γ射线仪表在化工厂应用中的辐射认识

钱耀东+杨季+房江

摘 要：本文从实际应用角度出发，对γ射线仪表涉及到的基本辐射知识做了简单归纳，以便使γ射线仪表使用者对辐射半衰期及活度、辐射剂量及单位、标准及安全量值、辐射对人体的作用、以及如何应对化工现场的辐射等方面有一个比较直观的认识。

关键词：γ射线仪表；衰变；辐射剂量；辐射标准；应对

1 化工厂γ射线仪表的概况

化工现场所用的γ射线仪表主要包括γ射线料位计、γ射线密度计、测厚计、核子秤等。γ射线仪表是利用放射性同位素衰变时释放出的γ射线进行测量的仪表，属于含密封源仪表。放射性同位素一般为钴-60（Co-60）或铯-137（Cs-137）。

钴-60会透过β衰变放出能量高达315 keV的高速电子成为镍-60，并放出两束伽马射线，其能量分别为1.17及1.33 MeV，半衰期5.27年[1]。

铯-137大约95%通过贝塔衰变为barium-137m1 （137m1Ba， Ba-137m1），其他约5%直接衰变为稳定的barium-137。 Ba-137m1的半衰期为153秒，并放出伽玛射线（这是铯-137放射源的全部伽玛射线来源）[2]， 射线能量为0.662MeV[3]264。铯-137的半衰期为30.17年 [4]。

目前还没有专门介绍化工γ射线仪表辐射知识的相关文献，很多著作教材的内容也都比较笼统而广泛，在使用过程中，很多使用者对γ射线仪表的辐射知识一知半解，不知道多大的辐射量、多远的辐射距离是安全的。为了使γ射线仪表的使用者迅速直观地掌握辐射知识，因此有必要对γ射线仪表涉及到的基本辐射知识进行归纳，令使用者能对辐射半衰期及活度、辐射剂量及单位、标准及安全量值、辐射对人体的作用、以及如何应对化工现场的辐射等各方面有一个比较直观的认识。

2 衰变、半衰期、活度[3]16-19

在自然界，放射性物质的衰变一般都是随机发生的，不可能确切地预测到哪一个原子即将发生衰变，但是如果大量的原子被看作为一个整体，那么衰变过程就遵循明确的统计规律，称为放射性衰变规律，用下式表达：

N=N0e-λT （1）

式中：N0——T=0时放射性原子核的数目；

T——衰变时间；

λ——衰变常数；

N——经过衰变时间T放射性原子核的数目；

若N是N0的一半，即N= N0/2那么T就是半衰期，因此将上式进行推导，可得出计算半衰期的公式：

T= （2）

活度（用A表示）是指放射性物质单位时间内发生衰变的个数。活度的单位是贝可[勒尔]（Bq），1Bq表示每秒内发生一次衰变。活度的老单位是居里（Ci），1Ci=3.7×1010Bq。

放射性核素的活度与其含有的不稳定核子数成正比，如下式：

A=λN （3）

式中：A——活度；

λ——衰变常数；

N——剩余的原子核数目；

根据式（1），因此活度的变化可以表示为：

A=A0e-λT （4）

3 辐射剂量及其单位的认识

1937年在芝加哥召开的ICRU（国际辐射单位与测量委员会）会议确定，X射线的量或剂量的国际单位称作“伦琴”，用符号“R”表示。这次会议把以伦琴为单位的X射线的量称作剂量。这就是“剂量”这一概念的由来。自1962年以来，所谓“剂量”，实际上指的是吸收剂量[5]36。

吸收剂量是当电离辐射与物质相互作用时，用来表示单位质量的物质吸收电离辐射能量大小的物理量，用“D”表示，SI单位为焦耳每千克（J/kg），单位的专门名称为戈瑞，简称戈，用符号Gy表示。1戈=1焦耳/千克。吸收剂量率表示单位时间内吸收的剂量，符号为D（·），SI单位为焦耳/千克/秒，单位专门名称为戈每秒，用符号戈/秒（Gy/s）表示[5]37-38。

照射量是表示X或γ射线在空气中产生电离大小的物理量，用X表示，SI单位为库仑每千克（C/kg），与它暂时并用的专用单位是伦琴（R）。1伦琴=2.58×10-4库仑/千克。照射率（亦称照射量率）是单位时间内的照射量，符号为X（·），SI单位为库仑每千克秒，用符号库仑/千克·秒（C/kg·s）表示[5]47-49。

由于同样剂量的射线在空气中的照射量，被空气吸收的能量，与在肌肉、骨骼组织吸收的能量是不一样的，这由光子能量所决定，根据我们接触到的γ射线（钴-60能量为1.17及1.33 MeV，铯-137能量为0.662MeV），照射量率為1伦琴/小时的γ射线在肌肉中的吸收剂量率相当于大约9.5×10-3戈/小时（0.95拉德/小时）[5]50-51。

一般说来，某以吸收剂量产生的生物效应与射线的种类、能量及照射条件有关。即使受相同数量的吸收剂量照射，因射线种类和辐照条件不同，其所致的生物效应无论其严重程度还是其发生的几率皆不相同。为了统一表示各种射线对机体的危害程度，在辐射防护上，采用了剂量当量的概念。用适当的修正因数对吸收剂量进行加权，使得修正后的吸收剂量能更好地和辐射所引起的有害效应联系起来。定义为：在组织内所关心的一点上的D，Q和N的乘积，公式表示如下：

H=DQN

式中，

H——剂量当量，SI单位为焦耳每千克，单位的专门名称为西弗，用符号Sv表示。

1西弗=1焦耳/千克。

D——吸收剂量（戈）。

N——所有其他修正因素的乘积。它反映了吸收剂量的不均匀的空间与时间分布等因素。ICRP（国际辐射防护委员会）指定N=1。

Q——品质因数。[5]52

品质因数和射线的种类、能量、受照条件有关，我们只需记住钴-60与铯-137释放出的γ射线品质因数为1即可。

4 天然辐射及其他辐射

在人类生活的周围环境中，无处不在地充满着来自天然放射性物质和其他天然源的电离辐射。事实上，即使到了人工辐射源广泛应用的今天，天然辐射源仍然是正常情况下人类所受到辐射照射的主要来源。近半个多世纪以来，由于人类生产、生活等活动所引起的天然辐射源对人类照射有升高。天然照射来自地球上天然放射性物质和其他天然源的辐射，后者主要是宇宙射线及其感生放射性[6]51。

5 辐射标准及有效剂量认识

GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中规定，职业照射剂量限值为：由审管部门决定的连续5年的年平均有效剂量20mSv，任何一年中的有效剂量为50mSv；公众照射剂量限值为：年有效剂量1mSv，特殊情况下如果5个连续年的平均剂量不超过1mSv，则某一单一年份的有效剂量可提高到5mSv [7]。此剂量限值同于ICRP60号报告中的规定。

GBZ 125-2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》中规定，不同使用场所对检测仪表外围辐射的剂量控制要求如下表[8]：

在γ射线料位计所在场合一般按照“对人员的活动范围不限制”或“在距源容器外表面1m的区域内很少有人停留”的场所剂量当量率要求控制值，考虑到辐射防护的正当性及实际实用性，使用后者较多。

对场所有效剂量可以这样近似计算，若γ射线料位计的使用者在2.5μSv/h剂量当量率的环境下每天工作1小时，以一年为250个工作日，共250小时，年剂量为

2.5μSv/h×250小时=0.625mSv

注：其他剂量当量率环境均可类似计算。但由于衰变的统计涨落，实际工作中某一处并没有固定到某个剂量的当量率，人员所处位置也不是固定在某个剂量当量率的环境下。有效剂量的精确计算还需考虑辐射权重因子、器官或组织的权重因子。

0.625mSv的剂量接近公众年有效剂量1mSv，而每天连续在2.5μSv/h剂量当量率环境下工作1小时的情况几乎不存在。只有职业工作人员可能存在，但也不是每天都如此。职业工作人员若以每年在2.5μSv/h剂量当量率的环境下工作100小时计算，年有效剂量也只有0.25 mSv。当然职业工作人员也有可能在大于25μSv/h剂量当量率的环境下工作，则应严格执行职业照射剂量限值。

6 γ射线与探测器及人体的作用

探测器探测γ射线的原理主要是探测器内部的闪烁体遇到γ射线之后发生光电效应，释放出电子形成电流，电流的变化经过放大、运算，就可以探测闪烁体所在之处的射线量的变化，换算成物料数值显示出来。

电离辐射产生多种类型的生物效应，就放射防护而言，主要包括两种类型的效应：确定性效应和随机性效应。确定性效应主要指因细胞丢失导致的组织或器官功能失常或功能丧失，这些效应由大剂量照射引起，并且对它们来说存在阈剂量。随机性效应包括癌症以及由动物实验结果所推论的遗传疾患的增加，它们可能在受照后很久才显现出来，没有剂量阈值，其发生率与剂量成正比[6]36。

在辐射防护剂量范围内，从几mGy（空气中γ射线产生的剂量当量率数值等同于mSv）至大约几十mGy，并不会产生明显的生物效应[6]46。化工现场密封放射源仪表的表面剂量当量率都是μSv/h量级的，有效剂量几乎不可能达到几mGy。化工现场的放射源一般都使用IV、V类源，国家环保总局公告2005年第62号附件放射源分类规定，IV类源属于低危险源，基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤；V类源为极低危险源，不会对人造成永久性损伤。

7 如何应对化工核仪表中的辐射

国务院令第449号《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》规定，生产、销售、使用放射性同位素和射线装置的单位，应当对直接从事生产、销售、使用活动的工作人员进行安全和防护的知识教育培训，并进行考核。

国家环境保护总局31号《放射性同位素与射线装置安全许可管理办法》规定，对使用IV、V类源的单位，按规定应当配备大专以上学历的技术人员专职或兼职负责辐射安全与环境保护管理工作，还应当对辐射工作人员进行辐射安全和防护知识及相关法律法规的培训考核，并配有安全措施、防护用品和监测仪器、操作规程、使用登记制度、应急措施、固废处理方案。

现场工作中，应对γ射线有三条路径：时间、距离、屏蔽，在辐射环境下时间越短有效剂量越少，同样时间下距离越远有效剂量越少，屏蔽效果越好有效剂量越少。

可以对比一下前文工业现场年有效剂量0.625mSv与天然本底辐射剂量2.4mSv，后者是前者的将近4倍。0.625mSv是根据GB18871-2002中公众年有效剂量1mSv的限值，尽量较高地估计了γ射线料位计使用者的年剂量，可见实际使用γ射线仪表中，工业现场的辐射年累积剂量并不是多可怕。当然使用γ射线料位计等辐射类型的仪表，需要专业的知识及操作技能，相关使用者需经过辐射知识与辐射操作的培训方可上岗，也可以委托有资质的专业单位对辐射类仪表进行维护工作。

8 结束语

化工厂所的γ射线仪表使用的同位素一般为钴-60或铯-137，它们在衰变时释放出γ射线，通过对衰变、半衰期、活度、剂量、天然辐射和人工辐射的介绍，可初步了解辐射。引出辐射国家标准中的相关规定，对有效剂量进行近似计算，可进一步了解到化工现场的辐射有效剂量。对射线与探测器及生物体的作用介绍，并引出法规对IV、V类源的分类，可进一步了解到IV类、V类放射源基本不会对人造成永久性损伤，只可能造成可恢复的临时性损伤。使用者应当遵守国家标准相关规定，严格执行时间尽可能少、距离尽可能长、屏蔽尽可能好，且具有专业知识和操作技能，或委托有资质的专业单位对辐射类仪表进行维护工作。

参考文献

[1] Gamma Irradiators For Radiation Processing[R]. Vienna：INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY， 2005.

[2] Nuclide Half-Life Measurements[R]. NIST， Retrieved 13 March 2011.

[3] 王建龍，何仕均等.辐射防护基础教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4] National Institute of Standards and Technology. Radionuclide Half-Life Measurements.2011.