γ射線儀表在化工廠應(yīng)用中的輻射認(rèn)識(shí)

錢(qián)耀東+楊季+房江

摘 要：本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)γ射線儀表涉及到的基本輻射知識(shí)做了簡(jiǎn)單歸納，以便使γ射線儀表使用者對(duì)輻射半衰期及活度、輻射劑量及單位、標(biāo)準(zhǔn)及安全量值、輻射對(duì)人體的作用、以及如何應(yīng)對(duì)化工現(xiàn)場(chǎng)的輻射等方面有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：γ射線儀表；衰變；輻射劑量；輻射標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)對(duì)

1 化工廠γ射線儀表的概況

化工現(xiàn)場(chǎng)所用的γ射線儀表主要包括γ射線料位計(jì)、γ射線密度計(jì)、測(cè)厚計(jì)、核子秤等。γ射線儀表是利用放射性同位素衰變時(shí)釋放出的γ射線進(jìn)行測(cè)量的儀表，屬于含密封源儀表。放射性同位素一般為鈷-60（Co-60）或銫-137（Cs-137）。

鈷-60會(huì)透過(guò)β衰變放出能量高達(dá)315 keV的高速電子成為鎳-60，并放出兩束伽馬射線，其能量分別為1.17及1.33 MeV，半衰期5.27年[1]。

銫-137大約95%通過(guò)貝塔衰變?yōu)閎arium-137m1 （137m1Ba， Ba-137m1），其他約5%直接衰變?yōu)榉€(wěn)定的barium-137。 Ba-137m1的半衰期為153秒，并放出伽瑪射線（這是銫-137放射源的全部伽瑪射線來(lái)源）[2]， 射線能量為0.662MeV[3]264。銫-137的半衰期為30.17年 [4]。

目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)介紹化工γ射線儀表輻射知識(shí)的相關(guān)文獻(xiàn)，很多著作教材的內(nèi)容也都比較籠統(tǒng)而廣泛，在使用過(guò)程中，很多使用者對(duì)γ射線儀表的輻射知識(shí)一知半解，不知道多大的輻射量、多遠(yuǎn)的輻射距離是安全的。為了使γ射線儀表的使用者迅速直觀地掌握輻射知識(shí)，因此有必要對(duì)γ射線儀表涉及到的基本輻射知識(shí)進(jìn)行歸納，令使用者能對(duì)輻射半衰期及活度、輻射劑量及單位、標(biāo)準(zhǔn)及安全量值、輻射對(duì)人體的作用、以及如何應(yīng)對(duì)化工現(xiàn)場(chǎng)的輻射等各方面有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí)。

2 衰變、半衰期、活度[3]16-19

在自然界，放射性物質(zhì)的衰變一般都是隨機(jī)發(fā)生的，不可能確切地預(yù)測(cè)到哪一個(gè)原子即將發(fā)生衰變，但是如果大量的原子被看作為一個(gè)整體，那么衰變過(guò)程就遵循明確的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，稱(chēng)為放射性衰變規(guī)律，用下式表達(dá)：

N=N0e-λT （1）

式中：N0——T=0時(shí)放射性原子核的數(shù)目；

T——衰變時(shí)間；

λ——衰變常數(shù)；

N——經(jīng)過(guò)衰變時(shí)間T放射性原子核的數(shù)目；

若N是N0的一半，即N= N0/2那么T就是半衰期，因此將上式進(jìn)行推導(dǎo)，可得出計(jì)算半衰期的公式：

T= （2）

活度（用A表示）是指放射性物質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的個(gè)數(shù)?；疃鹊膯挝皇秦惪蒣勒爾]（Bq），1Bq表示每秒內(nèi)發(fā)生一次衰變。活度的老單位是居里（Ci），1Ci=3.7×1010Bq。

放射性核素的活度與其含有的不穩(wěn)定核子數(shù)成正比，如下式：

A=λN （3）

式中：A——活度；

λ——衰變常數(shù)；

N——剩余的原子核數(shù)目；

根據(jù)式（1），因此活度的變化可以表示為：

A=A0e-λT （4）

3 輻射劑量及其單位的認(rèn)識(shí)

1937年在芝加哥召開(kāi)的ICRU（國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)）會(huì)議確定，X射線的量或劑量的國(guó)際單位稱(chēng)作“倫琴”，用符號(hào)“R”表示。這次會(huì)議把以倫琴為單位的X射線的量稱(chēng)作劑量。這就是“劑量”這一概念的由來(lái)。自1962年以來(lái)，所謂“劑量”，實(shí)際上指的是吸收劑量[5]36。

吸收劑量是當(dāng)電離輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，用來(lái)表示單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收電離輻射能量大小的物理量，用“D”表示，SI單位為焦耳每千克（J/kg），單位的專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)為戈瑞，簡(jiǎn)稱(chēng)戈，用符號(hào)Gy表示。1戈=1焦耳/千克。吸收劑量率表示單位時(shí)間內(nèi)吸收的劑量，符號(hào)為D（·），SI單位為焦耳/千克/秒，單位專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)為戈每秒，用符號(hào)戈/秒（Gy/s）表示[5]37-38。

照射量是表示X或γ射線在空氣中產(chǎn)生電離大小的物理量，用X表示，SI單位為庫(kù)侖每千克（C/kg），與它暫時(shí)并用的專(zhuān)用單位是倫琴（R）。1倫琴=2.58×10-4庫(kù)侖/千克。照射率（亦稱(chēng)照射量率）是單位時(shí)間內(nèi)的照射量，符號(hào)為X（·），SI單位為庫(kù)侖每千克秒，用符號(hào)庫(kù)侖/千克·秒（C/kg·s）表示[5]47-49。

由于同樣劑量的射線在空氣中的照射量，被空氣吸收的能量，與在肌肉、骨骼組織吸收的能量是不一樣的，這由光子能量所決定，根據(jù)我們接觸到的γ射線（鈷-60能量為1.17及1.33 MeV，銫-137能量為0.662MeV），照射量率為1倫琴/小時(shí)的γ射線在肌肉中的吸收劑量率相當(dāng)于大約9.5×10-3戈/小時(shí)（0.95拉德/小時(shí)）[5]50-51。

一般說(shuō)來(lái)，某以吸收劑量產(chǎn)生的生物效應(yīng)與射線的種類(lèi)、能量及照射條件有關(guān)。即使受相同數(shù)量的吸收劑量照射，因射線種類(lèi)和輻照條件不同，其所致的生物效應(yīng)無(wú)論其嚴(yán)重程度還是其發(fā)生的幾率皆不相同。為了統(tǒng)一表示各種射線對(duì)機(jī)體的危害程度，在輻射防護(hù)上，采用了劑量當(dāng)量的概念。用適當(dāng)?shù)男拚驍?shù)對(duì)吸收劑量進(jìn)行加權(quán)，使得修正后的吸收劑量能更好地和輻射所引起的有害效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。定義為：在組織內(nèi)所關(guān)心的一點(diǎn)上的D，Q和N的乘積，公式表示如下：

H=DQN

式中，

H——?jiǎng)┝慨?dāng)量，SI單位為焦耳每千克，單位的專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)為西弗，用符號(hào)Sv表示。

1西弗=1焦耳/千克。

D——吸收劑量（戈）。

N——所有其他修正因素的乘積。它反映了吸收劑量的不均勻的空間與時(shí)間分布等因素。ICRP（國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)）指定N=1。

Q——品質(zhì)因數(shù)。[5]52

品質(zhì)因數(shù)和射線的種類(lèi)、能量、受照條件有關(guān)，我們只需記住鈷-60與銫-137釋放出的γ射線品質(zhì)因數(shù)為1即可。

4 天然輻射及其他輻射

在人類(lèi)生活的周?chē)h(huán)境中，無(wú)處不在地充滿著來(lái)自天然放射性物質(zhì)和其他天然源的電離輻射。事實(shí)上，即使到了人工輻射源廣泛應(yīng)用的今天，天然輻射源仍然是正常情況下人類(lèi)所受到輻射照射的主要來(lái)源。近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，由于人類(lèi)生產(chǎn)、生活等活動(dòng)所引起的天然輻射源對(duì)人類(lèi)照射有升高。天然照射來(lái)自地球上天然放射性物質(zhì)和其他天然源的輻射，后者主要是宇宙射線及其感生放射性[6]51。

5 輻射標(biāo)準(zhǔn)及有效劑量認(rèn)識(shí)

GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，職業(yè)照射劑量限值為：由審管部門(mén)決定的連續(xù)5年的年平均有效劑量20mSv，任何一年中的有效劑量為50mSv；公眾照射劑量限值為：年有效劑量1mSv，特殊情況下如果5個(gè)連續(xù)年的平均劑量不超過(guò)1mSv，則某一單一年份的有效劑量可提高到5mSv [7]。此劑量限值同于ICRP60號(hào)報(bào)告中的規(guī)定。

GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》中規(guī)定，不同使用場(chǎng)所對(duì)檢測(cè)儀表外圍輻射的劑量控制要求如下表[8]：

在γ射線料位計(jì)所在場(chǎng)合一般按照“對(duì)人員的活動(dòng)范圍不限制”或“在距源容器外表面1m的區(qū)域內(nèi)很少有人停留”的場(chǎng)所劑量當(dāng)量率要求控制值，考慮到輻射防護(hù)的正當(dāng)性及實(shí)際實(shí)用性，使用后者較多。

對(duì)場(chǎng)所有效劑量可以這樣近似計(jì)算，若γ射線料位計(jì)的使用者在2.5μSv/h劑量當(dāng)量率的環(huán)境下每天工作1小時(shí)，以一年為250個(gè)工作日，共250小時(shí)，年劑量為

2.5μSv/h×250小時(shí)=0.625mSv

注：其他劑量當(dāng)量率環(huán)境均可類(lèi)似計(jì)算。但由于衰變的統(tǒng)計(jì)漲落，實(shí)際工作中某一處并沒(méi)有固定到某個(gè)劑量的當(dāng)量率，人員所處位置也不是固定在某個(gè)劑量當(dāng)量率的環(huán)境下。有效劑量的精確計(jì)算還需考慮輻射權(quán)重因子、器官或組織的權(quán)重因子。

0.625mSv的劑量接近公眾年有效劑量1mSv，而每天連續(xù)在2.5μSv/h劑量當(dāng)量率環(huán)境下工作1小時(shí)的情況幾乎不存在。只有職業(yè)工作人員可能存在，但也不是每天都如此。職業(yè)工作人員若以每年在2.5μSv/h劑量當(dāng)量率的環(huán)境下工作100小時(shí)計(jì)算，年有效劑量也只有0.25 mSv。當(dāng)然職業(yè)工作人員也有可能在大于25μSv/h劑量當(dāng)量率的環(huán)境下工作，則應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行職業(yè)照射劑量限值。

6 γ射線與探測(cè)器及人體的作用

探測(cè)器探測(cè)γ射線的原理主要是探測(cè)器內(nèi)部的閃爍體遇到γ射線之后發(fā)生光電效應(yīng)，釋放出電子形成電流，電流的變化經(jīng)過(guò)放大、運(yùn)算，就可以探測(cè)閃爍體所在之處的射線量的變化，換算成物料數(shù)值顯示出來(lái)。

電離輻射產(chǎn)生多種類(lèi)型的生物效應(yīng)，就放射防護(hù)而言，主要包括兩種類(lèi)型的效應(yīng)：確定性效應(yīng)和隨機(jī)性效應(yīng)。確定性效應(yīng)主要指因細(xì)胞丟失導(dǎo)致的組織或器官功能失?；蚬δ軉适В@些效應(yīng)由大劑量照射引起，并且對(duì)它們來(lái)說(shuō)存在閾劑量。隨機(jī)性效應(yīng)包括癌癥以及由動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果所推論的遺傳疾患的增加，它們可能在受照后很久才顯現(xiàn)出來(lái)，沒(méi)有劑量閾值，其發(fā)生率與劑量成正比[6]36。

在輻射防護(hù)劑量范圍內(nèi)，從幾mGy（空氣中γ射線產(chǎn)生的劑量當(dāng)量率數(shù)值等同于mSv）至大約幾十mGy，并不會(huì)產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng)[6]46?；がF(xiàn)場(chǎng)密封放射源儀表的表面劑量當(dāng)量率都是μSv/h量級(jí)的，有效劑量幾乎不可能達(dá)到幾mGy?；がF(xiàn)場(chǎng)的放射源一般都使用IV、V類(lèi)源，國(guó)家環(huán)?？偩止?005年第62號(hào)附件放射源分類(lèi)規(guī)定，IV類(lèi)源屬于低危險(xiǎn)源，基本不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷，但對(duì)長(zhǎng)時(shí)間、近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復(fù)的臨時(shí)性損傷；V類(lèi)源為極低危險(xiǎn)源，不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷。

7 如何應(yīng)對(duì)化工核儀表中的輻射

國(guó)務(wù)院令第449號(hào)《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》規(guī)定，生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用放射性同位素和射線裝置的單位，應(yīng)當(dāng)對(duì)直接從事生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用活動(dòng)的工作人員進(jìn)行安全和防護(hù)的知識(shí)教育培訓(xùn)，并進(jìn)行考核。

國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局31號(hào)《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》規(guī)定，對(duì)使用IV、V類(lèi)源的單位，按規(guī)定應(yīng)當(dāng)配備大專(zhuān)以上學(xué)歷的技術(shù)人員專(zhuān)職或兼職負(fù)責(zé)輻射安全與環(huán)境保護(hù)管理工作，還應(yīng)當(dāng)對(duì)輻射工作人員進(jìn)行輻射安全和防護(hù)知識(shí)及相關(guān)法律法規(guī)的培訓(xùn)考核，并配有安全措施、防護(hù)用品和監(jiān)測(cè)儀器、操作規(guī)程、使用登記制度、應(yīng)急措施、固廢處理方案。

現(xiàn)場(chǎng)工作中，應(yīng)對(duì)γ射線有三條路徑：時(shí)間、距離、屏蔽，在輻射環(huán)境下時(shí)間越短有效劑量越少，同樣時(shí)間下距離越遠(yuǎn)有效劑量越少，屏蔽效果越好有效劑量越少。

可以對(duì)比一下前文工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)年有效劑量0.625mSv與天然本底輻射劑量2.4mSv，后者是前者的將近4倍。0.625mSv是根據(jù)GB18871-2002中公眾年有效劑量1mSv的限值，盡量較高地估計(jì)了γ射線料位計(jì)使用者的年劑量，可見(jiàn)實(shí)際使用γ射線儀表中，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的輻射年累積劑量并不是多可怕。當(dāng)然使用γ射線料位計(jì)等輻射類(lèi)型的儀表，需要專(zhuān)業(yè)的知識(shí)及操作技能，相關(guān)使用者需經(jīng)過(guò)輻射知識(shí)與輻射操作的培訓(xùn)方可上崗，也可以委托有資質(zhì)的專(zhuān)業(yè)單位對(duì)輻射類(lèi)儀表進(jìn)行維護(hù)工作。

8 結(jié)束語(yǔ)

化工廠所的γ射線儀表使用的同位素一般為鈷-60或銫-137，它們?cè)谒プ儠r(shí)釋放出γ射線，通過(guò)對(duì)衰變、半衰期、活度、劑量、天然輻射和人工輻射的介紹，可初步了解輻射。引出輻射國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)有效劑量進(jìn)行近似計(jì)算，可進(jìn)一步了解到化工現(xiàn)場(chǎng)的輻射有效劑量。對(duì)射線與探測(cè)器及生物體的作用介紹，并引出法規(guī)對(duì)IV、V類(lèi)源的分類(lèi)，可進(jìn)一步了解到IV類(lèi)、V類(lèi)放射源基本不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷，只可能造成可恢復(fù)的臨時(shí)性損傷。使用者應(yīng)當(dāng)遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格執(zhí)行時(shí)間盡可能少、距離盡可能長(zhǎng)、屏蔽盡可能好，且具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)和操作技能，或委托有資質(zhì)的專(zhuān)業(yè)單位對(duì)輻射類(lèi)儀表進(jìn)行維護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)

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