辐射防护教材(中文)

1 辐射防护的基本知识

1.1 常用的辐射源及其特点

辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射及粒子辐射等）的统称。例如，物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X 射线叫做原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射，这种狭义的“辐射”又称“射线”。

辐射源是指能够发射电离辐射的设备或物质。

辐射源大致可以分为四类：放射性核素、X 线机、加速器和反应堆。

1. 放射性核素辐射源

放射性核素具有自发地发生核跃迁的特性，依据跃迁的方式不同，可能放射出α粒子、β+粒子、β-粒子、光子、中子和裂变碎片等。利用放射性核素可以制备α源、β源或γ源；利用放射性核素放射出的α粒子、γ光子，轰击某些轻元素如Be 等，可以制备成（α、n ）、（γ、n ）反应的放射性中子源；也可以利用重核自裂变时放射出的中子，例如，可以用自发裂变核素如锎－252制备成自发裂变中子源。

2. X 线机辐射源

利用X 线机产生连续能谱的轫致辐射，是一种被广泛应用的X 线辐射源。

3. 加速器辐射源

利用加速器加速电子去轰击某些重元素，可产生轫致辐射，即形成X 辐射源。这是另一种X 线辐射源。利用加速器加速的带电粒子轰击某些轻元素，可引起发射中子的核反应，即形成中子源。也可以利用加速器产生轫致辐射，形成通过（γ、n ）反应或光致裂变的中子源。

4. 反应堆辐射源

中子能引起一些重核裂变，裂变又放出更多的中子。所以在一定条件下，有可能形成链式反应。以中子为媒介的可持可控链式反应的装置称为反应堆。反应堆能释放出多种电离辐射，其中最主要的辐射有：瞬发裂变中子、γ光子和裂变产物的γ辐射。

在核物理类书籍中均比较详尽地阐述了各类辐射粒子的特征与性质。归纳起来，辐射可分为以下四大类：

⎩⎨⎧重带电粒子快电子带电粒子辐射

⎩⎨⎧中子

电磁辐射非带电（粒子）辐射 快电子包括核衰变过程中发射的β粒子（正或负），以及其他过程产生的具有相当能量的电子。重带电粒子包括其质量为一个或多个原子质量单位并具有相当能量的各种离子，如α粒子、质子、裂变产物和核反应产物等。所涉及的电磁辐射包括原子的壳层电子重新排列时发射的X 射线、高速带电粒子（电子）轰击靶物质而产生的轫致辐射，以及原子核能级跃迁时发射的γ射线。它们都是静止质量为零的光量子，但轫致辐射具有连续的能量分布，而特征X 射线与γ射线则具有分立的、与原子及原子核能级差对应的能量。各种核转变过程（如核反应、核裂变等）中产生的中子不带电，但具有与质子相似的静止质量。中子通常按能量分为快中子、慢中子及热中子等。

一般说来，我们只关注能量在10eV 量级以上的辐射粒子。这个能量下限是辐射或辐射与物质相互作用的次级产物能使空气等典型材料发生电离所需的最低能量。能量大于这个最低能值的辐射称作“电离辐射”。本书以后提到的“辐射”或“射线”，均指“电离辐射”。慢中子本身的能量可能低于上述能量下限，但由于其特殊重要性以及它们引发的核反应（包括核裂变）产物具有相当大的能量，因而也归入这一范畴。

各种电离辐射穿过物质时，都将与物质发生相互作用。这种辐射与物质的相互作用（又称作射线与物质的相互作用），与各种辐射研究、辐射应用以及辐射探测密切相关。因此，研究射线与物质相互作用对于原子和原子核物理、防护、核能与核技术应用，以及辐射探测等都有很重要的意义。

1.2 带电粒子与物质的相互作用

1.2.1 α粒子与物质的相互作用

1.电离和激发

任何快速运动的带电粒子通过物质时，由于入射粒子与靶原子核外层电子之间的库仑力作用，使电子受到吸引或排斥，这将使入射粒子损失部分能量，而电子获得部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去一个电子而变成带一个单位正电荷的离子，是正离子，这一过程称为电离。原子中最外层电子受原子核束缚最弱，故这些电子最容易被击出。α粒子对物质原子的电离过程可以表示如下：

-++A →A e

反应式中的符号分别是原子、正离子和电子。

电离过程产生的自由电子中，有的具有相当高的动能，可继续与物质中其他靶原子

发生相互作用，并进一步产生电离。这些高速的电子有时被称作δ射线（δ电子）。如果原子的内壳层电子被击出，则在该壳层留下空位，外壳层中的电子就向内壳层跃迁，在此过程中会放出特征X 射线或俄歇电子。

如果入射带电粒子传递给电子的能量较低，不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子，只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（原子处于激发态），这种过程叫做原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的。原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子的退激。退激过程中释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象。

2.电离能量损失率

带电粒子与物质原子核中外层电子的非弹性碰撞而导致原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式。我们把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失，或称为电子碰撞能量损失。

由于α粒子比较“重”，为电子质量的7300多倍，故其每同电子碰撞一次所损失的动能较小。根据经典碰撞模型估算，一个5MeV 的α粒子同电子对心碰撞一次，传递给电子的最大动能约为2.7keV ，这个值同5MeV 相比显然很小。实际上一次碰撞中电离损失的能量数值是随机的，有大有小。因此，一个5MeV 的α粒子要经过几万至几十万次的碰撞才会将其动能全部损失完。最后，几乎静止的α粒子从物质中拾取2个电子变成电中性的氦原子停留在该物质中。

入射的带电粒子在物质中穿过单位长度路程时由于电离、激发过程所损失的能量叫做电离能量损失率。从物质角度来说，电离能量损失率也可叫做物质对带电粒子的阻止本领。由于这种阻止主要是电子引起的，所以又叫做电子阻止本领。若以e

dX dE ⎪⎭⎫ ⎝⎛-表示电离能量损失率（负号表示入射粒子能量随入射深度X 增大而减小），以S e 表示电子阻止本领，则

()e e dX dE S /-≡ (1.2.1)

理论和实验表明：在非相对论条件下电离能量损失率有如下的变化关系

2221NZ v

Z dX dE e ∝⎪⎭⎫ ⎝⎛- (1.2.2) 式中Z 1和v 分别是入射带电粒子的核电荷数和速度，N 和Z 2分别是介质原子密度和原子序数。由（1.2.2）式可知：

1) 电离能量损失率随人射粒子速度增加而减小，呈平方反比关系。所以，入射粒子