1、核安全工程师综合知识第六章核技术利用基础知识精简版第六章 核技术利用基础知识（P223-256）第一节 辐射源1.辐射源是指可以通过发射电离辐射或释放放射性物质而引起辐射照射的一切物质或实体。辐射源的种类很多，从辐射源的产生来源可分为天然辐射源和人工辐射源两种。2.这种天然存在的辐射源称为天然辐射源，把这种辐射称为天然辐射。天然辐射源主要来自宇宙射线、宇生放射性核素和原生放射性核素。3.人工辐射源是用人工方法产生的辐射源。人工辐射源主要有核设施、核技术利用的辐射源和核试验下落灰等。4.核技术利用是指核领域中不作为动力的应用技术，它是利用放射性同位素和电离辐射与物质相互作用所产生的物理、化学及生
2、物效应来进行应用研究与开发的技术，其技术基础与技术手段就是放射性同位素(放射源)和射线装置中的电离辐射技术。 一、密封放射源1.密封放射源是密封在包壳里的或紧密地固结在覆盖层里并呈固体形态的放射性物质。密封源的包壳或覆盖层应具有足够的强度，使源在设计使用条件和磨损条件下，以及在预计的事件条件下，均能保持密封性能，不会有放射性物质泄漏出来。2. 密封源的种类很多，分类方法也是多种多样。按辐射的射线可分为源、源、源、低能光子源、中子源等。按放射源的几何形状可分为点源、线源、平面源、圆柱源、圆环源、针状源、棒状源等。按活度的不确定度可分为检查源、工作源、参考源、标准源等。按用途可分为医疗用、工业照相
3、(探伤)用、核仪表用、射线辐照用、放射性测井用、放射性测量及仪表刻度用等。 3.由于使用要求不同，密封源的核素种类、辐射类型、活度大小、几何形状、密封方式和性能指标等各不相同。下面按所用射线种类介绍密封源的基本性能。1.1放射源1.放射源主要用于烟雾报警器、静电消除器和放射性避雷器等的离子发生器。常用的放射性核素有210Po 、238Pu、239Pu、241Am、235U、238U等。 2.常用的放射源，活度一般较低(1043.7109Bq，而且粒子的能量一般低于7MeV，在空气中的射程小于6cm，穿不透皮肤表层，故没有外照射危险。3.但是绝大多数核素属于极毒或高毒核素，即使摄入体内的量极少，
4、也会造成严重的内照射。因此，使用放射源必须特别注意保护源的密封性能，防止将源丢失或被盗。没有使用价值的废源，应按规定处理，不能随便拆开或扔掉。 1.2放射源1. 放射源主要用作活度测量和能量响应刻度时的参考源和工作源，还可用作放射性测厚仪，皮科敷贴器和气相色谱仪的电子捕集器等。常用的放射性核素有3H、14C、58Co、60Co、63Ni、85Kr、90Sr、90Y、147Pm、204Tl等。2. 射线的穿透能力比同样能量粒子约强100倍，能量超过70keV的粒子可穿透皮肤表层。常用的放射源的粒子能量均大于70keV，故应考虑外照射的防护。3. 放射性核素衰变时，常伴随有辐射或其他形式的光子，只
5、有少数核素(如3H 、 14C 、32P、35S、 90Sr 、 90Y等)例外。粒子穿过周围物质时产生轫致辐射，其穿透能力比粒子强得多。因此，在使用放射源时不能忽视光子的防护，即使是纯发射体，也要注意减少轫致辐射的影响。屏蔽射线应选用低原子序数的材料(如塑料、有机玻璃、铝板等)，以减少轫致辐射，外面再用高原子序数的材料屏蔽轫致辐射和其他光子。 1.3低能光子源1.利用发射低能射线和X射线的放射性核素，或利用辐射体与靶物质产生的轫致辐射制成的源统称为低能光子源。主要用于厚度计、密度计、X射线荧光分析仪等仪表。发射低能光子的常用放射性核素有55Fe、57Co、125I、 238Pu 、 241A
6、m 、244Cm等。2.低能光子比较容易屏蔽，但要注意可能存在的高能射线和轫致辐射的影响。由于放射性核素制成的低能光子源，当活度较高时，不能忽略其自发裂变私(，n)反应产生的中子。另外，低能光子的散射效应相当显著，使用时应考虑对散射的防护。3.低能光子源用铍窗密封，铍不耐酸、碱腐蚀，也不耐水，使用和存放时应保持干燥，防止受潮，以免铍窗变质。 1.4放射源1. 放射源是使用最多的放射源，广泛用于工业、农业、医疗和科研等各个部门。为了获得高剂量率的辐射场，装源量多数在3101521016Bq(约为1056105Ci)范围内，大于31016Bq(106Ci)的辐照装置已不少见。活度在10821012
7、Bq(3mCi60Ci)的放射源主要用于各种核仪表(如料位计、核子秤、密度计等)、工业射线照相(无损探伤)和人体腔内治疗。 2. 射线的贯穿能力很强，其辐照范围往往超出工作场所之外。使用放射源主要防止外照射。 3. 源在固定工作场所使用时，应利用建筑物的墙和门进行屏蔽，使屏蔽墙外人员所受辐射低于规定的剂量限值。同时，为了防止人员误入辐照室造成误照，应有可靠的安全联锁装置，设置警告信号和标志等。源的使用场所若经常变化(如起室外探伤)，可临时用栏杆、绳子或其他障碍物围起来。 4.活度小于50MBq(1.5mCi)的源，一般可利用时间防护和距离防护，对工作场所外的影响很小。 1.5中子源1 中子源在
8、地质勘探、活化分析、辐射育种、湿度测量和科学研究等领域得到广泛应用。2.利用粒子与轻元素(如铍)的(，n)反应或高能射线与铍(或氘)的(，n)反应，可制成具有不同能谱的中子源。3.常用的中子源有镭-铍中子源、镅-铍中子源、钋-铍中子源、钚-铍中子源等。 4. 同一类型、同样活度的中子源，由于制源方法不同，它们的中子产额、中子能谱和光子产额可能差别很大，应以生产单位给出的数据为准。5. 利用重核自发裂变产生中子的中子源称为自发裂变中子源。其中252Cf中子源应用最多。由于252Cf中子源中子产额高、体积小、可制成点源，因此用它作为中子源在各个领域得到了广泛应用。1. 中子的贯穿能力很强，使用中子
9、源时应着重外照射的防护，一般用石蜡、聚乙烯等含氢材料较多的物质，将快中子慢化，然后用吸收截面大的物质(如锂、硼等)吸收慢中子。同时在屏蔽中子的同时还要注意对射线的屏蔽。所以对中子源的屏蔽要进行中子和射线的混合屏蔽。二、非密封放射源1.不满足密封源定义中所列条件的源为非密封源，也称开放源或开放型放射源。这种放射源通常没有被容器密封起来，有的不用时是密封的，使用时就得打开它的密封容器，使放射性物质直接与周围环境的介质接触。使用这种放射源的工作场所称为非密封源工作场所。2.最常用的核素有125I、 131I、99mTc、 3H、 14C、 32P、 35S、153Sm、 89Sr 、18F 、99M
10、o等。非密封源主要用于医学诊断、治疗用放射性药物、放射免疫药盒，农业、生物、水文、地质、科研用放射性同位素示踪剂，等等。3.非密封源的特点是，在使用或操作过程中它们的物理化学性质可能变化，如加温时固体可变成液体，液体可变成气体。当容器损坏时，液体会漏出扩散，造成表面污染。所以在使用非密封源时，会对人员造成外照射和内照射，会产生废水、废气和固体废物，如果发生事故还会造成工作场所和环境污染。2.1 工作场所分级1.在防护条件相同的条件下，操作的放射性活度(操作量)越大，可能造成工作场所和环境污染的程度越严重。为了便于对操作量不同的工作场所提出不同的防护要求，将非密封工作场所按放射性核素日等效最大操
11、作量的大小分为甲、乙、丙三个等级，如表6-3所示。2. 放射性核素的日等效操作量等于放射性核素的实际日操作量(Bq)与该核素毒性组别修正因子的积除以与操作方式有关的的修正因子所得的商。2.2放射性核素毒性分组1.放射性核素毒性分组详见电离辐射防护与辐射源安全基本标准(GB18871-2002)附录D。常用放射性核素的毒性分组如下： 极毒组：210Po、226Ra、233U、234U、238Pu、239Pu、 241Am 、242Cm 、252Cf 、 高毒组：35Si、60Co、90Sr、144Ce、152Eu、210Pb、210Bi、 237Np 中毒组：22Na、32P、35S(无机)、4
12、5Ca、55Fe、57Co、63Ni、 65Zn、67Ga、89Sr 、90Y、99Mo、124Sb、125I、131I 137Cs、133Ba、147Pm、153Sm、192Ir、198Au、204Tl 214Pb、214Bi、U天然 气态核素：14C、125I、131I 低毒组：18F、40K、99mTc、115In、129I、232Th、235U、238U 气态核素：3H(元素) 、3H(氚水)、35SO2、41Ar、 85Kr、133Xe 1. 日等效最大操作量式中：Ai操作第i种放射性核素的活度，Bq； Gi放射性核素毒性组别系数； Fi操作方式与放射源状态修正系数。三、射线装置1.
13、射线装置是指能产生预定水平X、电子束、中子射线等的电器设备或内含放射源的装置(高能加速器除外)。 3.1X射线机1.X射线机的种类很多，如诊断X射线机、治疗X射线机、工业探伤X射线机、X射线分析仪等。2. X射线机的核心部分是X线管。阴极通常是钨制灯丝，阳极是根据应用需要由某种材料(如钨、钼等)制成的靶。在阳极和阴极间电场加速下，高速电子流轰击阳极靶物质产生X射线。 3.X射线有两种类型，一种是高速电子在靶原子核附近经过时，受靶核的强库仑场吸引而损失其部分或全部动能，转变为具有连续能谱的轫致辐射；另一种是高速电子轰击靶物质时，靶原子的内层电子被电离而离开原子，位能较高的相邻外层电子进入内层轨道
14、填补空位，多余的能量以辐射形式释放，因为靶原子各売层之间的能级差是一定的，所以这种辐射光子具有确定的能量，称为特征X射线。4.由高速电子轰击阳极靶产生的X线光子能谱是轫致辐射连续谱上叠加特征X线单色谱。5. X射线机产生的X线的强度正比于靶物质的原子序数Z，电子流强度I和电子加速电压(管电压)U的平方。所以，X线机的管电压、管电流和阴极靶物质是影响X线强度的直接因素。3.2加速器1.加速器是利用电磁场使带电粒子(如电子、质子、氘核及重离子等)获得高能量的装置。2.加速器的种类很多，按加速粒子的能量区分，有高能加速器、中能加速器和低能加速器。此处主要讨论低能加速器辐射源。3.加速器是一个重要的辐
15、射源，它具有所获得的粒子种类多、能量范围广、射线束的定向性好、能量和流强可调、操作维修方便、并具有可随时启动或停机等特点。4. 加速器主要由产生带电粒子系统(离子源或电子枪)、电磁场系统(粒子加速、聚焦、运输)、真空系统(減少与气体分子碰撞)、粒子束引出系统(通过电场或磁场使粒子偏转到特定方向)和控制系统组成。 5. 低能加速器(能量低于100MeV)产生的辐射有瞬发辐射和缓发辐射。瞬发辐射包括初级辐射(加速的带电粒子)和次级辐射(加速粒子与物质相互作用产生的X、射线和中子等)。缓发辐射是由瞬发辐射与周围物质相互作用产生的感生放射性材料放出的和射线等。瞬发辐射只有在加速器开机时产生，停机后即消
16、失；缓发辐射在加速器停机仍然后存在，而且随着加速器运行时间的增加而积累。6. 轫致辐射：当加速器加速的电子与物质相互作用时，会产生轫致辐射(X射线)，轫致辐射为连续谱，能量从零到加速电子能量。轫致辐射的发射率随靶材料的原子序数和电子能量的增加而增加，当电子的能量低于10MeV时，一定的束流强度在向前方向产生的X射强度，几乎与电子能量成三次方关系增加。7.中子：在加速器上，中子是由各种核反应产生的，中子的发射率、能量和角分布强烈地依赖于入射粒子的种类、能量以及材料及核反应特性(反应截面、阈能等)。在电子加速器上，电子与靶材料相互作用产生轫致辐射，轫致辐射又与靶材料及其他材料相互作用得到中子，习惯
17、上将这种反应称为(，n)反应。中子的能谱为连续谱，其最大能量近似等于轫致辐射的最大能量减去这种反应的阈能。(，n)反应的阈能10MeV，所以通常对能量大于10MeV的电子加速会产生中子，在辐射屏蔽设计时，要考虑中子的影响8.感生放射性：加速器的结构材料、冷却水及加速器厅和辐照厅内的空气受中子照射会产生感生放射性，其辐射水平取决于加速粒子的能量、种类、流强和被辐照材料的性质以及加速器的运行时间等。加速器停机后，粒子进入加速器厅或靶厅时，要考虑感生放射性的影响。3.3中子发生器1.中子发生噐是利用直流电压，能量在1MeV以下，通过(d，n)反应产生快中子的小型加速器。2.中子发生器加速离子的能量不
18、高，多数在400keV以下，也有的到600keV。 中子发生噐主要用于产生14MeV中子，开展14MeV中子的各种应用。3.密封中子管是紧凑型中子发生噐，由于它结构紧凑、体积小，便于携带和使用简单，所以是一种很实用的中子源。特别适用于野外和现场应用。28、中子发生器加速离子的能量不高，通常只能利用（）反应获得2.5MeV和14MeV单能中子。231A、D(d,n)3He B、T(d,n)4He 第二节 常用的放射源和放射性同位素（P231-238）一、表征放射源的基本参数1. 放射源的基本参数涉及辐照类型、放射性活度、使用期限及外形结构等。这些参数取决于源中放射性核素的种类和数量，以及制备工艺
19、技术和结构设计。 2.辐射类型 辐射类型包括辐射种类和能量。这些辐射能否从源中有效发射出来还取决于源的制备工艺和外形结构。3.活度 在单位时间内发生衰变的原子核数目，称为放射性活度，也称衰变率，表征放射源的强弱。放射性活度的定义是：在给定的时刻，处于特定能态的一定量放射性核素在时间间隔dt内发生自发核衰变或跃迁的期望值。 活度的单位为Bq(1Bq1蜕变/s)，曾用单位为Ci(1Ci3.71010Bq)。 4.源的使用期限 短半衰期核素放射源的使用期限主要与核素的半衰期有关。而长半衰期核素放射源的使用期限主要考虑放射源的安全性能。 1. 源的外形结构和尺寸 为使源适应多种使用要求而设计了多种形状
20、和不同尺寸的源。 密封源的典型结构，其主要由源芯、源包壳、覆盖层和源窗等构成。二、放射性同位素1.在已发现的2600多种同位素中，稳定的核素只有280祌左右，其余2300多种都是所谓“放射性”的(即不稳定的)同位素。 2.原子核具有的放出放射线的性质，叫做放射性。能够自发地放出射线从而变成另一种元素的同位素，叫做放射性同位素。3.放射性同位素也分为天然的和人工的两种。自然界中天然存在的放射性同位素称为天然放射性同位素，人工制造的放射性同位素称为人工放射性同位素。 2.1天然放射性同位素1.天然放射性同位素的种类很多，已达几十种，但有实际意义的核素有235U、238U、 226Ra 、232Th
21、、222Rn、 40K和14C等。2.地球上到处都存在着天然放射性同位素，它们衰变时放出、或射线。我们把这种来自地壳表面的射线称为地面辐射。通常又把宇宙射线和地面辐射统称为天然本底辐射。2.2人工放射性同位素1. 人工放射性同位素是利用核反应方法制造的。现在应用核反应堆和加速器生产的放射性同位素已达1500多种。如60Co 、 137Cs、 125I 、 198Au等，它们均属于人工放射性同位素。2. 根据需要，可将人工放射性同位素制成放射性活度不同量级的放射源，放射性活度可做到小至104Bq量级(微居里级)，大到100TBq（太贝可，1012Bq）量级(万居里级)，10PBq（拍贝可，101
22、5Bq）量级(数百万居里级)。三、常用放射源的辐射特性1. 在核技术利用中常用的主要放射源有60Co 、 137Cs、75Se、 192Ir、 90Sr、 85Kr、 63Ni、 241Am 、 210Po、中子源等。 3.1 放射源 1.放射源是以发射粒子束为基本特征的放射源。粒子能量一般为48MeV，在空气中的射程为2.52.7cm，在固体中的射程为1020m。2. 常用的放射源主要有： 241Am 、 238Pu 、 239Pu、 242Cm和210Po ，目前工业用量最大的是241Am 源，因为价格便宜，而且半衰期较长。3.2放射源1. 放射源是指可以发射电子的同位素放射源。它包括发射
23、-粒子、 +粒子，以及发射俄歇电子或内转换电子的放射源，其中以发射-粒子的放射源使用最多，通常写成放射源。2. 放源按发射的子最大能量可分为三类：低能(电子)源，中能源和高能源。 3.低能源（1）低能源包括3H源、63Ni源和55Fe俄歇电子源。（2）低能(电子)在固体中射程很短。这种源的活性层表面只能加很薄的保护膜，有的甚至是裸源。（3）低能(电子)源只能用做电离源，在电子捕获鉴定器中和电子管中做放电电离源。4.中能源中能源包括14C、147Pm、85Kr 、204Tl源。它们特性如表6-10所示。中能源主要用于薄层材料测厚。5.高能源（1）高能源包括90Sr 和106Ru源。（2）90Sr
24、 和106Ru（钌）所发射的粒子能量并不高，但它们的衰变子体核素90Y 和106Rh（铑）都能发射高能粒子。它们主要用于金属材料测厚和卷烟密度测量。3.3放射源1.放射源是以发射辐射为主要特征的放射源，是利用发射辐射(包括X辐射)的核素制备的。 2.辐射通常是其他类型核衰变的伴随辐射。3. 放射源按辐射的能量和活度可分为三类：(1)低能(X)放射源(亦称低能光子源) 它由发射射线或X射线的核素：55Fe 、 57Co 、75Se、109Cd、 125I 、153Gd、169Yb（镱）、170Tm（铥）、 241Am 、 238Pu 、 244Cm等制成。轫致辐射源也属于低能光子源。 (2)中等
25、活度放射源 它由中等活度的137Cs 、 60Co 、 192Ir 、 124Sb（锑） 、 134Cs 、182Ta（钽）、 226Ra等核素制成，大多用于同位素仪表中。高比活度的137Cs 、 60Co 、 192Ir和170Tm（铥）等放射源还可用于辐射照相探伤。 (3)强放射源 它是活度大于1013Bq的 60Co、 137Cs放射源。用在工业辐照装置和远距离治疗装置中。这类放射源亦称做辐射源。 第三节 核反应堆和加速器生产放射性同位素（P238-241）1. 自然界有50多种天然放射性核素，但含量较少，提取困难。目前广泛应用的各种放射性同位素几乎都是由反应堆和加速器生产，部分放射性同
26、位素从后处理厂的废液和废气中回收。一、核反应堆生产放射性同位素1.1基本原理1.目前应用的放射性核素，按活度计算，绝大多数是由反应堆生产的。2.反应堆是一个强中子源，将样品(靶料)置于反应堆辐照室(如活性区)或辐照管道(如孔道)内经中子辐照。利用(n，)、(n，)及(n，p)等反应，使样品中的稳定同位素变为放射性同位素。3.用反应堆生产放射性同位素主要包括制靶、反应堆照射、活度测量、分装等步骤。1.2反应堆生产放射性同位素的产额1.靶材经反应堆中子照射后，产生的放射性同位素的活度与辐照处的中子注量率、辐照时间、靶核的中子反应截面、靶量、丰度及生成核素的半衰期等有关。2. 所产生的放射性同位素的
27、活度C由下式计算。 CmPNA(1e-t)/A 式中：C为所产生的放射性同位素的活度，Bq；为生成放射性同位素的反应截面，cm2；为靶材辐照处的中子注量率，n/(cm2s)；m为靶元素的重量，g；P为稳定同位素的丰度，丰度为100时，P1；NA为阿伏伽德罗常数，6.021023；A为靶元素的原子量；为放射性同位素的衰变常数，s-1；t为照射时间，s。 1.3辐照同位素过程中的辐射防护 在用反应堆生产放射性同位素时，为了确保人员的辐射安全，防止放射性污染，在辐照同位素操作过程中必须采取一系列安全措施。其中包括：（1）必须使用远距离操作系统（如机械手）从反应堆的辐照管道（或辐照室）提取同位素的样品
28、盒，操作系统必须安全、可靠；（2）不管是用机械的、气动的还是用液压的方法，从辐照管道（或辐照室）内提取辐照样品时，都不应损坏样品盒，防止放射性物质逸出；（3）从堆内提取的样品盒，在运输过程中应有监测仪器进行监测；（4）样品盒应严格密封，特别是对于那些容易泄漏的气态或挥发性的同位素，如3H和 131I的样品盒，对其密封性必须进行严格的检查，必要时要采用双层密封；（5）对于有腐蚀性的靶材，必须选用耐腐蚀性的样品盒。如生产203Hg时， 由于汞能腐蚀金属，它的泄漏会直接影响反应堆的安全，必须予以充分重视；（6）选择靶材时，必须全面考虑在受辐照后，其物理、化学性能的变化。如由于辐照分解、气体析出等引起
29、样品盒内温度、压力的变化。在辐照时样品盒的爆炸将直接影响反应堆的安全；（7）样品盒的结构形式及机械强度应便于提取和运输；（8）在辐照管道（或辐照室）的排风管或其它适当的位置上应设置连续工作的放射性气体或微尘的监测装置，以便能及时发现样品盒的泄漏，并采取适当的安全措施。 二、加速器生产放射性同位素1.反应堆生产放射性同位素的品种受核反应类型的限制，因此，利用加速器生产放射性同位素，特别是缺中子同位素方面愈益显示出其重要性。2.在国际上已确定为临床医学应用的放射性同位素中，用加速器生产的有40多种，用反应堆生产的有25种，足见加速器在医用同位素生产中的重要作用。 2.1基本原理1.由加速器产生的具
30、有一定能量的带电粒子，如质子、氘核和粒子轰击靶材，通过(p，n)、(d，n)、(d，2n)。(d，)、(d，p)和(，n)等反应得到放射性同位素。例如用CS-30型回旋加速器产生的26MeV质子轰击锌靶，由68Zn(p，2n) 67Ga（镓）反应得到放射性同位素67Ga 。2.2放射性药物生产过程以生产67Ga -枸橼酸镓注射液为例，介绍放射性药物的生产过程。 1.制靶 在紫铜靶基上用电镀法镀锌(天然锌)，镀层厚3070mg/cm2。 2. 轰靶用CS-30型回旋加速器产生的能量为26MeV、流强为50A的质子束轰靶，由65Zn (p，2n) 67Ga反应产生放射性同位素67Ga 。 3. 化
31、学分离与精制 靶经照射达到预期的产额后，从回旋加速器中取出，放置铅罐中冷却三天以降低67Ga杂质水平，然后移至放射性操作箱内进行化学分离。分离后经核素分析合格后配注射液。 4.配制放射性67Ga -枸橼酸镓注射液 按要求配制的放射性67Ga -枸橼酸镓注射液，将注射液经0.2m的微孔膜过滤后进行分装，分装后再经高压蒸汽消毒，再经检验消毒效果合格后发货，同时留样作无菌检查。 2.3加速器生产放射性同位素的特点 1.加速器生产的放射性同位素与反应堆生产的放射性同位素相比，具有以下一些特点：（1）反应堆中主要用（n，）反应生产同位素，所生成的同位素与靶材料一般是同一元素。加速器用（p，n）、（d，n）、（，n）等反应生产同位素，所生产的放射性同位素与靶材料元素一般不相同，故易于化学分离，可进行无载体同位素的生产，从而获得高纯度、高比度放射性同位素。（2）加速器生产的同位素都是缺中子同位素，衰变时大多是电子俘获（EC）或发射正电子（+），不发射其它带电粒子（、等），所以可用相机或正电子发射计算机断层扫描（PET）进行医学诊断，病人所受
