辐射屏蔽设计基础-大学课程《辐射防护概论》-课件.ppt

1、辐射屏蔽设计基础31. 光电效应光电子动能：EehBi（ iK，L，M）4原子的光电效应截面：单位：cm2式中： K常数Z物质的原子序数光电效应的几率与原子序数 Z4成正比；光电效应的几率与光子能量h3成反比；低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势；光电效应主要发生在K层及L层电子。第 I 阶段：（每个原子）52. 康普顿效应6783. 电子对效应原子核场：能量大于1.02MeV，发生几率大；电子场 ：能量大于2.04MeV，发生几率很小。第二节 X、射线与物质的相互作用91. 相干散射光子作为电磁波具有波粒二象性；干涉现象的条件：相干光源劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象，在0.

2、00050.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。瑞利散射（Rayleigh），与束缚得很牢固的电子的弹性散射，束缚电子吸收光子跃迁，随后又发出一个能量相同的散射光子。第二节 X、射线与物质的相互作用截面与Z2成正比，并随能量增大而急剧减小；低能时不可忽略，小角度散射。102. 光核反应光核反应：光子与原子核发生反应，有阈能。常见的光核反应：（，n）、 （，p）、 （，2n）及 （，pn）等典型的光核反应阈能（MeV）111. 质量衰减系数 / 光子在物质中穿行单位距离时，平均发生总的相互作用的几率。式中： 线衰减系数，cm-1；光电线衰减系数；e总康普顿线衰减系数； coh 相干散射线衰减系数；

3、电子对线衰减系数；质量衰减系数 /：线衰减系数 ：单位：cm-1122. 质能转移系数 tr / 线能量转移系数tr： 穿行单位距离，光子转移为带电粒子的动能占总能量的份额。质能转移系数 tr /： 第三节 X、射线与物质的相互作用穿行过单位质量厚度，射线把能量转移给电子的份额133. 质能吸收系数 en / 光子转移给带电粒子的能量有一部分会由于韧致辐射损失掉。质能吸收系数 en /： 式中：g次级电子由于韧致辐射而损失的能量的份额14二、X、射线在物质中的减弱规律（一）、窄束X、射线的减弱规律（二）、宽束（二）、宽束X、射线的减弱规律射线的减弱规律 单一均匀介质的积累因子单一均匀介质的积累

4、因子（三）、宽束X、射线的透射曲线（四）、屏蔽X、射线的常用材料15（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deNN0线衰减系数，cm-1。16低能光子更易被高低能光子更易被高Z物质吸收；物质吸收；存在一个能量点，存在一个能量点，值最小。值最小。17 能谱的硬化：平均自由程：随着通过物质厚度的增加，不易被减弱的“硬成分”所占比重越来越大的现象。线减弱系数的倒数称为光子在物质中的平均自由程。即=1/。表示光子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿行的平均厚度。如果d，即厚度等于一个平均自由程，X或射线被减弱到原来的e-1。康普顿效应占优时，

5、估算，1221dd第二节 X、 射线的外照射防护18d0BeNN第二节 X、 射线的外照射防护19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。 B取决于：源的形状，光子能量，屏蔽材料的原子序取决于：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，只与光子能量给定辐射源和屏蔽介质的话，只与光子能量E 和介质和介质厚度（平均自由程数厚度（平均自由程数d）有关，即）有关，即B（E，d）。）。colnNNB,B积累因子（积累因子（build-up factor)colnxXXB,20单层介质，B值的确定：（1）查表法

6、；dadaxeAeAB21)1 (11（2）公式法21（3）多层介质情况两种介质的原子序数相差不大，)(,)(,maxbabbaatddEBddEBB两种介质的原子序数相差很大，1）低Z介质在前，高Z介质在后：)( ,高dEBBt2）高Z介质在前，低Z介质在后：)( ,)( ,高低dEBdEBBt)( ,)( ,)(min,高低高dEBdEBBt能量高时，能量低时， 排列屏蔽材料时，应低Z在前，高Z在后。第二节 X、 射线的外照射防护22（1）减弱倍数）减弱倍数K 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表示屏

7、蔽材料对辐射的屏蔽能力屏蔽能力，无量纲。d10 x1eHB)d(H1. 屏蔽计算中用的几个参量)d,E(B/e(d)H/Hkd110第二节 X、 射线的外照射防护23（2）透射比 辐射场中某点处设置厚度为d的屏蔽层后的当量剂量率H(d)，与没有设置屏蔽层时的当量剂量率H(0)，的比值。1d101e )d,(H(d)/HKEB第二节 X、 射线的外照射防护24（3）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（1mAmin）所造成的当量剂量。 单位：Svm2（mAmin）-1。25（1）半减弱厚度1/2：half value thickness 将入射光子数（注量率或照射

8、量率等）减弱一半所需的屏蔽层厚度（2）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2/ 110/ 132. 31/2、 1/10 并不是绝对的常数第二节 X、 射线的外照射防护26第二节 X、 射线的外照射防护271.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。2. 铁： 屏蔽性能比铅差。但成本低，易获得，易加工。3. 混凝土： 价格便宜，结构性能良好。多用作固定的防护屏障。4. 水： 屏蔽性能较差，但有

9、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。第二节 X、 射线的外照射防护282. 射线的屏蔽计算射线的屏蔽计算hLIHrqAdH,25104 . 1)(qArHhLr52,104 . 1（2）查透射比曲线（1）查减弱倍数表第二节 X、 射线的外照射防护2,5104 . 1rHAKhL2,5104 . 1rHAKhL29第二节 中子的屏蔽一、中子辐射源二、中子剂量计算三、中子在屏蔽层的减弱规律三、中子在屏蔽层的减弱规律四、中子屏蔽计算四、中子屏蔽计算30放射性核素中子源放射性核素中子源加速器中子源反应堆中子源等离子体中子源一、中子辐射源中子源注意事项：往往伴有

10、辐射。第四节 中子的外照射防护31放射性核素中子源优点： 发出的中子基本各向同性； 源的尺寸小； 价格便宜。缺点： 产额小，且随时间减弱； 易形成污染。第四节 中子的外照射防护32表3.4.1 放射性核素中子源的特性名称名称放射性放射性核素核素反应反应类型类型半衰期半衰期T 1/2中子最中子最大能量，大能量，MeV中子平中子平均能量，均能量，MeV中子产额中子产额y，10-6S-1Bq-1中子源发射率为中子源发射率为106 s-1，距离，距离1m处处的的照射量率，照射量率，10-7Ckg-1h-1中子中子能谱能谱伴随伴随辐射辐射钠钠鈹鈹锑锑鈹鈹釙釙鈹鈹镭镭鈹鈹钚钚鈹鈹钚钚鈹鈹鎇鎇鈹鈹24Na1

11、24Sb210Po226Ra238Pu239Pu241Am（,n）（,n）（,n）（,n）（,n）（,n）（,n）15.0h60.4d138.4d1620a87.75a24390a432a10.8713.0811.310.7411.50.830.0294.24.04.54.14.53.515.1467.640554.143.254.13.761041.331040.1031551.294.392.58单能单能单能单能连续连续连续连续连续连续连续连续连续连续非常强非常强非常强非常强很低很低很低很低低低低低低低第四节 中子的外照射防护33加速器中子源MeVHendD27. 33MeVHendT58

12、6.174T(d,n)4He反应的优点是中子能量高（1030MeV），即 使 氘 核 能 量 低 到0.1MeV，通过T(d,n)4He反应也能获得接近14MeV的单能中子。第四节 中子的外照射防护34加速器（，n）中子源： 连续谱第四节 中子的外照射防护35反应堆中子源： 中子数量大，能谱宽（0.07517MeV）第四节 中子的外照射防护36二、中子剂量的计算（一）中子与机体组织相互作用的特点表3.4.6 中子在机体组织中发生的重要的相互作用（En100MeV）第四节 中子的外照射防护元素相 互 作 用氢弹性散射辐射俘获H（n，）D碳弹性散射非弹性散射C（n，n3）和C（n，n）Be反应氮弹

13、性散射非弹性散射N（n，p）C，N（n，d）C，N（n，t）C，N（n，）B，N（n，2）Li和N（n，2n）N反应氧弹性散射非弹性散射O（n，）C和O（n，p）N反应37（二）中子剂量的计算1. 比释动能计算KfK式中EftrK/为中子比释动能因子。mmtrTtrTTKKD/吸收剂量：小块组织：mmtrTtrTKK/第四节 中子的外照射防护38表3.4.7 中子辐射权重因子WR，中子当量剂量换算因子fHi，n和对应的中子注量率10Svh-1En，MeV辐射权重因子辐射权重因子WR当量剂量换算因子当量剂量换算因子f Hi，n10-15 Svm2中子注量率中子注量率LCm-2s-1 2.510-

14、8 110-7 110-6 110-5 110-4 110-3 110-2 110-1 510-1 1 2 5 10 20 50210Po-B En2.8210Po-Be En4.2226Ra-Be En4.0239Pu-Be En4.1241Am-Be En4.5252Cf源源 En2.132222222 7.4 11 10.6 9.3 7.8 6.8 6.0 5.0 8.0 7.5 7.3 7.5 7.4 9.15 1.068 1.157 1.263 1.208 1.157 1.029 0.992 5.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.54 33.1

15、35.5 34.5 35.2 39.5 33.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.0 48.00 14.00 8.608 7.000 6.832 6.800 6.500 6.100 8.400 7.840 8.040 7.880 7.040 8.3642. 当量剂量计算单能：nHnIIfH,连续谱：dEEfHnHEnII)(,第四节 中子的外照射防护39表3.4.1 放射性核素中子源的特性名称名称放射放射性核性核素素反应反应类型类型半衰期半衰期T 1/2中子中子最大最大能量，能量，MeV中子中子平均平均能量，能量，MeV中子产中子产额额y，10-6S-1Bq

16、-1中子源发射率为中子源发射率为106 s-1，距离，距离1m处的处的照射量照射量率，率，10-7Ckg-1h-1中子中子能谱能谱伴随伴随辐射辐射钠钠鈹鈹锑锑鈹鈹釙釙鈹鈹镭镭鈹鈹钚钚鈹鈹钚钚鈹鈹鎇鎇鈹鈹24Na124Sb210Po226Ra238Pu239Pu241Am（,n）（,n）（,n）（,n）（,n）（,n）（,n）15.0h60.4d138.4d1620a87.75a24390a432a10.8713.0811.310.7411.50.830.0294.24.04.54.14.53.515.1467.640554.143.254.13.761041.331040.1031551.29

17、4.392.58单能单能单能单能连续连续连续连续连续连续连续连续连续连续非常强非常强非常强非常强很低很低很低很低低低低低低低第四节 中子的外照射防护40表3.4.7中子辐射权重因子WR，中子当量剂量换算因子fHi，n和对应的中子注量率10Svh-1En，MeV辐射权重因辐射权重因子子WR当量剂量换算因子当量剂量换算因子f Hi，n10-15 Svm2中子注量率中子注量率LCm-2s-1 2.510-8 110-7 110-6 110-5 110-4 110-3 110-2 110-1 510-1 1 2 5 10 20 50210Po-B En2.8210Po-Be En4.2226Ra-Be

18、 En4.0239Pu-Be En4.1241Am-Be En4.5252Cf源源 En2.132222222 7.4 11 10.6 9.3 7.8 6.8 6.0 5.0 8.0 7.5 7.3 7.5 7.4 9.15 1.068 1.157 1.263 1.208 1.157 1.029 0.992 5.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.54 33.1 35.5 34.5 35.2 39.5 33.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.0 48.00 14.00 8.608 7.000 6.832 6.800 6.

19、500 6.100 8.400 7.840 8.040 7.880 7.040 8.36441三、中子在屏蔽层中的减弱规律（一）减弱原理第一步：快中子通过与物质的非弹性散射和弹性散射，慢化成热中子；第二步：热中子被物质俘获吸收。首先用重或较重的物质，通过非弹性散射使中子能量很快降到与原子核第一激发能级能量以下；然后，再利用含氢物质，通过弹性散射使中子能量降到热能区。第四节 中子的外照射防护42 表3.4.8 某些元素的热中子吸收截面及相应俘获辐射的最大能量元素元素热中子（热中子（n,）截面截面俘获俘获之最高之最高能量，能量，MeV元素元素热中子（热中子（n,）截面截面俘获俘获之最高之最高能量，

20、能量，MeV氢氢硼硼-101）氮氮钠钠镁镁铝铝硅硅磷磷钙钙钪钪钛钛钒钒铬铬锰锰铁铁0.03238370.0750.5340.0360.2350.1600.1900.44245.84.983.113.22.352.230.47810.86.4110.097.7210.597.947.838.8510.477.989.727.2610.16钴钴镍镍铜铜锌锌锆锆鈮鈮钼钼银银镉镉铟铟锡锡钽钽钨钨铅铅铋铋37.04.83.771.100.181.152.76324501960.6252119.20.170.0847.499.007.919.518.667.199.157.279.055.879.356.

21、047.427.384.171）系指（）系指（n，）反应的截面及其伴随的）反应的截面及其伴随的光子能量。光子能量。43（二）减弱规律drred0)(dnrreBd0)(窄束：宽束：第四节 中子的外照射防护44（三）计算宽束中子减弱的分出截面法原理：通过屏蔽材料的选择使得中子一经散射就很快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用的中子。满足简单的指数规律第四节 中子的外照射防护45屏蔽材料必须满足的条件：（1）屏蔽层足够厚；（2）屏蔽层含像铁、铅之类的重材料，通过非弹性散射将中子能量很快降到1MeV以下；（3）屏蔽层内含有足够的氢，在很短距离内，将中子能量从1MeV降到热能，然后被吸收。drrRed

22、0)(dIIReHH0宏观分出截面第四节 中子的外照射防护46表3.4.9 对于裂变中子的宏观分出截面材 料普通土含水10石墨1.54普通混凝土水石蜡聚乙烯铁R，cm-10.0410.07850.0890.1030.1180.1230.1576第四节 中子的外照射防护原子量10，宏观分出截面：58. 021. 0AR47（四）计算宽束中子的透射曲线 中子辐射透射系数nn单位中子注量在屏蔽体后造成的剂量当量，单位Svcm2。： 中子透射比 中子减弱倍数nK第四节 中子的外照射防护48（五）计算宽束中子的十倍减弱厚度第四节 中子的外照射防护4950表3.4.10 与附图32和附图34（NCRP79

23、图F8和F9）中各曲线对应的核反应、加速粒子能量以及由此产生的中子在混凝土中的平衡十倍减弱厚度值核反应核反应入射粒子能量，入射粒子能量，MeV靶物质靶物质出射中子与入出射中子与入射粒子的夹角射粒子的夹角混凝土的平均十倍衰减混凝土的平均十倍衰减厚度厚度1/10，e gcm-2（，n）1634555565658585PtOBePbOMgBePb90055067.5067.5090090067.5067.50787185868486163117（p，n）88101010121212CTaMgSSiMgSSi0000000000000000748178787878787851表3.4.10 与附图32

24、和附图34（NCRP79图F8和F9）中各曲线对应的核反应、加速粒子能量以及由此产生的中子在混凝土中的平衡十倍 减弱厚度值 （续）核反应核反应入射粒子能量，入射粒子能量，MeV靶物质靶物质出射中子与入射出射中子与入射粒子的夹角粒子的夹角混凝土的平均十倍衰减厚混凝土的平均十倍衰减厚度度1/10，e gcm-213131420CTaAlAl000010010074817171（d，n）1.681416184054BeTaTaBeAlBeBe0010010000000000747474747186115（3He，n）18Cu74（，n）（，f）45238U9008552有的资料给出8.151022。

25、有的资料给出8.31022。材材 料料化化 学学 组组 成成含氢量，原子含氢量，原子cm-3水水石石 蜡蜡聚聚 乙乙 烯烯聚聚 氯氯 乙乙 烯烯有有 机机 玻玻 璃璃石石 膏膏高高 岭岭 土土92聚乙烯聚乙烯8B4CH2OC30H62（CH2）n（CH2CHCl）n（C4H8O2）nCaSO42H2OAl2O32SiO22H2O（CH2）nB4C6.710227. 8710227.9210224.11022 5.710223.2510222.4210227.681022表3.4.11 常用屏蔽材料中的含氢量第四节 中子的外照射防护53水：含氢量大，既是慢化剂，又是吸收体，氢的俘获 辐射能量低，

26、只有2.2MeV，便于屏蔽。水的泄漏易酿成事故。混凝土：既有轻元素，又有较重的元素和一定量的水分，对中子和光子都有较好的屏蔽作用。混凝土中水含量的不同对屏蔽效果影响较大，需要进行修正。石蜡：含大量的氢，易成型，但结构性能差，高温易软化，低温易干裂，对 辐射屏蔽性能差。聚乙烯：含氢丰富，易加工成型，温度高于100C时，易软化。泥土：含水多，廉价。锂和硼：热中子吸收截面大，锂俘获中子后放出的 辐射可忽略不计，硼俘获中子放出0.47MeV的 辐射，易屏蔽。54四、中子屏蔽计算（一）放射性核素中子源的屏蔽计算LdnrrRqeBd0)(4ln12LnRrqAyBd式中：d是屏蔽层厚度，cm；R是屏蔽材料

27、的宏观分出截面，cm-1；A是放射性核素中子源中放射性核素的活度，Bq；y是放射性核素中子源的产额，Bq-1s-1；Ay即为中子源中子发射率，s-1；Bn是中子积累因子；q是居留因子；r是参考点离源的距离，m。第四节 中子的外照射防护55Bn取值：厚度不小于20cm的水、石蜡、聚乙烯一类的含氢材料，取Bn5；铅，Bn3.5；铁，Bn=2.6第四节 中子的外照射防护56第三节 带电粒子的外照射防护58第三节 带电粒子的屏蔽一、射线的剂量计算二、二、射线的屏蔽防护射线的屏蔽防护三、重带电粒子的剂量计算四、重带电粒子的屏蔽防护第三节 带电粒子的外照射防护59一、射线的剂量计算1. 单能电子束colS

28、D6106.3单位：mGy/h式中：第三节 带电粒子的外照射防护602. 射线特点： 射线的能谱是连续谱； 散射很显著，情况复杂； 通常用经验公式近似计算。点源空气中吸收剂量的粗略估算1228.1 10/DA r式中：A是活度，Bq；r是距离，m。单位：Gy/h第三节 带电粒子的外照射防护61二、射线的屏蔽防护射线的屏蔽要分两层：先轻射线的屏蔽要分两层：先轻Z，后重，后重Z。屏蔽材料的厚度一般应等于屏蔽材料的厚度一般应等于 射线在射线在物质中的最大射程。物质中的最大射程。第三节 带电粒子的外照射防护621. 经验公式（或查图）计算最大射程式中：Rmax 射线在铝中的最大射程（g/cm2）；E

29、max 射线的最大能量（MeV）。第三节 带电粒子的外照射防护63介质修正：式中：第三节 带电粒子的外照射防护64第三节 带电粒子的外照射防护652. 轫致辐射的屏蔽计算第三节 带电粒子的外照射防护66式中：F 射线被第一屏蔽层吸收时产生轫致辐射的份额； 射线在空气中的线衰减系数，cm-1。第三节 带电粒子的外照射防护67式中：第三节 带电粒子的外照射防护68三、重带电粒子的剂量计算放射性核素存在“群体反冲”现象。因此，必须保存在密闭容器内，在密闭良好的手套箱中操作。第三节 带电粒子的外照射防护69（一）质量阻止本领法SwHR6106 . 3（mSv/h） 重带电粒子的注量率，（1/m2s）；

30、S/ 重带电粒子在物质中的质量阻止本领；WR 辐射权重因子。第三节 带电粒子的外照射防护70S/的确定：SzSzzSp22z重带电粒子的电荷数等效质子能量EMMp1Mp/M1质子质量与入射重带电粒子质量之比；E 入射重带电粒子能量（兆电子伏）。第三节 带电粒子的外照射防护71重带电粒子外照射剂量应考虑到粒子的种类和能量：5MeV以下的粒子，2MeV以下的质子，都几乎不能穿透皮层，进行外照射剂量计算没有实际意义。第三节 带电粒子的外照射防护72查表法：四、重带电粒子的屏蔽计算第三节 带电粒子的外照射防护73公式法：式中：第三节 带电粒子的外照射防护742. 轫致辐射的屏蔽计算第三节 带电粒子的外

31、照射防护75式中：F 射线被第一屏蔽层吸收时产生轫致辐射的份额； 射线在空气中的线衰减系数，cm-1。第三节 带电粒子的外照射防护76式中：第三节 带电粒子的外照射防护77三、重带电粒子的剂量计算放射性核素存在“群体反冲”现象。因此，必须保存在密闭容器内，在密闭良好的手套箱中操作。第三节 带电粒子的外照射防护78（一）质量阻止本领法SwHR6106 . 3（mSv/h） 重带电粒子的注量率，（1/m2s）；S/ 重带电粒子在物质中的质量阻止本领；WR 辐射权重因子。第三节 带电粒子的外照射防护79S/的确定：SzSzzSp22z重带电粒子的电荷数等效质子能量EMMp1Mp/M1质子质量与入射重带电粒子质量之比；E 入射重带电粒子能量（兆电子伏）。第三节 带电粒子的外照射防护80重带电粒子外照射剂量应考虑到粒子的种类和能量：5MeV以下的粒子，2MeV以下的质子，都几乎不能穿透皮层，进行外照射剂量计算没有实际意义。第三节 带电粒子的外照射防护81查表法：四、重带电粒子的屏蔽计算第三节 带电粒子的外照射防护82公式法：式中：