外照射剂量学

电离辐射由高能亚原子粒子、高速运动的离子或原子以及有高能电磁波谱的电磁波组成。典型的粒子包括α粒子、β粒子和中子。几乎所有的放射性衰变产物都是去离子化的，因为放射衰变释放的能量要远高于电离所需能量。

宇宙射线和放射性同位素的衰变是地球天然电离辐射的主要来源，为本底辐射。电离辐射也可以通过X射线管、粒子加速器和多种产生放射性同位素的方式产生。电离辐射通过粒子特性、产生电离效应的电磁波进行分离，分为直接电离和间接电离。

1 电离辐射

任何带电的电子如果携带足够动能的话可以通过库伦力相互作用，包括电子、带电介子、质子及去电子的原子核。当粒子以相对速度运动时，它们有足够的动能电离，但相对速度并不是必需的。从原子核中发射出的氢核称为α粒子，从原子核中发射出的电子通常(并不是一直)以相对速度运动，称为β粒子。

α粒子由两个质子和两个电子组成。α粒子由α衰变释放出来，只能穿透皮肤或者空气数厘米。β粒子是由特定类型的放射性原子核(如40K)释放出来的高能、高速的电子或正电子。高能β粒子穿过物质时可产生X射线或次级电子(β射线)。当屏蔽β发射器时，β粒子和屏蔽物质之间的相互作用可产生X射线。当屏蔽物为高原子序数时这种效应明显。因此，β源的屏蔽物采用低原子序数物质。

2 非电离辐射

光子可以通过光电效应和康普顿效应使原子直接电离。发射出来的电子(次级β粒子)使其他原子电离。由于大部分原子是与次级β粒子相互作用发生直接电离，称为非电离辐射。由核反应、次原子粒子衰变或原子核内的放射性衰变产生的光子辐射被称为γ射线。如果在核外产生则称为X射线。X射线的能量通常比γ射线低，现代技术及发现已经使得X和γ射线能量相互重叠。光电吸收效应是能量在100 keV以下的光子与有机材料反应的主要机制。这是传统的X射线管产生的X射线的典型能量。当能量在100 keV左右时，光子通过康普顿效应使物质电离增加。每个散射事件中，γ射线将能量传递给光子，伴随着路径方向改变及能量降低。

中子不带电荷，它通常不会在与物质发生相互作用时直接发生电离。但是快中子能与质子氢直接发生反应，通过该机制使快中子与物质作用的靶区域的原子核发生散射，从而导致氢原子的直接电离。中子撞击除氢原子核以外的原子核时，将会传递较少的能量给其它粒子。但对于大多数被中子撞击的原子核，将会发生非弹性散射。无论弹性还是非弹性散射的发生，都依赖于中子的能量。此外，还依赖于撞击的原子核类型及它的中子横截面。在非弹性散射中，中子因中子捕获和中子活化而很容易被吸收。中子与大多数物质反应的结果是产生放射性原子核。

3 剂量学量和单位

在外照射的放射防护中运用三个量：物理量可以直接测量，但却不能直接用于放射防护的目的；防护量是由ICRP定义的用于放射防护目的的量，但它却不能直接通过物理方法测定出来；实用量是由ICRU定义的连接物理量和防护量之间的桥梁，实用量可以被测量，依据实用量获得的测量值可以用作证明符合剂量限值的要求。

3.1 物理量

物理量中粒子注量、比释动能和吸收剂量与辐射防护相关。物理量和防护量及实用量之间的关系可以通过剂量转换系数联系起来。

粒子注量和比释动能及吸收剂量的定义是由ICRU建立的。注量是中子一个电子(β)辐射最主要关注的量。粒子注量的国际制单位是每平方米(m-2)，当然，现在cm-2也普遍使用。

比释动能描述的是致电离粒子在很小一部分质量中沉积的动能。比释动能的值与动能沉积的物质有关。出于辐射防护的目的，在建立转换系数时，我们主要以大气作为参照。比释动能的国际制单位是J/kg，或Gy。

吸收剂量是指每单位体积质量中传递(沉积)的平均能量。它的单位也是J/kg，或Gy。

3.2 防护量

防护量不能直接测量，那些定义它的量是可以测量的，即用于个人监测的量及由工作场所或区域监测的量。代表个人监测的量是个人剂量当量。用于区域监测的量有周围剂量当量和定向剂量当量，选择何种合适的量取决于辐射的渗透特性。实用量采用组织相似性模体。区域监测量采用30 cm直径的球体的模体，个人剂量当量采用不同的模体(平板或球体)。为了模拟软组织，采用的材料中含H、C、N、O分别为10.1%、11.1%、2.6%、76.2%。

周围剂量当量介绍的是辐射场的特性，方向性和扩展性。方向性指辐射场是从一个方向来的平行场，扩展性指辐射场足够宽能完全把球体覆盖住。周围剂量当量主要用于强的贯穿辐射，推荐深度10 mm，代表体内造血器官。定向剂量当量取决于辐射发生的角度，这个量用于弱的贯穿辐射，推荐深度为7 mm，对应于人体表皮。

个人剂量当量可用于贯穿辐射和弱贯穿辐射。对于区域量，深度10 mm和7 mm分别代表贯穿和非贯穿辐射，深度0.3 mm代表着眼晶体。

4 与辐射事故有关的剂量测定技术

辐射事故不常发生，但一旦发生将会导致一些健康效应，永久的身体缺陷，甚至死亡。在大多数事故中，过度照射的受害者没有佩戴任何个人剂量计，因此，有必要采取一些互补的方法尽可能准确的测定受害者接受的剂量。

内科医生可以通过剂量来评价辐射诱导损伤的程度，从而制定治疗方案。剂量学的目的在于评估剂量及体内的剂量分布。由于每次事故都是独特的(源的类型、射线的类型、能量、暴露的时间、情景等)，因此，剂量的评估可以通过互补的方法完成。事故严重性的评估可以通过临床观察(症状学)、生物剂量测定(DNA的错误修复)和物理剂量测定。物理剂量学测定中有两种技术可用于事故照射，即通过某种物质对受照者进行剂量测定的剂量学测定方法，及通过实验技术及数值模拟技术的剂量重建方法。

通过某种物质对受照者进行剂量测定的剂量学测定方法可以通过发光技术进行。由于吸收了辐射能，一些物质(含晶状体结构)保留了部分能量从而成为亚稳定状态。当这种能量以紫外线、可见光或红外线的形式释放出来，这种现象称为发光。如果激发剂是热的，这种现象称为热释光，这种材料称为热释光材料(TL)，当用于剂量测定的目的称为热释光剂量计(TLD)。当激发剂是光，这种现象称为光释光(OSL)。光释光法可以通过移动电话的电子元件(检测限值100 mGy)完成，热释光法可以通过移动电话的屏幕玻璃(检测限值400 mGy)完成。

通过某种物质对受照者进行剂量测定的剂量学测定方法还可以通过电子自旋共振技术(ESR)完成。ESR剂量测定在于量化由辐射诱发的自由基，自由基的量与受测样本的吸收剂量相对应。这种方法作为其他技术的互补方法(光子照射)在评估辐射事故受害者的吸收剂量上已经成功运用了超过30 a。这种技术主要用在牙釉质或骨骼的活组织检测、糖类检测(敏感性和稳定性高)上。ESR测定方法通过牙釉质的活组织检测(间接体内法)是一种敏感度和稳定性高的方法，但对牙齿有伤害。通过骨骼的活组织检测方法敏感度较低，但它对局部照射或非均匀分布照射更有针对性。

通过实验技术进行剂量重建。实验技术基于运用物理模体，将小的剂量计插入模体的不同部位从而测定外照射剂量。这类模体包括RANDO模体和ATOM模体。这类方法也有一些限制，实际上，需要知道事故的准确情况从而在实验室或在现场复制事故的发生顺序，而事故的准确情况通常不是能够很容易了解的。

通过数值模拟进行剂量重建。基于计算机模型及蒙特卡罗计算方法。计算机人体模型是基于人体模型的计算机分析方法。随着电脑及模体技术不断提高，如今的模体已经发展为能应对各种各样的人，儿童、青少年、成人，男性、女性，甚至是孕妇。

蒙特卡罗方法是基于数学或物理问题进行统计模拟的数值或实验方法，主要是通过随机序列进行模拟。这种方法是对遵循概率律的随机过程进行评估。在一次蒙特卡罗模拟中，每个任务根据估计的范围选取一个随机值，根据随机值进行计算，然后记录下结果，再次重复该过程。一次典型的蒙特卡罗模拟需要经历成百上千次的模型计算，每次使用不同的随机选择数值。

5 工业领域的辐射事故

在工业领域，可发生两种类型的事故照射，辐照器引发的事故照射及工业辐照源引发的事故照射。

辐照器是γ辐照设备和电子束设备。造成辐射事故的原因主要有原设计的缺陷、缺乏有效的安全系统、不按安全规章操作、操作人员缺乏充分培训。

工业辐照源是通过非破坏性试验检测元件或产品的质量。它最常用于石油/天然气工业中金属加工的质量控制。这些设备运用辐射源的电离辐射(主要是192Ir和60Co)。因此，它的设备设计和工序必须要注重工作人员和公众的保护。

导致事故的主要原因是管理和安全文化的缺乏或不足。

曾报道过几起辐射器所致事故，如2006年比利时，2011年保加利亚。工业辐照源所致事故，如2005年智利，2006年阿比让，2009年厄瓜多尔，2001年格鲁吉亚，2012年秘鲁。

6 医学领域的辐射事故

6.1 体外近距离放射治疗

从辐射安全看，放射治疗是独特的，因为，它是唯一的运用辐射源人为的给予人体较高的照射剂量，除了肿瘤组织，自身的健康组织也会受到同肿瘤组织相当的剂量。

体外放射治疗事故可能与下列因素有关：设备设计、射线校准、设备维护、治疗计划、剂量计算、治疗计划的设置和传输。

近距离放射治疗事故可能与下列因素有关：设备设计、源的订购和传输、源的校准、治疗源的准备、治疗计划、剂量计算和源的移动。

事故报道，2000年巴拿马，2001年波兰。

6.2 介入和心脏介入治疗

对于所有放射过程，随机效应是一种潜在结果。低剂量对应的低风险很难被察觉，但在人类研究中，首要原则是避免不必要的照射或事故照射。确定性效应有阈值。然而，介入治疗的技术难题可能会导致患者受到较高剂量从而导致确定性效应(尤其是皮肤损伤)。

在医疗实践中，将病人暴露于射线中从而获得有价值的诊断信息是可接受的。但是，长时间的透视过程会导致病人皮肤受到较高剂量，可能会引起确定性效应，还会增加病人和医务工作者随机效应风险。

事故报告，心脏介入治疗过程中受到过量事故照射，2011年法国。

7 临界事故

一次临界事故是一次不受控的核连锁反应，具有以下特征：

(1) 高强度的混合场；

(2) 持续时间从数微秒到数小时；

(3) 体内剂量的异质性；

(4) 受反应环境的影响。

临界事故的剂量测量需要专门的技术，区别于传统的用于辐射保护的测量技术，这些专门的技术能分别测量γ射线和中子成分的剂量。用于存在临界事故风险的设备设施的剂量测量系统所具备的要求：

(1) 是剂量积分器，并且不受剂量率(最高105Gy/s)的影响。

(2) 剂量测定范围0.1～10 Gy。

(3) 评估和考虑受照者在辐射场中的方向。

事故报道，1999年日本东海村。

本文内容源于IAEA、WHO相关技术丛书。