2008(工硕)辐射防护基础(工物底)-2

1,辐射防护基础,2008.12.15,工硕班,清华大学工程物理系,辐射防护与环境保护研究室,2,主要内容,一、X、射线的剂量与屏蔽计算 二、射线的剂量与屏蔽计算 三、中子的剂量与屏蔽计算 四、内照射的防护,3,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（一）、X、辐射源及辐射场 1. X射线机 （1）X射线机的发射率常数X （2）X射线机剂量率的计算 2. 加速器X射线源 （1）加速器X射线的发射率常数a （2）加速器X射线的剂量计算 （1）放射性活度 （2）照射量率常数 （3） 点源的照射量率计算 （4） 点源的吸收剂量率计算 （5） 比释动能率常数,3. 辐射源,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,4,（二）X、射线在物质中的减弱规律,3. 宽束X、射线的透射曲线,单一均匀介质的积累因子,4. 屏蔽X、射线的常用材料,1. 窄束X、射线的减弱规律,（2） 半减弱厚度与十倍减弱厚度,（1） 屏蔽计算中用的几个参量,2. 宽束X、射线的减弱规律,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,5,（三）、X、射线的屏蔽计算 1. 加速器X射线源的屏蔽计算,2. 射线的屏蔽计算,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,6,确定屏蔽厚度所需用的参数和资料,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,7,（1）X射线机的发射率常数 X,当管电流I为1mA时，距离靶r1m处，由初级射线束产生的空气比释动能率X，其单位是：mGy·m2·mA-1·min-1。 发射率常数x与X射线管类型、管电压及其电压波形、靶的材料和形状、以及过滤片的材料和厚度等因素有关。 准确的发射率常数应通过实际测量得出。,外照射剂量计算是辐射防护和屏蔽计算的基础。,（一）、X、辐射源及辐射场,1. X射线机,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,8,（2）X射线机剂量率的计算,根据上述定义，在距离靶r（m）处由管电流为I（mA）的X射线机产生的初级X射线束造成的空气比释动能率可近似按下式计算：,单位：mGy·min-1,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-1）,9,【例题】 ：设X射线管钨靶离患者0.75m，曝光时间0.6s。已知管电压为90V、管电流50mA，出口处过滤片为2mm铝。试估算患者表面所在处的吸收剂量。（忽略人体散射影响）,解：,查图得到该X射线机的发射率常数X为7.8 mGy·m2·mA-1· min-1 ，得0.75m处的空气比释动能率为：,则吸收剂量为：,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,10,2. 加速器X射线源,加速器的X射线，一般是指电子束被靶或其它物质阻止时，所产生的具有连续能谱的韧致辐射。当加速电子或离子使物质原子的轨道电子移出时，可产生特征X射线，但其能量一般低于几十keV，从防护角度看完全可忽略。,由加速器输出的电子束产生的X射线的发射率，同电子能量、束流强度、靶物质原子序数以及靶的厚度等因素有关，并随其出射角度而异。对一定的靶物质Z和靶厚，与单位束流强度相应的X射线发射率随加速电子的能量增高而显著地增大，并且发射率的角分布也随电子能量的增加而变化。,（1）加速器X射线的发射率常数 a,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,11,一般，当电子能量低于1MeV时，最大发射率方向倾向于与电子束入射方向重直；随着电子能量增高，最大发射率方向越来越偏向入射电子束方向。,加速器X射线的发射率常数 a,将X射线源看成点源，单位束流（1mA），在离靶1m处所形成的吸收剂量率，其单位：Gy·m2·mA-1·min-1。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,12,左图给出了电子能量在0.1100MeV时，沿00和900方向出射的X射线的发射率常数a,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,13,不同能量的单能电子束在高Z厚靶上产生的X射线发射率的角分布，如左图所示。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,14,低Z厚靶修正因子,适用于电子能量小于10MeV的入射电图，若电子能量大于10MeV，修正因子应取1。,近似估计低Z靶或结构材料的X射线发射率所用的修正因子,当电子束入射到低Z厚靶材料上时，向垂直方向和向前方向出射的X射线的发射率常数 ，可以利用对于高Z厚靶的a值乘以右表中给出的修正因子给出粗略地估计。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,15,（2）加速器X射线的剂量计算,单位：Gy·min-1,【例】：假定能量为3MeV、流强为2mA、直径为1cm的电子束轰击高Z（钨）厚靶。计算0o方向，与靶距离5m；90o方向，与靶距离4m处的吸收剂量率。若该靶换成铁靶，上述两点处的吸收剂量率又是多少？,根据加速器X射线发射率常数a定义，可以计算出离靶rm处，束流强度为I（mA）时的吸收剂量率：,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-2）,16,（1）放射性活度 用于表征某一物质中放射性核素总数的量度。 式中：dN是在时间间隔dt内，该核素发生核跃迁次数的期望值。,单位：贝可勒尔（Becquerel）；符号Bq。,3. 辐射源,点源 距离比源本身的几何尺寸大5倍以上。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-3）,17,（2）照射量率常数,辐射源在空气中某点的照射量率大小，取决于光子能量、源的活度、源的形状以及与源的距离。如果空气中某点与源的距离一定，且源的活度也相同，那么点源在空气中的照射量率就唯一地取决于辐射源本身的性质。 为此，引进一个照射量率常数 ，用以定量地描述放射性核素在产生照射量率这一方面的特征。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,18,式中， 是距离活度为A（Bq）的放射性核素点源 r（m）处，由能量大于的光子（包括光子和内韧致辐射及特征X辐射的光子）所造成的照射量率。 照射量率常数的单位是Cm2kg-1Bq-1s-1。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-4）,19,（3）点源的照射量率计算,非单能情况,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-5）,（1-6）,（1-7）,20,（4 ）点源的吸收剂量率计算,（5）比释动能率常数,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-8）,（1-9）,在辐射物理式（2-28），在空气介质中：,（1-10）,21,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,22,计算活度A为3.7×1010Bq（1居里）的60Co源，在距源1米处的照射量率为多少？在空气和皮下肌肉组织内的吸收剂量率各为多少？,已知：A、r，空气、皮下肌肉组织 求： 照射量率、吸收剂量率 解： 查上一页的表 60Co源的照射量率常数 为2.503×10-18 C·m2·kg-1·Bq-1·s-1 3.7×1010×2.503×10-1812 9.26×10-8 C/kg·s 空气吸收剂量率用公式（1-9） 33.85 × 9.26×10-8 3.14×10-6 Gy/s 查讲义表1-3 60Co能量为1.25MeV时肌肉的fm值为37.2J/C 用公式（1-8）得 37.29×9.26×10-83.45×10-6 Gy/s,【例题】,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-6）式,23,1. 窄束X或射线的减弱规律,（1）窄束（narrow beam）： 不包含散射成分的射线束,（2）窄束单能射线在物质中的减弱规律,线衰减系数，cm-1。,（二）、X、射线在物质中的减弱规律,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-11）,24,低能光子更易被高Z物质吸收； 存在一个能量点，值最小。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,25,2. 宽束X或射线的减弱规律,综上所述，窄束、宽束主要不是几何概念，而是物理概念。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-12）,26,描述散射光子影响的物理量。表示某一点散射光子数所占份额。 它主要是由于康普顿散射所引起的。,B取决于：源的形状，光子能量，屏蔽材料的原子序数，屏蔽层厚度，屏蔽层几何条件。 给定辐射源和屏蔽介质的话，只与光子能量E 和介质厚度（平均自由程数d）有关，即B（E，d）。,（build-up factor),B积累因子,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-13）,27,单层介质，B值的确定： （1）查表法；,（2）公式法,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-14）,28,3. 宽束X或射线的透射曲线,辐射场中某点处没有设置屏蔽层时的当量剂量率H(0)，与设置厚度为d的屏蔽层后的当量剂量率H(d)的比值。表示屏蔽材料对辐射的屏蔽能力，无量纲。,（1） 屏蔽计算中用的几个参量,减弱倍数K,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-16）,（1-15）,29,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,30,辐射场中某点处设置厚度为d的屏蔽层后的X或射线的当量剂量率H1(d)，与没有设置屏蔽层时的当量剂量率H10，的比值。 表示辐射透过屏蔽材料的能力。 透射比与减弱倍数互为倒数，即1/K，K1/。 以透射比的自然对数为纵坐标，以屏蔽层厚度d为横坐标，对不同屏蔽材料作出与不同能量的射线相应的透射比曲线。,透射比,它们适用于复杂能谱。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-17）,31,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,32,透射系数 设置厚度为d的屏蔽层后，离X射线发射点1m处，单位工作负荷（1mA·min）所造成的当量剂量。 单位：Sv·m2·（mA·min）-1。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,33,（2） 半减弱厚度与十倍减弱厚度,半减弱厚度1/2：half value thickness 将入射光子数（注量率或照射量率等）减弱一半所需 的屏蔽层厚度 十倍减弱厚度1/10 ：tenth value thickness 将入射光子数（注量率或照射量率等）减弱到十分之 一所需的屏蔽层厚度,1/2、 1/10 并不是绝对的常数,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,（1-18）,34,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,35,4. 屏蔽X或射线的常用材料, 铅： 原子序数、密度大， 对低能和高能的X或射线有很高的减弱能力，但在1Mev到几Mev的能区，减弱能力最差。 缺点：成本高，结构强度差，不耐高温。 铁： 屏蔽性能比铅差。但成本低，易获得，易加工。 混凝土： 价格便宜，结构性能良好。多用作固定的防护屏障。 水： 屏蔽性能较差，但有特殊优点：透明度好，可随意将物品放入其中。常以水井、水池形式贮存固体辐射源。 在某些必要场合，目前也有用贫铀或钨作屏蔽材料。它们的屏蔽性能优良，但价格较贵，加工较难。贫铀还具有少量放射性，一般外表尚须包钢板。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,36,（三）、X、射线的屏蔽计算,常用的X射线源有加速器和X射线机两类。 1. 加速器X射线源的屏蔽计算 电子加速器中辈加速的电子轰击靶，静电加速器中被反向加速的电子轰击阳极，都能产生高能、高发射率的X射线。X射线的最大能量等于被加速电子的最大能量（几几十兆电子伏特）。 在加速器装置中，电子束射到靶上产生的X射线，称为初级X射线。 在加速器装置中，如果沿入射电子方向发射的初级X射线束是确定屏蔽厚度的主要因素，则有下列计算公式：,（1）沿入射电子方向发射的初级X射线的屏蔽计算,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,37,式中， 是经过厚度为d（m）的屏蔽层后，在参考点上初级X射线束的当量剂量率（Svh-1）；I是电子束流强（mA）；a是加速器X射线的发射率常数（见课件35页图），因X射线的辐射权重因子WR1，所以，以Gyh-1为单位的吸收剂量率与以Svh-1为单位的当量剂量率在数值上相等；Ia是设置屏蔽层前距离辐射源（即靶）1m处的吸收剂量率（Gym2min-1）；HL，h是在参考点上的当量剂量率的控制水平或剂量约束水平（Svh-1）；q是参考点所在区域的居留因子；x是00方向上的X射线在屏蔽层中的透射比；1.67×10-2是与1min相当的小时数。,一、X、射线的剂量与屏蔽计算,