外照射劑量學

電離輻射由高能亞原子粒子、高速運動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物都是去離子化的，因為放射衰變釋放的能量要遠高于電離所需能量。

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生放射性同位素的方式產生。電離輻射通過粒子特性、產生電離效應的電磁波進行分離，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能的話可以通過庫倫力相互作用，包括電子、帶電介子、質子及去電子的原子核。當粒子以相對速度運動時，它們有足夠的動能電離，但相對速度并不是必需的。從原子核中發射出的氫核稱為α粒子，從原子核中發射出的電子通常(并不是一直)以相對速度運動，稱為β粒子。

α粒子由兩個質子和兩個電子組成。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粒子穿過物質時可產生X射線或次級電子(β射線)。當屏蔽β發射器時，β粒子和屏蔽物質之間的相互作用可產生X射線。當屏蔽物為高原子序數時這種效應明顯。因此，β源的屏蔽物采用低原子序數物質。

2 非電離輻射

光子可以通過光電效應和康普頓效應使原子直接電離。發射出來的電子(次級β粒子)使其他原子電離。由于大部分原子是與次級β粒子相互作用發生直接電離，稱為非電離輻射。由核反應、次原子粒子衰變或原子核內的放射性衰變產生的光子輻射被稱為γ射線。如果在核外產生則稱為X射線。X射線的能量通常比γ射線低，現代技術及發現已經使得X和γ射線能量相互重疊。光電吸收效應是能量在100 keV以下的光子與有機材料反應的主要機制。這是傳統的X射線管產生的X射線的典型能量。當能量在100 keV左右時，光子通過康普頓效應使物質電離增加。每個散射事件中，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，它通常不會在與物質發生相互作用時直接發生電離。但是快中子能與質子氫直接發生反應，通過該機制使快中子與物質作用的靶區域的原子核發生散射，從而導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，將會傳遞較少的能量給其它粒子。但對于大多數被中子撞擊的原子核，將會發生非彈性散射。無論彈性還是非彈性散射的發生，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。中子與大多數物質反應的結果是產生放射性原子核。

3 劑量學量和單位

在外照射的放射防護中運用三個量：物理量可以直接測量，但卻不能直接用于放射防護的目的；防護量是由ICRP定義的用于放射防護目的的量，但它卻不能直接通過物理方法測定出來；實用量是由ICRU定義的連接物理量和防護量之間的橋梁，實用量可以被測量，依據實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、比釋動能和吸收劑量與輻射防護相關。物理量和防護量及實用量之間的關系可以通過劑量轉換系數聯系起來。

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

比釋動能描述的是致電離粒子在很小一部分質量中沉積的動能。比釋動能的值與動能沉積的物質有關。出于輻射防護的目的，在建立轉換系數時，我們主要以大氣作為參照。比釋動能的國際制單位是J/kg，或Gy。

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

3.2 防護量

防護量不能直接測量，那些定義它的量是可以測量的，即用于個人監測的量及由工作場所或區域監測的量。代表個人監測的量是個人劑量當量。用于區域監測的量有周圍劑量當量和定向劑量當量，選擇何種合適的量取決于輻射的滲透特性。實用量采用組織相似性模體。區域監測量采用30 cm直徑的球體的模體，個人劑量當量采用不同的模體(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%。

周圍劑量當量介紹的是輻射場的特性，方向性和擴展性。方向性指輻射場是從一個方向來的平行場，擴展性指輻射場足夠寬能完全把球體覆蓋住。周圍劑量當量主要用于強的貫穿輻射，推薦深度10 mm，代表體內造血器官。定向劑量當量取決于輻射發生的角度，這個量用于弱的貫穿輻射，推薦深度為7 mm，對應于人體表皮。

個人劑量當量可用于貫穿輻射和弱貫穿輻射。對于區域量，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 與輻射事故有關的劑量測定技術

輻射事故不常發生，但一旦發生將會導致一些健康效應，永久的身體缺陷，甚至死亡。在大多數事故中，過度照射的受害者沒有佩戴任何個人劑量計，因此，有必要采取一些互補的方法盡可能準確的測定受害者接受的劑量。

內科醫生可以通過劑量來評價輻射誘導損傷的程度，從而制定治療方案。劑量學的目的在于評估劑量及體內的劑量分布。由于每次事故都是獨特的(源的類型、射線的類型、能量、暴露的時間、情景等)，因此，劑量的評估可以通過互補的方法完成。事故嚴重性的評估可以通過臨床觀察(癥狀學)、生物劑量測定(DNA的錯誤修復)和物理劑量測定。物理劑量學測定中有兩種技術可用于事故照射，即通過某種物質對受照者進行劑量測定的劑量學測定方法，及通過實驗技術及數值模擬技術的劑量重建方法。

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

通過某種物質對受照者進行劑量測定的劑量學測定方法還可以通過電子自旋共振技術(ESR)完成。ESR劑量測定在于量化由輻射誘發的自由基，自由基的量與受測樣本的吸收劑量相對應。這種方法作為其他技術的互補方法(光子照射)在評估輻射事故受害者的吸收劑量上已經成功運用了超過30 a。這種技術主要用在牙釉質或骨骼的活組織檢測、糖類檢測(敏感性和穩定性高)上。ESR測定方法通過牙釉質的活組織檢測(間接體內法)是一種敏感度和穩定性高的方法，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。

通過實驗技術進行劑量重建。實驗技術基于運用物理模體，將小的劑量計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，實際上，需要知道事故的準確情況從而在實驗室或在現場復制事故的發生順序，而事故的準確情況通常不是能夠很容易了解的。

通過數值模擬進行劑量重建。基于計算機模型及蒙特卡羅計算方法。計算機人體模型是基于人體模型的計算機分析方法。隨著電腦及模體技術不斷提高，如今的模體已經發展為能應對各種各樣的人，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學或物理問題進行統計模擬的數值或實驗方法，主要是通過隨機序列進行模擬。這種方法是對遵循概率律的隨機過程進行評估。在一次蒙特卡羅模擬中，每個任務根據估計的范圍選取一個隨機值，根據隨機值進行計算，然后記錄下結果，再次重復該過程。一次典型的蒙特卡羅模擬需要經歷成百上千次的模型計算，每次使用不同的隨機選擇數值。

5 工業領域的輻射事故

在工業領域，可發生兩種類型的事故照射，輻照器引發的事故照射及工業輻照源引發的事故照射。

輻照器是γ輻照設備和電子束設備。造成輻射事故的原因主要有原設計的缺陷、缺乏有效的安全系統、不按安全規章操作、操作人員缺乏充分培訓。

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

導致事故的主要原因是管理和安全文化的缺乏或不足。

曾報道過幾起輻射器所致事故，如2006年比利時，2011年保加利亞。工業輻照源所致事故，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 醫學領域的輻射事故

6.1 體外近距離放射治療

從輻射安全看，放射治療是獨特的，因為，它是唯一的運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受到同腫瘤組織相當的劑量。

體外放射治療事故可能與下列因素有關：設備設計、射線校準、設備維護、治療計劃、劑量計算、治療計劃的設置和傳輸。

近距離放射治療事故可能與下列因素有關：設備設計、源的訂購和傳輸、源的校準、治療源的準備、治療計劃、劑量計算和源的移動。

事故報道，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，隨機效應是一種潛在結果。低劑量對應的低風險很難被察覺，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。確定性效應有閾值。然而，介入治療的技術難題可能會導致患者受到較高劑量從而導致確定性效應(尤其是皮膚損傷)。

在醫療實踐中，將病人暴露于射線中從而獲得有價值的診斷信息是可接受的。但是，長時間的透視過程會導致病人皮膚受到較高劑量，可能會引起確定性效應，還會增加病人和醫務工作者隨機效應風險。

事故報告，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，具有以下特征：

(1) 高強度的混合場；

(2) 持續時間從數微秒到數小時；

(3) 體內劑量的異質性；

(4) 受反應環境的影響。

臨界事故的劑量測量需要專門的技術，區別于傳統的用于輻射保護的測量技術，這些專門的技術能分別測量γ射線和中子成分的劑量。用于存在臨界事故風險的設備設施的劑量測量系統所具備的要求：

(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。

事故報道，1999年日本東海村。

本文內容源于IAEA、WHO相關技術叢書。