γ射線儀表在化工廠應用中的輻射認識

錢耀東+楊季+房江

摘 要：本文從實際應用角度出發，對γ射線儀表涉及到的基本輻射知識做了簡單歸納，以便使γ射線儀表使用者對輻射半衰期及活度、輻射劑量及單位、標準及安全量值、輻射對人體的作用、以及如何應對化工現場的輻射等方面有一個比較直觀的認識。

關鍵詞：γ射線儀表；衰變；輻射劑量；輻射標準；應對

1 化工廠γ射線儀表的概況

化工現場所用的γ射線儀表主要包括γ射線料位計、γ射線密度計、測厚計、核子秤等。γ射線儀表是利用放射性同位素衰變時釋放出的γ射線進行測量的儀表，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會透過β衰變放出能量高達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%通過貝塔衰變為barium-137m1 （137m1Ba， Ba-137m1），其他約5%直接衰變為穩定的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]。

目前還沒有專門介紹化工γ射線儀表輻射知識的相關文獻，很多著作教材的內容也都比較籠統而廣泛，在使用過程中，很多使用者對γ射線儀表的輻射知識一知半解，不知道多大的輻射量、多遠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，因此有必要對γ射線儀表涉及到的基本輻射知識進行歸納，令使用者能對輻射半衰期及活度、輻射劑量及單位、標準及安全量值、輻射對人體的作用、以及如何應對化工現場的輻射等各方面有一個比較直觀的認識。

2 衰變、半衰期、活度[3]16-19

在自然界，放射性物質的衰變一般都是隨機發生的，不可能確切地預測到哪一個原子即將發生衰變，但是如果大量的原子被看作為一個整體，那么衰變過程就遵循明確的統計規律，稱為放射性衰變規律，用下式表達：

N=N0e-λT （1）

式中：N0——T=0時放射性原子核的數目；

T——衰變時間；

λ——衰變常數；

N——經過衰變時間T放射性原子核的數目；

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

T= （2）

活度（用A表示）是指放射性物質單位時間內發生衰變的個數。活度的單位是貝可[勒爾]（Bq），1Bq表示每秒內發生一次衰變。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定核子數成正比，如下式：

A=λN （3）

式中：A——活度；

λ——衰變常數；

N——剩余的原子核數目；

根據式（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識

1937年在芝加哥召開的ICRU（國際輻射單位與測量委員會）會議確定，X射線的量或劑量的國際單位稱作“倫琴”，用符號“R”表示。這次會議把以倫琴為單位的X射線的量稱作劑量。這就是“劑量”這一概念的由來。自1962年以來，所謂“劑量”，實際上指的是吸收劑量[5]36。

吸收劑量是當電離輻射與物質相互作用時，用來表示單位質量的物質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），單位的專門名稱為戈瑞，簡稱戈，用符號Gy表示。1戈=1焦耳/千克。吸收劑量率表示單位時間內吸收的劑量，符號為D（·），SI單位為焦耳/千克/秒，單位專門名稱為戈每秒，用符號戈/秒（Gy/s）表示[5]37-38。

照射量是表示X或γ射線在空氣中產生電離大小的物理量，用X表示，SI單位為庫侖每千克（C/kg），與它暫時并用的專用單位是倫琴（R）。1倫琴=2.58×10-4庫侖/千克。照射率（亦稱照射量率）是單位時間內的照射量，符號為X（·），SI單位為庫侖每千克秒，用符號庫侖/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/小時的γ射線在肌肉中的吸收劑量率相當于大約9.5×10-3戈/小時（0.95拉德/小時）[5]50-51。

一般說來，某以吸收劑量產生的生物效應與射線的種類、能量及照射條件有關。即使受相同數量的吸收劑量照射，因射線種類和輻照條件不同，其所致的生物效應無論其嚴重程度還是其發生的幾率皆不相同。為了統一表示各種射線對機體的危害程度，在輻射防護上，采用了劑量當量的概念。用適當的修正因數對吸收劑量進行加權，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聯系起來。定義為：在組織內所關心的一點上的D，Q和N的乘積，公式表示如下：

H=DQN

式中，

H——劑量當量，SI單位為焦耳每千克，單位的專門名稱為西弗，用符號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間分布等因素。ICRP（國際輻射防護委員會）指定N=1。

Q——品質因數。[5]52

品質因數和射線的種類、能量、受照條件有關，我們只需記住鈷-60與銫-137釋放出的γ射線品質因數為1即可。

4 天然輻射及其他輻射

在人類生活的周圍環境中，無處不在地充滿著來自天然放射性物質和其他天然源的電離輻射。事實上，即使到了人工輻射源廣泛應用的今天，天然輻射源仍然是正常情況下人類所受到輻射照射的主要來源。近半個多世紀以來，由于人類生產、生活等活動所引起的天然輻射源對人類照射有升高。天然照射來自地球上天然放射性物質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 輻射標準及有效劑量認識

GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中規定，職業照射劑量限值為：由審管部門決定的連續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個連續年的平均劑量不超過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號報告中的規定。

GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛生防護要求》中規定，不同使用場所對檢測儀表外圍輻射的劑量控制要求如下表[8]：

在γ射線料位計所在場合一般按照“對人員的活動范圍不限制”或“在距源容器外表面1m的區域內很少有人停留”的場所劑量當量率要求控制值，考慮到輻射防護的正當性及實際實用性，使用后者較多。

對場所有效劑量可以這樣近似計算，若γ射線料位計的使用者在2.5μSv/h劑量當量率的環境下每天工作1小時，以一年為250個工作日，共250小時，年劑量為

2.5μSv/h×250小時=0.625mSv

注：其他劑量當量率環境均可類似計算。但由于衰變的統計漲落，實際工作中某一處并沒有固定到某個劑量的當量率，人員所處位置也不是固定在某個劑量當量率的環境下。有效劑量的精確計算還需考慮輻射權重因子、器官或組織的權重因子。

0.625mSv的劑量接近公眾年有效劑量1mSv，而每天連續在2.5μSv/h劑量當量率環境下工作1小時的情況幾乎不存在。只有職業工作人員可能存在，但也不是每天都如此。職業工作人員若以每年在2.5μSv/h劑量當量率的環境下工作100小時計算，年有效劑量也只有0.25 mSv。當然職業工作人員也有可能在大于25μSv/h劑量當量率的環境下工作，則應嚴格執行職業照射劑量限值。

6 γ射線與探測器及人體的作用

探測器探測γ射線的原理主要是探測器內部的閃爍體遇到γ射線之后發生光電效應，釋放出電子形成電流，電流的變化經過放大、運算，就可以探測閃爍體所在之處的射線量的變化，換算成物料數值顯示出來。

電離輻射產生多種類型的生物效應，就放射防護而言，主要包括兩種類型的效應：確定性效應和隨機性效應。確定性效應主要指因細胞丟失導致的組織或器官功能失常或功能喪失，這些效應由大劑量照射引起，并且對它們來說存在閾劑量。隨機性效應包括癌癥以及由動物實驗結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出來，沒有劑量閾值，其發生率與劑量成正比[6]36。

在輻射防護劑量范圍內，從幾mGy（空氣中γ射線產生的劑量當量率數值等同于mSv）至大約幾十mGy，并不會產生明顯的生物效應[6]46。化工現場密封放射源儀表的表面劑量當量率都是μSv/h量級的，有效劑量幾乎不可能達到幾mGy。化工現場的放射源一般都使用IV、V類源，國家環保總局公告2005年第62號附件放射源分類規定，IV類源屬于低危險源，基本不會對人造成永久性損傷，但對長時間、近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復的臨時性損傷；V類源為極低危險源，不會對人造成永久性損傷。

7 如何應對化工核儀表中的輻射

國務院令第449號《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》規定，生產、銷售、使用放射性同位素和射線裝置的單位，應當對直接從事生產、銷售、使用活動的工作人員進行安全和防護的知識教育培訓，并進行考核。

國家環境保護總局31號《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》規定，對使用IV、V類源的單位，按規定應當配備大專以上學歷的技術人員專職或兼職負責輻射安全與環境保護管理工作，還應當對輻射工作人員進行輻射安全和防護知識及相關法律法規的培訓考核，并配有安全措施、防護用品和監測儀器、操作規程、使用登記制度、應急措施、固廢處理方案。

現場工作中，應對γ射線有三條路徑：時間、距離、屏蔽，在輻射環境下時間越短有效劑量越少，同樣時間下距離越遠有效劑量越少，屏蔽效果越好有效劑量越少。

可以對比一下前文工業現場年有效劑量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GB18871-2002中公眾年有效劑量1mSv的限值，盡量較高地估計了γ射線料位計使用者的年劑量，可見實際使用γ射線儀表中，工業現場的輻射年累積劑量并不是多可怕。當然使用γ射線料位計等輻射類型的儀表，需要專業的知識及操作技能，相關使用者需經過輻射知識與輻射操作的培訓方可上崗，也可以委托有資質的專業單位對輻射類儀表進行維護工作。

8 結束語

化工廠所的γ射線儀表使用的同位素一般為鈷-60或銫-137，它們在衰變時釋放出γ射線，通過對衰變、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。引出輻射國家標準中的相關規定，對有效劑量進行近似計算，可進一步了解到化工現場的輻射有效劑量。對射線與探測器及生物體的作用介紹，并引出法規對IV、V類源的分類，可進一步了解到IV類、V類放射源基本不會對人造成永久性損傷，只可能造成可恢復的臨時性損傷。使用者應當遵守國家標準相關規定，嚴格執行時間盡可能少、距離盡可能長、屏蔽盡可能好，且具有專業知識和操作技能，或委托有資質的專業單位對輻射類儀表進行維護工作。

參考文獻

[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.輻射防護基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2012.

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