核辐射及辐射屏蔽

辐射屏蔽简介原创 蒙卡学堂 蒙卡学堂 2023-12-10 08:43 上海1.什么是核辐射？辐射是以波动形式或运动粒子形式向周围介质传播的能量，是一种能量传播的方式。辐射分为非电离辐射和电离辐射两大类。通常辐射防护上关心的对象就是电离辐射。 电离辐射包括高能电磁辐射和粒子辐射，高能电磁辐射指X射线和γ射线产生的辐射；粒子辐射是指中子、α粒子、β粒子、质子、重离子等产生的辐射。电离辐射中质子、重离子为带电粒子，X射线、γ射线和中子为非带电粒子。对于来自体外的电离辐射即外照射，辐射防护主要关心穿透力强的γ射线、中子；对于来自体内的电离辐射即内照射，辐射防护主要关心射程较短的带电粒子射线，例如氡-222产生的α粒子，碘-131产生的β粒子（能量大部分沉积在人体）。核电站发生事故时，泄漏的核辐射主要包括γ射线、中子、α粒子、β粒子等。2.主要辐射粒子有哪些？α粒子主要来自于α衰变，许多锕系元素如铀、钚等的同位素均可以发生α衰变，释放出α粒子。α粒子就是氦原子核，由2个质子和2个中子组成，带2个单位的正电荷；β粒子主要来自于β衰变，一些不稳定的同位素衰变释放出β粒子（电子）。γ射线一般伴随着核反应产生，如裂变、衰变等均会产生伽玛射线。中子的最大来源是核反应堆中的裂变反应，还有加速器中子源也能产生中子，许多核反应，如铍的（α，n），钨的（γ，n）等反应也会产生中子。3.核辐射对人体造成的影响如何衡量？核辐射对人体造成的影响用有效剂量或剂量当量来衡量，国际单位是西弗（Sievert），简称Sv。由于一个西弗的剂量比较大，通常也使用毫西弗（mSv）和微西弗（µSv），毫西弗是千分之一西弗，微西弗是百万分之一西弗。 4.自然界存在辐射吗？自然界存在的辐射叫天然辐射。天然辐射的来源包括宇宙射线和地球上自然存在的放射性元素。天然辐射的水平通常称为天然的“本底辐射”。就世界平均来说，每人每年所受的天然的本底辐射大约是2.4mSv。天然的本底辐射无法避免，人类在漫长的进化过程中，就生活在天然放射性环境中。 除天然的本底辐射外，人们日常活动中还会受到如核试验、核设施（包括核电站）、核技术应用、核医学、核燃料循环、建筑等活动而产生的人工辐射。辐射防护则主要是屏蔽该类辐射。5.辐射防护的基本物理量有哪些？人体受到电离辐射照射, 所受照射大小用剂量描述，根据射线种类和所需评价受照对象的不同详细分为：吸收剂量：单位质量上因辐射照射所沉积的能量，单位为Gy。它是一个基本的物理学剂量量，是实际可测量的量。当量剂量：由于不同质的辐射照射所产生的生物效能的差异，引入辐射权重因子，吸收剂量与对应辐射权重因子之积就是当量剂量，单位为Sv。有效剂量：为了建立辐射剂量与辐射危害之间的关系，除了考虑不同种类的辐射照射所产生的生物效应的差异外，对同一种辐射还需要考虑器官和组织对辐射照射的敏感性不同。为此，引入组织权重因子，用它和组织当量剂量加权求和来获得人体所受的有效剂量，单位为Sv。6.辐射剂量的限值是多少？根据中国国家标准GB18871-2002的规定，对于从事核相关工作的人员（放射工作人员），连续5年的年平均有效剂量不得超过20mSv，任何一年中的有效剂量不得超过50mSv。对于普通公众中的关键人群组的成员所受到的平均年有效剂量不得超过1mSv。7.通常说的2.5uSv/h标准是否安全？GB 18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定的职业人员连续5年的年平均有效剂量限值20mSv，也是一般医疗机构制定的放射工作人员管理目标值。也就是说，如果这个人在上班时间时时刻刻接触2.5μSv/h的周围剂量当量率，一年的累积接触有效剂量为5mSv，是限值的四分之一。因此，这个2.5μSv/h标准是非常安全的。GB 18871-2002规定公众人员的连续年平均剂量不超过1mSv。实际上，公众人员接触辐射源的时间非常短，很难达到这标准。对于普通公众人员来说，CT机器的辐射量较大，即使每年12次CT，剂量率也远低于国家标准。     8.如何减少可能受到的核辐射？减少受到核辐射有三个要点：距离、时间和屏蔽。远离辐射源，人员所受的辐射剂量与他和辐射源的距离的平方成反比；减少暴露时间，辐射剂量是有累加效果的，暴露在辐射中的时间越长，所受的剂量越大；对辐射进行屏蔽，有效的屏蔽能够极大的减少人员所受的辐射。9.如何对核辐射进行屏蔽？不同的辐射采用不同的方法。对于α粒子，由于其穿透力很弱，只需要一张纸就可以起到很好的屏蔽效果。对于β粒子，其穿透力也不强，只需要一张铝箔就可以屏蔽。而伽玛和中子，则需要特殊的方法进行屏蔽。10.中子如何屏蔽？屏蔽指的是：利用辐射与材料原子的互相作用来降低某一区域的辐射水平，以达到保护环境、减少人体受辐照量的一种辐射防护技术。屏蔽的基础是中子与物质的相互作用，且与中子能量相关。主要原理是：快中子进入物质后，通过弹性散射和非弹性散射将其能量传递给物质的原子核，慢化成热中子或超热中子，通过辐射俘获、核裂变等过程被物质原子核吸收。散射反应分为弹性散射和非弹性散射。1）弹性散射是中子和物质的原子核发生弹性碰撞（质心系），把部分或全部能量（取决于中子与原子核碰撞前各自运动方向的夹角）传给反冲核，同时改变自己的能量和运动方向。反冲核的质量越小，一次碰撞的中子平均损失能量越多，例如对能量为2MeV的快中子与氢核平均碰撞18次就可以慢化成热中子；而2MeV的快中子与铅核碰撞则大约需要2000次才能慢化成热中子。2）非弹性散射通常先形成复合核，在发射中子后反冲核除得到动能外，其本身还处于激发态，并通过放出γ光子而回到基态。非弹性散射发生的概率随中子能量和物质原子序数的增加而增加。一次非弹性散射可以把相当多的能量传给反冲核，所以非弹性散射是快中子（能量大于1MeV）减速的主要过程。吸收反应类型较多，包括俘获反应、核裂变等。热中子可以通过通过辐射俘获等过程被物质原子核吸收，从而实现对中子的屏蔽。辐射俘获反应（n,γ）是中子被物质吸收的最后一个过程。大多数核素都易与热中子发生（n,γ）反应，少数核素还易与超热中子发生共振吸收反应。据此，对于中子的屏蔽应根据产生中子的能量进行方案设计：1）快中子：具有很强的穿透能力，应选择与中子发生核反应截面大的材料作为中子辐射的屏蔽材料，应具有以下特性：①质量密度大，例如铁、钨等，可以通过非弹性散射把快中子慢化下来；②使用富含氢元素的物质，如水、石蜡、聚乙烯、混凝土等材料，可以有效地把非弹性散射阈值以下的中子慢化为热中子；③含硼、钆、铪等热中子吸收截面大的材料，有效吸收热中子。2）热中子：主要使用使用富含氢元素的物质对中子进行慢化，然后通过含硼、钆、铪等热中子吸收截面大的材料对中子进行吸收。需要注意的是，在中子碰撞和吸收的过程中，一部分的能量会以γ辐射的形式释放，因此在屏蔽中子时，还要同时做好γ的屏蔽。11.如何屏蔽γ？γ射线与物质的反应相对中子较为简单，主要包括：光电效应、康普顿散射和电子对效应，在这些过程中把能量传递给物质原子的电子而本身被减弱或吸收。1）光电效应是光子把全部能量传给电子，使电子从原子的束缚中释放出来，而光子本身消失掉，这对低能γ光子（能量小于几百keV的γ光子）的吸收起主要作用。2）康普顿散射是光子与自由电子发生非弹性碰撞，把部分能量传给电子，同时改变自己的方向和能量，对降低中能γ光子（能量在几百keV和几MeV之间）的能量起主要作用。3）电子对形成是γ光子与核的库仑场发生作用，γ光子完全湮没，其能量转换成一对正负电子的质量和动能以及反冲核的动能，对高能γ光子（能量大于几MeV）的吸收起主要作用。γ射线的穿透能力较强，能够进入或穿透人体组织。屏蔽伽玛射线zuijia的方法是使用高密度高原子序数的材料，常用的有铁、铅及混凝土材料等。同时，能量越高的伽玛射线需要越厚的屏蔽。