電離輻射類型

阿爾法粒子

α粒子是兩個質子和兩個中子的緊密結合的集合。 它與氦 4 (⁴他）核。 事實上，它在失去大部分動能後的最終命運是捕獲兩個電子並變成氦原子。

發射 α 的放射性核素通常是質量相對較大的原子核。 幾乎所有 α 發射體的原子序數都大於或等於鉛的原子序數（⁸²鉛）。 當原子核通過發射 α 粒子而衰變時，它的原子序數（質子數）和中子數都減少了 238，並且它的原子質量數減少了 XNUMX。 例如，鈾 XNUMX 的 α 衰變 (²³⁸U) 到釷-234 (²³⁴Th）表示為：

左上標是原子質量數（質子數加中子數），左下標是原子序數（質子數），右下標是中子數。

普通 α 發射體發射的 α 粒子的動能在大約 4 到 5.5 MeV 之間。 此類 α 粒子在空氣中的射程不超過約 5 厘米（見圖 1）。 需要能量至少為 7.5 MeV 的阿爾法粒子才能穿透表皮（皮膚的保護層，0.07 毫米厚）。 阿爾法發射器通常不會造成外部輻射危害。 它們只有在進入體內時才是危險的。 因為它們在短距離內儲存能量，α 粒子是高線性能量轉移 (LET) 輻射並且具有大的輻射加權因子； 通常， w _R= 20。

圖 1. 15 米和 760 米處空氣中慢 α 粒子的距離能量輻射

β粒子

β粒子是高能電子或正電子。 （正電子是電子的反粒子。它具有與電子相同的質量和大多數其他性質，但電荷除外，電荷與電子的電荷大小完全相同，但為正。）發射 β 的放射性核素可以具有高或低的原子量。

與原子質量數大致相同的穩定核素相比，質子過多的放射性核素會在原子核中的質子轉化為中子時發生衰變。 當這種情況發生時，原子核會發射一個正電子和一種極輕、非常不相互作用的粒子，稱為中微子。 （中微子和它的反粒子對輻射防護沒有意義。）當它放棄大部分動能時，正電子最終會與電子碰撞，兩者都會湮滅。 產生的湮滅輻射幾乎總是兩個 0.511 keV（千電子伏特）光子，它們在相隔 180 度的方向上傳播。 典型的正電子衰變表示為：

其中正電子用 β 表示⁺ 和 n 的中微子。 請注意，生成的核素與母核素具有相同的原子質量數，並且原子（質子）數比原始核素大 XNUMX，中子數小 XNUMX。

電子捕獲與正電子衰變競爭。 在電子捕獲衰變中，原子核吸收軌道電子並發射中微子。 典型的電子捕獲衰變由下式給出：

當生成的原子核的總能量低於初始原子核時，電子捕獲總是可能的。 然而，正電子衰變需要初始的總能量 原子 大於結果的 原子 超過 1.02 MeV（正電子靜止質量能量的兩倍）。

類似於正電子和電子捕獲衰變，負電子（β ^- ) 與具有大約相同原子質量數的穩定核相比，具有過量中子的核會發生衰變。 在這種情況下，原子核會發射負電子（高能電子）和反中微子。 典型的負電子衰變表示為：

其中負電子由 β 表示 ^- 和反中微子在這裡，由此產生的原子核以犧牲一個質子為代價獲得一個中子，但同樣不會改變其原子質量數。

阿爾法衰變是一種雙體反應，因此阿爾法粒子以離散的動能發射。 然而，β 衰變是一種三體反應，因此 β 粒子會在一定能量範圍內發射。 光譜中的最大能量取決於衰變的放射性核素。 光譜中的平均 β 能量大約是最大能量的三分之一（見圖 2）。

圖 2. 發射的負電子能譜 ³²P

對於氚，典型的最大 β 能量範圍為 18.6 keV (³H) 到 1.71 MeV 磷-32 (³²P）。

空氣中 β 粒子的範圍約為每 MeV 動能 3.65 m。 穿透表皮需要至少 70 keV 能量的 β 粒子。 β 粒子是低 LET 輻射。

伽馬輻射

伽馬輻射是原子核從高能態躍遷到低能態時發出的電磁輻射。 在這種轉變中，原子核中質子和中子的數量不會改變。 在較早的 α 或 β 衰變之後，原子核可能處於較高的能量狀態。 也就是說，伽馬射線通常在 alpha 或 beta 衰變後立即發射。 伽馬射線也可以由中子捕獲和原子核對亞原子粒子的非彈性散射產生。 在宇宙射線中觀察到了最具能量的伽馬射線。

圖 3 是鈷 60 (⁶⁰有限公司）。 它顯示了鎳 60 (⁶⁰Ni) 的 β 衰變後能量分別為 1.17 MeV 和 1.33 MeV ⁶⁰有限公司

圖 3. 放射性衰變方案 ⁶⁰Co

圖 4 是 molybdenum-99 (⁹⁹莫）。 請注意，由此產生的technetium-99 (⁹⁹Tc) 原子核具有持續異常長時間的激發態 (t_½ = 6 小時）。 這樣的激發核稱為 異構體. 大多數激發核態的半衰期在幾皮秒 (ps) 到 1 微秒 (μs) 之間。

圖 4. 放射性衰變方案 ⁹⁹Mo

圖 5 是 arsenic-74 (⁷⁴作為）。 它說明一些放射性核素以不止一種方式衰變。

圖 5. 放射性衰變方案 ⁷⁴作為，說明負電子發射、正電子發射和電子捕獲的競爭過程 (m₀ 是電子的靜止質量）

雖然 α 和 β 粒子在物質中具有確定的範圍，但伽馬射線在穿過物質時會呈指數衰減（忽略材料內散射導致的累積）。 當累積可以忽略時，伽馬射線的衰減由下式給出：

哪裡 我(x) 是作為距離函數的伽馬射線強度 x 進入材料，μ 是質量衰減係數。 質量衰減係數取決於伽馬射線能量和伽馬射線與之相互作用的材料。 許多參考文獻中列出了質量衰減係數值。 圖 6 顯示了在幾何條件良好的情況下物質對伽馬射線的吸收（累積可以忽略）。

圖 6. 在良好幾何條件下鋁和鉛中 667 keV 伽馬射線的衰減（虛線表示多能光子束的衰減）

當寬伽馬射線束與物質相互作用時，就會發生堆積。 由於伽馬射線從直接光束的側面散射到測量設備中，因此材料內各點的測量強度相對於預期的“良好幾何形狀”（窄光束）值有所增加。 堆積的程度取決於光束的幾何形狀、材料和伽馬射線的能量。

當原子核從較高能態轉變為較低能態時，內轉換與伽馬發射競爭。 在內部轉換中，內部軌道電子從原子中射出，而不是原子核發射伽馬射線。 射出的電子直接電離。 當外層軌道電子下降到較低的電子能級以填補射出電子留下的空位時，原子會發射 X 射線。 相對於伽馬發射概率的內部轉換概率隨著原子序數的增加而增加。

X射線

X 射線是電磁輻射，因此與伽馬射線相同。 X 射線和伽馬射線的區別在於它們的來源。 伽馬射線起源於原子核，而 x 射線則來自電子相互作用。 儘管 X 射線的能量通常低於伽馬射線，但這並不是區分它們的標準。 有可能產生比放射性衰變產生的伽馬射線能量高得多的 X 射線。

上面討論的內部轉換是一種 X 射線產生方法。 在這種情況下，產生的 x 射線具有離散能量，等於軌道電子傳輸的能級差。

帶電粒子在加速或減速時會發出電磁輻射。 發射的輻射量與粒子質量的四次方成反比。 因此，在所有其他條件相同的情況下，電子比質子等較重的粒子發射更多的 x 輻射。 X 射線系統通過在許多 kV 或 MV 的大電勢差上加速電子來產生 X 射線。 然後，電子在緻密的耐熱材料（例如鎢 (W)）中快速減速。

從此類系統發射的 X 射線的能量分佈在從大約零到減速前電子擁有的最大動能的光譜範圍內。 通常疊加在這個連續光譜上的是離散能量的 x 射線。 它們是在減速電子電離目標材料時產生的。 當其他軌道電子移動以填補電離後留下的空位時，它們會發射離散能量的 x 射線，類似於內部轉換後發射 x 射線的方式。 他們叫 特點 x 射線，因為它們是靶（陽極）材料的特徵。 有關典型的 X 射線光譜，請參見圖 7。 圖 8 描繪了一個典型的 X 射線管。

圖 7. X 射線光譜說明了當電子填充 W 的 K 殼層中的空穴時產生的特徵 x 射線的貢獻（x 射線的波長與其能量成反比）

X 射線與物質相互作用的方式與伽馬射線相同，但簡單的指數衰減方程式無法充分描述具有連續能量範圍的 X 射線的衰減（見圖 6）。 然而，由於較低能量的 x 射線在穿過材料時比較高能量的 x 射線從光束中移除的速度更快，因此對衰減的描述接近於指數函數。

圖 8. 帶有固定陽極和加熱燈絲的簡化 X 射線管

中子

通常，中子不是作為自然放射性衰變的直接結果而發射的。 它們是在核反應過程中產生的。 核反應堆產生的中子數量最多，但粒子加速器和稱為 (α, n) 源的特殊中子源也可以產生中子。

當核燃料中的鈾 (U) 原子核分裂或裂變時，核反應堆會產生中子。 事實上，中子的產生對於維持反應堆中的核裂變至關重要。

粒子加速器通過將帶電粒子（例如質子或電子）加速到高能量以轟擊目標中的穩定核來產生中子。 中子只是此類核反應產生的粒子之一。 例如，以下反應在加速氘離子轟擊鈹靶的迴旋加速器中產生中子：

與鈹混合的阿爾法發射器是便攜式中子源。 這些 (α, n) 源通過以下反應產生中子：

α粒子的來源可以是釙-210 (²¹⁰寶),
钚 239 (²³⁹Pu)和镅241(²⁴¹是）。

中子通常根據其能量進行分類，如表 1 所示。這種分類有些武斷，可能在不同情況下有所不同。

表 1. 中子按動能分類

存在許多中子與物質相互作用的可能模式，但出於輻射安全目的的兩種主要模式是彈性散射和中子俘獲。

彈性散射是將高能中子還原為熱能的方法。 高能中子主要通過彈性散射相互作用，通常不會引起裂變或通過中子俘獲產生放射性物質。 熱中子主要負責後一種類型的相互作用。

當中子與原子核相互作用並以減少的能量反彈時，就會發生彈性散射。 相互作用的原子核吸收了中子失去的動能。 以這種方式被激發後，原子核很快就會以伽馬輻射的形式放棄這種能量。

當中子最終達到熱能時（之所以這樣稱呼是因為中子與其環境處於熱平衡狀態），它很容易被大多數原子核捕獲。 不帶電荷的中子不會像質子那樣被帶正電的原子核排斥。 當熱中子接近原子核並進入強核力範圍內時，大約為幾個 fm (fm = 10 ^{- 15} 米），原子核俘獲中子。 結果可能是發射光子或其他粒子的放射性核，或者在可裂變核的情況下，例如 ²³⁵你和 ²³⁹Pu，捕獲核可以裂變成兩個更小的原子核和更多的中子。

運動學定律表明，如果彈性散射介質包含大量輕核，中子將更快地達到熱能。 與從重核反彈時相比，從輕核反彈的中子損失了更大比例的動能。 因此，水和含氫材料是減緩中子的最佳屏蔽材料。

單能中子束將在材料中呈指數衰減，服從類似於上面給出的光子方程式。 中子與給定原子核相互作用的概率用數量來描述 橫截面. 橫截面有面積單位。 橫截面的特殊單位是 穀倉 (b)，定義為：

沒有伴隨的伽馬射線和 X 射線，很難產生中子。 通常可以假設，如果存在中子，那麼高能光子也存在。

電離輻射源

原始放射性核素

原始放射性核素在自然界中存在，因為它們的半衰期與地球的年齡相當。 表 2 列出了最重要的原始放射性核素。

表 2. 原始放射性核素

鈾和釷同位素是一長串後代放射性同位素的首領，因此它們也是天然存在的。 圖 9，AC，說明了衰變鏈 ²³²， ²³⁸你和 ²³⁵U，分別。 由於 α 衰變在原子質量數 205 以上很常見，而 α 粒子的原子質量數為 4，因此重核有四個不同的衰變鏈。 這些鏈之一（見圖 9，D），用於 ²³⁷Np，在自然界中不存在。 這是因為它不含原始放射性核素（也就是說，這條鏈中沒有放射性核素的半衰期與地球年齡相當）。

圖 9. 衰變系列（Z = 原子序數；N = 原子質量數）    

 請注意，氡 (Rn) 同位素出現在每條鏈中 (²¹⁹， ²²⁰和 ²²²Rn）。 由於 Rn 是一種氣體，一旦產生 Rn，它就有機會從形成它的基質中逸出到大氣中。 然而，半衰期 ²¹⁹Rn 太短，無法讓大量的 Rn 到達呼吸區。 相對較短的半衰期 ²²⁰Rn 通常比 ²²²嗯。

不包括 Rn，人體外部的原始放射性核素平均每年向人類提供約 0.3 mSv 的有效劑量。 實際年有效劑量差異很大，主要取決於當地土壤中鈾和釷的濃度。 在世界上一些獨居石砂很常見的地方，一個人口的年有效劑量高達約 20 毫希沃特。 在其他地方，例如珊瑚環礁和靠近海邊的地方，該值可能低至 0.03 mSv（見圖 9）。

氡通常與其他天然存在的地面放射性核素分開考慮。 它從土壤滲入空氣。 一旦進入空氣，Rn 會進一步衰變為 Po、鉍 (Bi) 和 Pb 的放射性同位素。 這些後代放射性核素會附著在可能被吸入並困在肺部的塵埃顆粒上。 作為 α 發射體，它們將幾乎所有的輻射能量傳遞到肺部。 據估計，這種暴露造成的年平均肺當量劑量約為 20 毫希沃特。 該肺當量劑量相當於約 2 mSv 的全身有效劑量。 顯然，Rn 及其後代放射性核素是背景輻射有效劑量的最重要貢獻者（見圖 9）。

宇宙射線

宇宙輻射包括撞擊地球大氣層的來自地外的高能粒子（主要是粒子，主要是質子）。 它還包括二次粒子； 主要是光子、中子和介子，由初級粒子與大氣中的氣體相互作用產生。

由於這些相互作用，大氣層起到了抵禦宇宙輻射的屏障作用，這個屏障越薄，有效劑量率就越大。 因此，宇宙射線有效劑量率隨高度增加而增加。 例如，海拔 1,800 米處的劑量率大約是海平面處的兩倍。

由於初級宇宙輻射主要由帶電粒子組成，因此會受到地球磁場的影響。 生活在高緯度地區的人比靠近地球赤道的人接收到更多有效劑量的宇宙輻射。 由於這種影響而發生的變化是有序的
的10％。

最後，宇宙射線有效劑量率根據太陽宇宙射線輸出的調製而變化。 平均而言，宇宙射線對背景輻射全身有效劑量的貢獻約為0.3 mSv。

宇宙放射性核素

宇宙射線在大氣中產生宇宙成因放射性核素。 其中最突出的是氚（³H), 鈹-7 (⁷Be）、碳14（¹⁴C) 和 sodium-22 (²²吶）。 它們是由宇宙射線與大氣氣體相互作用產生的。 宇宙放射性核素提供約 0.01 mSv 的年有效劑量。 這大部分來自 ¹⁴C.

核輻射

從 1940 年代到 1960 年代，發生了大規模的地面核武器試驗。 這種測試產生了大量的放射性物質，並將它們散佈到世界各地的環境中。 餘波. 儘管這些碎片中的大部分已經衰變成穩定的同位素，但仍有少量殘留物將成為未來許多年的輻射源。 此外，繼續偶爾在大氣層中測試核武器的國家也增加了全球庫存。

目前有效劑量的主要沉降物貢獻者是鍶 90（⁹⁰Sr) 和銫 137 (¹³⁷Cs)，兩者的半衰期都在 30 年左右。 放射性塵埃的年平均有效劑量約為 0.05 毫希。

體內放射性物質

天然存在的放射性核素在人體內的沉積主要是由於吸入和攝入空氣、食物和水中的這些物質造成的。 此類核素包括 Pb、Po、Bi、Ra、K（鉀）、C、H、U 和 Th 的放射性同位素。 這些， ⁴⁰K 是最大的貢獻者。 沉積在體內的天然放射性核素對年有效劑量的貢獻約為 0.3 mSv。

機器產生的輻射

在治療藝術中使用 X 射線是暴露於機器產生的輻射的最大來源。 全世界有數百萬台醫用 X 射線系統在使用。 對這些醫用 X 射線系統的平均暴露在很大程度上取決於人群獲得護理的機會。 在發達國家，用於診斷和治療的 X 射線和放射性物質的醫療處方輻射的年平均有效劑量約為 1 毫希沃特。

X 射線是大多數高能物理粒子加速器的副產品，尤其是那些加速電子和正電子的粒子加速器。 然而，適當的屏蔽和安全預防措施加上有限的風險人群使得這種輻射暴露源不如上述源重要。

機制放射性核素

粒子加速器可以通過核反應產生大量不同數量的放射性核素。 加速粒子包括質子、氘核（²H核）、α粒子、帶電介子、重離子等。 目標材料幾乎可以由任何同位素製成。

粒子加速器實際上是正電子發射放射性同位素的唯一來源。 （核反應堆往往會產生富含中子的放射性同位素，這些放射性同位素會因負電子發射而衰變。）它們也越來越多地用於生產短壽命的醫療同位素，尤其是正電子發射斷層掃描 (PET)。

技術增強的材料和消費品

X 射線和放射性物質在大量現代操作中出現，需要和不需要。 表 3 列出了這些輻射源。

表 3. 技術增強型材料和消費品對相關人群有效劑量的來源和估計

資料來源：NCRP 1987。

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