + 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 衰变

32. 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 衰变特点： 1、从原子核中发射出光子 2、常常在  或  衰变后核子从激发态退 激时发生 3、产生的射线能量不连续 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素类别

33. 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 一般只有原子序数>83的重元素才能释放出α射线，如Rn、Th、Ra与U, α射线实际上是氦原子核。 举例： Ra-226→Rn-222+2He4 当原子核内某一个中子转变成质子时，伴随着β射线（电子）的产生。 举例： 83Bi210 →84Po210 +β- γ射线与紫外线、可见光、红外线、无线电波等一样，也是一种电磁辐射，能量较高，穿透本领强，要比β射线大50~100倍，比α射线大10,000倍。

34. 不同射线的穿透能力

35. 常用的α放射源有Am-241、Pu-238、 Pu-239、Po-210等； • 常用的β放射源H-3、Ni-63、Fe-55、C-14、Pm-147、Kr-85、Sr-90和Ru-106等； • 常用的γ放射源Cs-137、 Ir-192、Co-60等。

36. 电离辐射的本质——放射性衰变及衰变规律 半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。 经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n

37. 每一种放射性核素有其固有的半衰期，从几分之一秒到几十亿年。I－131的半衰期为8天；Cs－137为30年；C－14为5730年；Pu－239为24000年，铀－238为4.47亿年。经过多个半衰期后，放射性核素的活度就会衰变为初始活度的1/2，1/4，1/8，以此类推。这也意味着我们可以预测将来任何时候它所剩余的活度。随着放射性核素数量的减少，辐射也相应地减少。每一种放射性核素有其固有的半衰期，从几分之一秒到几十亿年。I－131的半衰期为8天；Cs－137为30年；C－14为5730年；Pu－239为24000年，铀－238为4.47亿年。经过多个半衰期后，放射性核素的活度就会衰变为初始活度的1/2，1/4，1/8，以此类推。这也意味着我们可以预测将来任何时候它所剩余的活度。随着放射性核素数量的减少，辐射也相应地减少。

38. 放射性衰变基本规律 1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 :放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快 N = N0e-t

39. 半衰期与衰变常数的关系 N = N0e-t 由半衰期定义t = T1/2， N=N0/2 代入计算得到 T1/2 = ln 2/  T1/2 = 0.693 /  和 T1/2 两者有一一对应关系 理论研究中多用衰变常数 实际应用中一般用半衰期

40. 目前电离辐射的一些应用 • 医学诊断与治疗； • 核能； • 工业探伤； • 医疗设备的灭菌； • 食品辐照保鲜； • 灭菌； • 科学和医学研究。

41. 放射性同位素及射线装置应用 湿式贮源辐照装置全景图 干式贮源辐照装置全景图

42. γ辐照装置

43. 辐照小麦原冬3号

44. 伽马探伤装置 • 源不离开装置（屏蔽） • 有快门结构 • 源通过气压装置移到曝光位置

45. 管道爬行探伤装置

46. 管道爬行探伤装置 • 特殊应用：陆上管道 、海底管道 • 采用外部辐射源提供走/停的信息 • 外部控制源一般采用137Cs。

47. X射线探伤设备 • 三个主要部件： • X线管 • 控制板 • 高压电缆

48. 源Source 开关控制Shutter Control 屏蔽Shielding 探测器Detector 物质流向 Material Flow 关（开） Shutter (open) 密度测量仪 通过探测器测量穿过被检查物质的射线量。典型采用GBq的137Cs

49. 密度测量仪

50. 探测器 传送带上的物品 源 核子秤 传送带称重仪器