外照射劑量學(xué)

電離輻射由高能亞原子粒子、高速運(yùn)動(dòng)的離子或原子以及有高能電磁波譜的電磁波組成。典型的粒子包括α粒子、β粒子和中子。幾乎所有的放射性衰變產(chǎn)物都是去離子化的，因?yàn)榉派渌プ冡尫诺哪芰恳h(yuǎn)高于電離所需能量。

宇宙射線和放射性同位素的衰變是地球天然電離輻射的主要來源，為本底輻射。電離輻射也可以通過X射線管、粒子加速器和多種產(chǎn)生放射性同位素的方式產(chǎn)生。電離輻射通過粒子特性、產(chǎn)生電離效應(yīng)的電磁波進(jìn)行分離，分為直接電離和間接電離。

1 電離輻射

任何帶電的電子如果攜帶足夠動(dòng)能的話可以通過庫倫力相互作用，包括電子、帶電介子、質(zhì)子及去電子的原子核。當(dāng)粒子以相對速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們有足夠的動(dòng)能電離，但相對速度并不是必需的。從原子核中發(fā)射出的氫核稱為α粒子，從原子核中發(fā)射出的電子通常(并不是一直)以相對速度運(yùn)動(dòng)，稱為β粒子。

α粒子由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子組成。α粒子由α衰變釋放出來，只能穿透皮膚或者空氣數(shù)厘米。β粒子是由特定類型的放射性原子核(如40K)釋放出來的高能、高速的電子或正電子。高能β粒子穿過物質(zhì)時(shí)可產(chǎn)生X射線或次級電子(β射線)。當(dāng)屏蔽β發(fā)射器時(shí)，β粒子和屏蔽物質(zhì)之間的相互作用可產(chǎn)生X射線。當(dāng)屏蔽物為高原子序數(shù)時(shí)這種效應(yīng)明顯。因此，β源的屏蔽物采用低原子序數(shù)物質(zhì)。

2 非電離輻射

光子可以通過光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)使原子直接電離。發(fā)射出來的電子(次級β粒子)使其他原子電離。由于大部分原子是與次級β粒子相互作用發(fā)生直接電離，稱為非電離輻射。由核反應(yīng)、次原子粒子衰變或原子核內(nèi)的放射性衰變產(chǎn)生的光子輻射被稱為γ射線。如果在核外產(chǎn)生則稱為X射線。X射線的能量通常比γ射線低，現(xiàn)代技術(shù)及發(fā)現(xiàn)已經(jīng)使得X和γ射線能量相互重疊。光電吸收效應(yīng)是能量在100 keV以下的光子與有機(jī)材料反應(yīng)的主要機(jī)制。這是傳統(tǒng)的X射線管產(chǎn)生的X射線的典型能量。當(dāng)能量在100 keV左右時(shí)，光子通過康普頓效應(yīng)使物質(zhì)電離增加。每個(gè)散射事件中，γ射線將能量傳遞給光子，伴隨著路徑方向改變及能量降低。

中子不帶電荷，它通常不會(huì)在與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)直接發(fā)生電離。但是快中子能與質(zhì)子氫直接發(fā)生反應(yīng)，通過該機(jī)制使快中子與物質(zhì)作用的靶區(qū)域的原子核發(fā)生散射，從而導(dǎo)致氫原子的直接電離。中子撞擊除氫原子核以外的原子核時(shí)，將會(huì)傳遞較少的能量給其它粒子。但對于大多數(shù)被中子撞擊的原子核，將會(huì)發(fā)生非彈性散射。無論彈性還是非彈性散射的發(fā)生，都依賴于中子的能量。此外，還依賴于撞擊的原子核類型及它的中子橫截面。在非彈性散射中，中子因中子捕獲和中子活化而很容易被吸收。中子與大多數(shù)物質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生放射性原子核。

3 劑量學(xué)量和單位

在外照射的放射防護(hù)中運(yùn)用三個(gè)量：物理量可以直接測量，但卻不能直接用于放射防護(hù)的目的；防護(hù)量是由ICRP定義的用于放射防護(hù)目的的量，但它卻不能直接通過物理方法測定出來；實(shí)用量是由ICRU定義的連接物理量和防護(hù)量之間的橋梁，實(shí)用量可以被測量，依據(jù)實(shí)用量獲得的測量值可以用作證明符合劑量限值的要求。

3.1 物理量

物理量中粒子注量、比釋動(dòng)能和吸收劑量與輻射防護(hù)相關(guān)。物理量和防護(hù)量及實(shí)用量之間的關(guān)系可以通過劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)聯(lián)系起來。

粒子注量和比釋動(dòng)能及吸收劑量的定義是由ICRU建立的。注量是中子一個(gè)電子(β)輻射最主要關(guān)注的量。粒子注量的國際制單位是每平方米(m-2)，當(dāng)然，現(xiàn)在cm-2也普遍使用。

比釋動(dòng)能描述的是致電離粒子在很小一部分質(zhì)量中沉積的動(dòng)能。比釋動(dòng)能的值與動(dòng)能沉積的物質(zhì)有關(guān)。出于輻射防護(hù)的目的，在建立轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)，我們主要以大氣作為參照。比釋動(dòng)能的國際制單位是J/kg，或Gy。

吸收劑量是指每單位體積質(zhì)量中傳遞(沉積)的平均能量。它的單位也是J/kg，或Gy。

3.2 防護(hù)量

防護(hù)量不能直接測量，那些定義它的量是可以測量的，即用于個(gè)人監(jiān)測的量及由工作場所或區(qū)域監(jiān)測的量。代表個(gè)人監(jiān)測的量是個(gè)人劑量當(dāng)量。用于區(qū)域監(jiān)測的量有周圍劑量當(dāng)量和定向劑量當(dāng)量，選擇何種合適的量取決于輻射的滲透特性。實(shí)用量采用組織相似性模體。區(qū)域監(jiān)測量采用30 cm直徑的球體的模體，個(gè)人劑量當(dāng)量采用不同的模體(平板或球體)。為了模擬軟組織，采用的材料中含H、C、N、O分別為10.1%、11.1%、2.6%、76.2%。

周圍劑量當(dāng)量介紹的是輻射場的特性，方向性和擴(kuò)展性。方向性指輻射場是從一個(gè)方向來的平行場，擴(kuò)展性指輻射場足夠?qū)捘芡耆亚蝮w覆蓋住。周圍劑量當(dāng)量主要用于強(qiáng)的貫穿輻射，推薦深度10 mm，代表體內(nèi)造血器官。定向劑量當(dāng)量取決于輻射發(fā)生的角度，這個(gè)量用于弱的貫穿輻射，推薦深度為7 mm，對應(yīng)于人體表皮。

個(gè)人劑量當(dāng)量可用于貫穿輻射和弱貫穿輻射。對于區(qū)域量，深度10 mm和7 mm分別代表貫穿和非貫穿輻射，深度0.3 mm代表著眼晶體。

4 與輻射事故有關(guān)的劑量測定技術(shù)

輻射事故不常發(fā)生，但一旦發(fā)生將會(huì)導(dǎo)致一些健康效應(yīng)，永久的身體缺陷，甚至死亡。在大多數(shù)事故中，過度照射的受害者沒有佩戴任何個(gè)人劑量計(jì)，因此，有必要采取一些互補(bǔ)的方法盡可能準(zhǔn)確的測定受害者接受的劑量。

內(nèi)科醫(yī)生可以通過劑量來評價(jià)輻射誘導(dǎo)損傷的程度，從而制定治療方案。劑量學(xué)的目的在于評估劑量及體內(nèi)的劑量分布。由于每次事故都是獨(dú)特的(源的類型、射線的類型、能量、暴露的時(shí)間、情景等)，因此，劑量的評估可以通過互補(bǔ)的方法完成。事故嚴(yán)重性的評估可以通過臨床觀察(癥狀學(xué))、生物劑量測定(DNA的錯(cuò)誤修復(fù))和物理劑量測定。物理劑量學(xué)測定中有兩種技術(shù)可用于事故照射，即通過某種物質(zhì)對受照者進(jìn)行劑量測定的劑量學(xué)測定方法，及通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù)的劑量重建方法。

通過某種物質(zhì)對受照者進(jìn)行劑量測定的劑量學(xué)測定方法可以通過發(fā)光技術(shù)進(jìn)行。由于吸收了輻射能，一些物質(zhì)(含晶狀體結(jié)構(gòu))保留了部分能量從而成為亞穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)這種能量以紫外線、可見光或紅外線的形式釋放出來，這種現(xiàn)象稱為發(fā)光。如果激發(fā)劑是熱的，這種現(xiàn)象稱為熱釋光，這種材料稱為熱釋光材料(TL)，當(dāng)用于劑量測定的目的稱為熱釋光劑量計(jì)(TLD)。當(dāng)激發(fā)劑是光，這種現(xiàn)象稱為光釋光(OSL)。光釋光法可以通過移動(dòng)電話的電子元件(檢測限值100 mGy)完成，熱釋光法可以通過移動(dòng)電話的屏幕玻璃(檢測限值400 mGy)完成。

通過某種物質(zhì)對受照者進(jìn)行劑量測定的劑量學(xué)測定方法還可以通過電子自旋共振技術(shù)(ESR)完成。ESR劑量測定在于量化由輻射誘發(fā)的自由基，自由基的量與受測樣本的吸收劑量相對應(yīng)。這種方法作為其他技術(shù)的互補(bǔ)方法(光子照射)在評估輻射事故受害者的吸收劑量上已經(jīng)成功運(yùn)用了超過30 a。這種技術(shù)主要用在牙釉質(zhì)或骨骼的活組織檢測、糖類檢測(敏感性和穩(wěn)定性高)上。ESR測定方法通過牙釉質(zhì)的活組織檢測(間接體內(nèi)法)是一種敏感度和穩(wěn)定性高的方法，但對牙齒有傷害。通過骨骼的活組織檢測方法敏感度較低，但它對局部照射或非均勻分布照射更有針對性。

通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行劑量重建。實(shí)驗(yàn)技術(shù)基于運(yùn)用物理模體，將小的劑量計(jì)插入模體的不同部位從而測定外照射劑量。這類模體包括RANDO模體和ATOM模體。這類方法也有一些限制，實(shí)際上，需要知道事故的準(zhǔn)確情況從而在實(shí)驗(yàn)室或在現(xiàn)場復(fù)制事故的發(fā)生順序，而事故的準(zhǔn)確情況通常不是能夠很容易了解的。

通過數(shù)值模擬進(jìn)行劑量重建?；谟?jì)算機(jī)模型及蒙特卡羅計(jì)算方法。計(jì)算機(jī)人體模型是基于人體模型的計(jì)算機(jī)分析方法。隨著電腦及模體技術(shù)不斷提高，如今的模體已經(jīng)發(fā)展為能應(yīng)對各種各樣的人，兒童、青少年、成人，男性、女性，甚至是孕婦。

蒙特卡羅方法是基于數(shù)學(xué)或物理問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模擬的數(shù)值或?qū)嶒?yàn)方法，主要是通過隨機(jī)序列進(jìn)行模擬。這種方法是對遵循概率律的隨機(jī)過程進(jìn)行評估。在一次蒙特卡羅模擬中，每個(gè)任務(wù)根據(jù)估計(jì)的范圍選取一個(gè)隨機(jī)值，根據(jù)隨機(jī)值進(jìn)行計(jì)算，然后記錄下結(jié)果，再次重復(fù)該過程。一次典型的蒙特卡羅模擬需要經(jīng)歷成百上千次的模型計(jì)算，每次使用不同的隨機(jī)選擇數(shù)值。

5 工業(yè)領(lǐng)域的輻射事故

在工業(yè)領(lǐng)域，可發(fā)生兩種類型的事故照射，輻照器引發(fā)的事故照射及工業(yè)輻照源引發(fā)的事故照射。

輻照器是γ輻照設(shè)備和電子束設(shè)備。造成輻射事故的原因主要有原設(shè)計(jì)的缺陷、缺乏有效的安全系統(tǒng)、不按安全規(guī)章操作、操作人員缺乏充分培訓(xùn)。

工業(yè)輻照源是通過非破壞性試驗(yàn)檢測元件或產(chǎn)品的質(zhì)量。它最常用于石油/天然氣工業(yè)中金屬加工的質(zhì)量控制。這些設(shè)備運(yùn)用輻射源的電離輻射(主要是192Ir和60Co)。因此，它的設(shè)備設(shè)計(jì)和工序必須要注重工作人員和公眾的保護(hù)。

導(dǎo)致事故的主要原因是管理和安全文化的缺乏或不足。

曾報(bào)道過幾起輻射器所致事故，如2006年比利時(shí)，2011年保加利亞。工業(yè)輻照源所致事故，如2005年智利，2006年阿比讓，2009年厄瓜多爾，2001年格魯吉亞，2012年秘魯。

6 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的輻射事故

6.1 體外近距離放射治療

從輻射安全看，放射治療是獨(dú)特的，因?yàn)椋俏ㄒ坏倪\(yùn)用輻射源人為的給予人體較高的照射劑量，除了腫瘤組織，自身的健康組織也會(huì)受到同腫瘤組織相當(dāng)?shù)膭┝俊?/p>

體外放射治療事故可能與下列因素有關(guān)：設(shè)備設(shè)計(jì)、射線校準(zhǔn)、設(shè)備維護(hù)、治療計(jì)劃、劑量計(jì)算、治療計(jì)劃的設(shè)置和傳輸。

近距離放射治療事故可能與下列因素有關(guān)：設(shè)備設(shè)計(jì)、源的訂購和傳輸、源的校準(zhǔn)、治療源的準(zhǔn)備、治療計(jì)劃、劑量計(jì)算和源的移動(dòng)。

事故報(bào)道，2000年巴拿馬，2001年波蘭。

6.2 介入和心臟介入治療

對于所有放射過程，隨機(jī)效應(yīng)是一種潛在結(jié)果。低劑量對應(yīng)的低風(fēng)險(xiǎn)很難被察覺，但在人類研究中，首要原則是避免不必要的照射或事故照射。確定性效應(yīng)有閾值。然而，介入治療的技術(shù)難題可能會(huì)導(dǎo)致患者受到較高劑量從而導(dǎo)致確定性效應(yīng)(尤其是皮膚損傷)。

在醫(yī)療實(shí)踐中，將病人暴露于射線中從而獲得有價(jià)值的診斷信息是可接受的。但是，長時(shí)間的透視過程會(huì)導(dǎo)致病人皮膚受到較高劑量，可能會(huì)引起確定性效應(yīng)，還會(huì)增加病人和醫(yī)務(wù)工作者隨機(jī)效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

事故報(bào)告，心臟介入治療過程中受到過量事故照射，2011年法國。

7 臨界事故

一次臨界事故是一次不受控的核連鎖反應(yīng)，具有以下特征：

(1) 高強(qiáng)度的混合場；

(2) 持續(xù)時(shí)間從數(shù)微秒到數(shù)小時(shí)；

(3) 體內(nèi)劑量的異質(zhì)性；

(4) 受反應(yīng)環(huán)境的影響。

臨界事故的劑量測量需要專門的技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的用于輻射保護(hù)的測量技術(shù)，這些專門的技術(shù)能分別測量γ射線和中子成分的劑量。用于存在臨界事故風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備設(shè)施的劑量測量系統(tǒng)所具備的要求：

(1) 是劑量積分器，并且不受劑量率(最高105Gy/s)的影響。

(2) 劑量測定范圍0.1～10 Gy。

(3) 評估和考慮受照者在輻射場中的方向。

事故報(bào)道，1999年日本東海村。

本文內(nèi)容源于IAEA、WHO相關(guān)技術(shù)叢書。