辐射监测方案设计：Ir192γ射线机

【学习目标】

1.了解描述辐射的物理量。

2.熟悉辐射损失的机理。

3.掌握辐射场所的监测设计。

【任务描述】

某长输管道因管廊结构原因，导致部分固定口无法使用X射线进行射线检测，改用γ源代替X射线作业。公司现有一台Ir192γ射线机，焦点尺寸为3mm×3mm，γ曝光头的尺寸为15mm×100mm，强度为16Ci。射线的安全防护距离为50m。γ射线机存放在专用铅箱内，铅箱放在8t的铅棚内，铅棚是按国际标准设计的。

本任务的要求是对Ir192γ射线机产生的辐射设计监测方案。

【相关知识】

辐射，即通常所称的射线，从它与物质相互作用引起的电离情况可分为两类：电离辐射和非电离辐射。任何与物质作用，直接作用或间接作用可引起物质电离的辐射称为电离辐射，不能引起物质电离的辐射称为非电离辐射。直接致电离的粒子有电子、β射线、质子、α粒子等带电粒子，X射线和γ射线是间接致电离的粒子。人们很早就认识到电离辐射对人体的危害作用，并注意到安全防护问题，辐射防护就是研究这方面的一个学科。

一、辐射量

为了描述辐射与物质的相互作用，必须建立一些描述辐射本身性质的物理量及其测量单位。描述辐射的物理量主要是照射量、吸收剂量、剂量当量、有效剂量。

1.照射量

照射量是描述X射线或γ射线使空气产生电离能力的物理量。其定义为：X射线或γ射线在某一体积元的空气中产生的全部电荷被完全阻留在空气中时，产生的任一种符号的电荷的绝对值与这个小体积空气质量之比。其表达式为

P=dQ/dm（7-1）

式中 dQ——在体积元空气中产生的一种符号电荷的电量；

dm——体积元中空气的质量。

照射量表示X射线或γ射线在单位质量的空气中所能产生的某一符号总电荷数量。

照射量的法定单位是库仑/千克（C/kg）。照射量专用单位是伦琴（R），与法定单位的关系为

1R=2.58×10^-4C/kg

1C/kg=3.876×10³R

照射量只适用于X射线或γ射线，它既不适用于其他辐射，也不适用于其他物质。

单位时间内的照射量称为照射量率，照射量率的单位是C/（kg·s）或R/s。

2.比释动能

X射线或γ射线与物质相互作用最重要的标志是将能量转移给物质，这是产生辐射效应的依据。能量转移过程分为两个阶段，首先X射线或γ射线的能量转移给次级电子，然后次级电子通过电离和激发的形式，将能量转移给物质。比释动能用于描述第一阶段的能量转移情况，即描述不带电粒子有多少能量转移给带电粒子的一个物理量。

比释动能K是指不带电粒子（包括X射线和γ射线）与物质相互作用，在单位质量的物质中释放出来的所有带电粒子的初始动能的总和。若质量为dm的物质中，不带电粒子释放出来的全部带电粒子的初始动能之和为dE_tr，则比释动能K的数学表达式为

K=dE_tr/dm（7-2）

式中 dE_tr——不带电粒子在某一物质内释出的全部带电粒子的初始动能的总和；

dm——在这个体积元中的物质的质量。

比释动能的法定单位是焦耳/千克（J/kg），专有名称为戈[瑞]（Gy）。

单位时间所释放的比释动能称为比释动能率，单位为Gy/h。

3.吸收剂量

当射线辐照物体时，可以将它能量的一部分或全部传递给被辐照的物体，即被辐照的物体可以吸收电离辐射的一部分或全部能量。但是，在同样的条件下，不同的物质吸收射线能量的情况并不相同。照射量仅仅表示了空气完全吸收X射线或γ射线能量的情况，而吸收剂量表示的是各种物质吸收各种电离辐射能量的情况。

X射线或γ射线将能量转移给物质是分两步进行的，用比释动能描述第一阶段的能量转移情况，而对于第二阶段的能量转移情况，即描述次级电子有多少能量被物质吸收，可用吸收剂量表示，即吸收剂量是表征受照物体吸收电离辐射能量程度的一个物理量。

吸收剂量D定义为：电离辐射授予某一体积元中物质的平均能量与该体积元中物质质量之比，即

D=dξ/dm（7-3）

式中 dξ——电离辐射授予某一体积元中的物质的平均能量；

dm——在这个体积元中的物质的质量。

授予某一体积元中的物质的平均能量dξ为进入一基本体积的全部带电粒子和不带电粒子能量总和与离开该体积的全部带电粒子和不带电粒子能量总和之差，再减去该体积发生任何核反应或基本粒子反应所增加的静止质量的等效能量。

吸收剂量的法定单位是焦耳/千克（J/kg），其专有名称也是戈[瑞]（Gy）。

吸收剂量适用于任何类型和任何能量的电离辐射。但是在提到吸收剂量时，应指明是什么物质的吸收剂量，例如是在空气中的，还是在人体某一组织中的。

单位时间内的吸收剂量称为吸收剂量率，吸收剂量率的单位是Gy/h。

4.照射量、比释动能、吸收剂量的关系

（1）照射量与比释动能的关系X射线或γ射线照射空气时，如果忽略次级电子能量转移成热能和辐射能的部分，即认为：在单位质量空气中所产生的次级电子能量全部用于使空气分子电离，则空气中某点照射量P和比释动能Κ在带电粒子平衡条件下的关系为

K=33.7P（7-4）

其中，照射量的单位为C/kg，比释动能的单位为Gy。

（2）照射量与吸收剂量的关系 吸收剂量和照射量是两个不同的概念，照射量是以空气的电离程度对辐射场的一种量度，吸收剂量给出的是被照射物质吸收辐射能量的状况，但两者存在一定的关系。在实际工作中，仪器直接测量的只能是照射量，而不能直接测量吸收剂量。因此，要知道辐射场中某点被照射物质的吸收剂量，就只能实测该点的照射量进行换算。也就是说，测量或计算出辐射场中某点的照射量，才能换算出某一物质在该点的吸收剂量。

如果照射场中某点的照射量为P，单位为R时，该点空气的吸收剂量为D，单位为Gy则可给出空气的吸收剂量与照射量的关系为

D=8.69×10^-3P

照射量单位为C/kg时，上式可写为

D=33.7P

对于人体，也可以采取上述类似的关系。单位为R时有

D=9.5×10^-3P

单位为C/kg时有

D=36.8P

（3）照射量、比释动能、吸收剂量的区别 照射量、比释动能、吸收剂量的区别见表7-1。

表7-1 照射量、比释动能、吸收剂量的区别

5.当量剂量

吸收剂量在一定程度上可以反映生物体因受到辐射而产生的生物效应，但辐射的生物效应不仅与吸收剂量的大小有关，还与射线的种类和能量有关，因此引入辐射种类和射线能量有关的因子对吸收剂量进行修正，用辐射权重因子（W_R）修正的吸收剂量就是剂量当量（H_TR）。

因此某种辐射R在某个组织或器官T中的剂量当量H_TR为

H_TR=D_TRWR（7-5）

对于多种辐射与多个组织和器官，剂量当量H_T为

H_T=∑D_TRW_R（7-6）

其SI单位为J/kg，专用名称为希沃特，符号是Sv，其专用单位为雷姆，符号是rem，1Sv=100rem。

一些射线的辐射权重因子见表7-2。

表7-2 一些射线的辐射权重因子

①不包括由原子核向DNA发射的俄歇电子，此种情况下需进行专门的微剂量测定考虑。

剂量当量率是单位时间的剂量当量，单位是Sv/s。

6.有效剂量

辐射防护中通常遇到的都是小剂量的漫散射，因此引起的辐射效应都是随机效应。其发生概率与受照的组织和器官有关，虽然吸收了相同的射线当量剂量，但发生随机效应的概率不一样，对生物体的危害就不一样，因此就引入了组织权重因子（W_T）对当量剂量进行修正，修正后当量剂量就是有效剂量（E）。(www.xing528.com)

E=∑W_T∑D_TRW_R（7-7）

各种组织和器官的组织权重因子W_T见表7-3。

表7-3 各种组织和器官的组织权重因子WT

注：1.结肠组织权重因子适用于在大肠上部和下部肠壁中当量剂量的质量平均。

2.为进行计算，其余组织或器官包括肾上腺、脑、外胸区域、小肠、肾、肌肉、胰、脾、胸腺和子宫。

二、辐射损失机理

1.辐射生物效应的分类

辐射生物效应可以表现在受照者本身，也可以出现在受照者的后代。表现在受照者本身的称为躯体效应（按照显现的时间早晚又分为近期效应和远期效应），出现在受照者后代时称为遗传效应。

从辐射防护的观点，电离辐射引起的生物效应（辐射生物效应）可以分为随机效应与非随机效应两类：

1）随机效应是在放射防护中，发生概率与剂量的大小有关的效应，即剂量越大，随机效应的发生率越大，但效应的严重程度与剂量大小无关，即这种效应的发生不存在剂量的阈值。

2）非随机效应是效应的严重程度随剂量而变化，即这种效应要在剂量超过一定的阈值后才能发生，效应严重程度与剂量大小有关，即只要限制剂量当量就可以避免非随机效应的发生。

2.辐射损伤的机理

电离辐射把能量传递给物质，从原子水平的激发或电离开始，继而引起分子的破坏，又进一步影响到细胞、组织、器官，还可以引起机体继发性的损伤，进而使机体组织发生一系列生物化学变化、代谢的紊乱、机能的失调以及病理形态等方面的改变，损伤严重则导致机体死亡。

电离辐射扰乱和破坏机体细胞和组织的正常代谢活动，破坏细胞和组织的结构，引起损伤的方式，既有直接的作用，也有间接的作用。

（1）直接作用 射线照射生物体时，与肌体细胞、组织、体液等物质相互作用。引起物质的原子或分子电离，甚至可以直接破坏机体内某些大分子结构，如使蛋白分子链断裂、核糖核酸或脱氧核糖核酸断裂，破坏一些对物质代谢有重要意义的酶等。

（2）间接作用 射线通过电离生物体内广泛存在的水分子形成一些自由基，通过这些自由基的作用来损伤机体。所谓自由基是指有一个或多个不配对电子而能独立存在的分子或原子，其有极高的不稳定性和化学反应性，存在时间极其短暂，但却能迅速地引起其他生物分子结构的破坏。

3.辐射损伤的影响因素

影响辐射损伤的因素是辐射性质、剂量、剂量率、照射方式、照射部位、照射范围。

（1）辐射性质 不同类型、不同能量的辐射传给受照机体的能量不同，使机体产生的电离程度不同，因而产生的生物效应也不同。

（2）剂量 一般认为吸收剂量越大，辐射生物效应发生的可能性越大，其效应的程度也越严重。

（3）剂量率 在总剂量相等的情况下，剂量率越高，意味着单位时间里承受的剂量也越大，因此产生的辐射生物效应越严重。

（4）照射方式 照射方式包括外照射、内照射、一次照射、多次照射以及多次照射的时间间隔等。外照射是来自机体之外的辐射照射，内照射是进入机体的放射性物质产生的辐射照射。照射方式不同，机体的吸收不同，产生的辐射生物效应也不同。对于从事射线检测的人员来说，主要是外照射产生的辐射生物效应。

（5）照射部位与范围 机体的不同部位对辐射的敏感程度不同，因此在同样的辐射照射条件下产生的辐射生物效应可以有所不同。不同部位对辐射的敏感性从高到低的次序为：腹部、盆腔、头部、胸部、四肢。人体对射线最敏感的是白细胞。在相同的剂量下，受照的范围（面积）越大，引起的辐射生物效应越强。

三、剂量测定方法和仪器

1.辐射监测的内容及分类

电离辐射的实践离不开对辐射进行监测，其目的是保护工作人员和居民免受辐射伤害，辐射监测分为工作场所辐射监测和个人剂量监测。

辐射监测的实施包括方案的制订、现场测量、照射场测量、数据处理、结果评价等。在方案中应明确监测点位、监测周期、监测仪器与方法以及质量保证措施。还应做到监测人员持证上岗，监测仪器定期校验，以及制定严格的质量控制程序。

（1）工作场所辐射监测 场所辐射监测是一种预防性测量，通过测量工作场所和环境的照射率或剂量率，可以预先估计出处于场所的人员在特定时间内将要受到的照射量和吸收剂量，从而能告诫有关人员尽可能避开危险区域，指出允许工作时间，并对改善防护条件提供有价值的资料。

（2）个人剂量监测 个人剂量监测是测量被射线照射的个人所接受的剂量，这是一种控制性的测量。它可以告知在辐射场工作的人员直到某一时刻为止已经接受了多少剂量，因此就可以控制以后的照射。如果被照射者接受了超剂量的照射，个人剂量监测不仅有助于分析超剂量的原因，还可以为医生治疗被照射者提供有价值的数据。

2.场所辐射监测仪器

用于场所辐射监测的仪器按体积、重量和结构可分为携带式和固定式两类。携带式仪器体积小、重量轻，具有合适的量程，便于个人携带使用。固定式监测装置，一般由安装在操作室的主机和通过电缆安装在监测处的探头两部分组成（如伦琴计）。还可采用带有声音或灯光信号的报警装置，一旦场所的剂量超过某一预定阈值时，仪器能自动给出信号。在场所辐射监测中，有用射线束在照射场内辐射水平很高，而一般散、漏射线的辐射水平较低，必须选用适当的仪器进行测量。

（1）电离室巡测仪 电离室巡测仪的典型组成包括电离室、弱电流测量电路（例如静电计）、显示电表（如微安表）及电源线路等部分。探测照射量的电离室，可以用胶木、聚苯乙烯之类的塑料（例如，FJ-311G2型γ微伦计、FJ-365型X射线剂量仪）以及铝等材料制作室壁。非金属室壁上要涂以导电石墨，中央电极用涂石墨的塑料或铝制作。室内充满空气，大多不密封。

电离室巡测仪结构简单，使用方便，可以测量多种射线，能量响应特性较好。虽然灵敏度不是很好，但也足够满足常规防护监测的需要，故广为使用。仪器故障经常是由于温湿改变、尘埃引起绝缘不良，故应注意干燥保管。

（2）G-M计数器 G-M计数器以测量放射性活度最适宜。但由于它比电离室灵敏

度高，在少数场合也用来粗略地检测剂量。只需和计数率表连接就构成了巡测仪器，可以在表头上指示出平均计数率。该仪器对低于0.3MeV的γ射线，能量依赖性特别严重。在很强的辐射场中，由于计数率太大而发生“饱和”，电路不能正常工作，表头反而指示为零。要注意，太强的辐射极易损坏计数管。

（3）闪烁计数器 闪烁计数器也部分地用于检测场所照射量或者物质吸收量。把闪烁检头同放大器、计数率表等连接组成巡测仪器。主要检测对象是低水平的γ射线、中子等辐射。灵敏度比G-M巡测计高，时间响应快。但是对能量的依赖性限制了它在强辐射场中应用，一般检测照射量小于5mR/h。

3.个人剂量监测仪器

个人剂量监测仪器的探测器件通常佩戴在人体身上，以监测个人受到的总照射量或者组织的吸收剂量。当X或γ辐射的空气吸收剂量率超过某一预定值或预定范围时，携带式X、γ辐射剂量监测仪通常便发出可见的或声音的报警信号。

（1）个人剂量笔 个人剂量笔（个人剂量计）实际上是一种直读式袖珍电离室，又称为携带剂量表。

（2）盖革·弥勒计数器 一种充气计数器，在每一脉冲的量值与激发它的离子数无关的条件下工作。

（3）热释光剂量计 利用某些材料受辐射诱发可增强发光的性质，制成的一种个人辐射剂量计。该剂量计具有较高的灵敏度和精度，可重复使用，体积小，有代替胶片剂量计的趋势。

（4）半导体探测器 由加有适当电压的半导体二极管所组成的探测器。在二极管中，入射致电离粒子所产生的瞬时导电性，可给出一电荷脉冲输出。

（5）闪烁计数器 可对在荧光材料中由致电离辐射所产生的闪烁进行检出和测量的一种计数器。这种探测器灵敏度很高，不仅可以满足日常防护监测的要求，而且可以用于探测140很微量的射线。

按照GB/T17150—1997《放射卫生防护监测规范 第1部分：工业X射线探伤》的规定，用于放射防护监测的仪器每年至少由法定计量部门检定一次。有效期内的监测仪器经可能涉及计量刻度的重大维修后，必须重新进行检定。

【任务实施】

一、监测布点

根据辐射监测与辐射防护设计等相关国家标准要求，针对现场环境条件与工程技术内容，为全面准确地反映对射线仪器、对环境产生的放射性污染与对工作人员所产生的辐照剂量，确定固定监测点与日常检测的布点数量、测量种类与测量频率。

1.γ辐射连续监测

采用1台RAM-I型X、γ辐射报警仪为工作人员提供辐射安全监测与事故报警，探测器固定安装在射线机附近5cm处，主机安装在远离射线机至少10m的安全位置的1.5m高（人可观察显示计数）的墙壁上。

2.射线机表面剂量率定期巡测与应急检测

采用1台便携式辐射剂量率仪对射线机表面剂量率进行定期巡视监测与事故后应急检测，同时与1台固定式剂量报警仪的工作状态实现互补，在检修情况与事故情况下尤其必要。

3.个人剂量监测

采用3台电子个人剂量报警仪，用于工作人员佩戴，每次工作完成，必须记录放射性操作人员的辐射剂量值，以便建立个人档案，确保个人安全，这也是职业卫生安全的要求。

4.个人卫生防护

长输管道工作人员的个人防护除一般必须配备的普通工作服、手套、鞋、帽外，在放射源意外事故或设备检修情况下，工作人员必须穿戴专业防护铅衣或防护服。

5.辐射监测计划的制订

根据具体情况与国家标准要求制定监测方案和计划，包括测量内容、测量时间与测量频率，填写表格。

二、监测方法

1.γ辐射场监测

采用γ辐射剂量率仪对所有区域的γ辐射场进行巡测。

2.个人剂量监测

γ外照射个人剂量的监测、γ外照射实时个人剂量监测均按照国家标准要求执行。

三、施工人员职业安全监测与剂量估算

1.职业照射剂量限制

在工程实施中避免一切可以避免的照射，就可以确保工作人员在满意的工作条件下从事工作，使工作人员的受照保持在可合理达到的尽量低的水平，其剂量不超过规定的限值。规定在整个工程中，工作人员个人的年总有效剂量不超过50mSv，非职业照射在1mSv/年的水平内。

2.监测的类型

该监测类型可按场所监测和个人监测执行，场所监测是对工作场所的辐射水平进行的监测，个人监测是对工作人员所受的外照射剂量的监测。

3.剂量估算与辐射安全评价

个人有效剂量、集体有效剂量是该状况的主要评价量。按有关标准和剂量估算方法，可将测量结果换算为工作人员所受的有效剂量，并以此进行评价。