核物理学的发展历史

核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律;射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。

1895年伦琴发现X射线。 1896年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端。其后不久居里夫人发现镭。放射性元素能发射出能量很大的射线，这为探索原子和原子核提供了一种前所未有的武器。

1911年，卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子，观测α射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。1919年，卢瑟福等又发现用α粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。此后用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。

在初期的核反应研究中，最主要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。30年代初，静电、直线和回旋等类型的加速器已具雏形，利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。在核物理发展的过程中人们很快就发现了放射性射线对某些疾病的治疗作用。直到今天，核医学仍然是核技术应用的一个重要领域。

核物理研究受到人们的重视得到社会的大力支持，是和它具有广泛而重要的应用价值密切相关的。

核技术主要为核能源的开发服务，核电成为火电、水电后的第三大能源，正在研究开发的核聚变工程将为今后的能源提供新的途径。同位素的应用是核技术应用最广泛的领域，同位素示踪已应用于各个科学技术领域;同位素药剂应用于某些疾病的诊断或治疗;同位素仪表在各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。

加速器及同位素辐射源已应用于工业的辐照加工、食品的保藏和医药的消毒、辐照育种、辐照探伤以及放射医疗等方面。由于中子束在物质结构、固体物理、高分子物理等方面的广泛应用，人们建立了专用的高中子通量的反应堆来提供强中子束。中子束也应用于辐照、分析、测井及探矿等方面。中子的生物效应是一个重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的疗效。

离子注入技术是研究半导体物理和制备半导体器件的重要手段。离子束已经广泛地应用于材料科学和固体物理的研究工作。离子束也是用来进行无损、快速、痕量分析的重要手段。

在原子核物理学诞生、壮大和巩固的全过程中，通过核技术的应用，核物理和其他学科及生产、医疗、军事等部分建立了广泛的联系，取得了有力的支持。

电离辐射

电离辐射是由能引起物质电离的带电粒子或不带电粒子构成的辐射，简称辐射。

具有一定能量的带电粒子例如α和β粒子可以与原子中的电子直接碰撞后将其击出，形成一个离子对，称为直接电离。不带电粒子例如γ射线、X射线和中子引起的电离是它们与物质相互作用后产生的次级带电粒子引起的，称为次级电离。机体受到各种电离辐射的作用称为辐射照射，或简称照射。人类受到的照射可来自体外，成为外照射，也可来自进入体内的放射性核素，称为内照射。

α粒子

α粒子是一个氦核，由两个质子和两个中子组成。它是由α发射体以某一不连续的能量和特有的半衰期而发射出来的。它具有下列性质：绝大多数在介质中具有相同的射程(布拉格峰);沿直线径迹运动;α粒子只是偶尔发生散射并且散射大多发生在靠近α粒子射程的末端。

α粒子射程很短，可以认为不存在外照射危害，但其内照射危害却极其严重。自然界中氡是造成α内照射危险的最重要的元素。

β粒子

β辐射的概念已经扩大到正电子辐射，β粒子是正电子和电子。它们的静止质量相同，电荷相等，符号相反。

与α粒子不同，β粒子展示出一个连续能谱。核素表中查到的是β能谱的最大值。

电子与介质相互作用主要是电离、激发和辐射(轫致辐射产生X射线)。电子在介质中衰减过程基本符合指数规律。

β粒子可以构成外部伤害，深度和β粒子能量有关，高能β粒子还要考虑它通过轫致辐射产生的X射线的危害，而它的内照射危害却比α粒子小得多。

X和γ辐射

X和γ射线都是电磁波(光子)。唯一的区别是来源：γ射线是属于原子核发射出来的辐射;X射线指的是在原子核外部产生的辐射。

它们和物质的相互作用主要是三种过程：光电效应、康普顿散射和电子对的产生。三种过程都产生电子。它们又电离或激发物质中的其它原子。

X和γ辐射穿透性强。对人体外照射伤害大，一般情况下需要屏蔽。而且它的反散射问题严重。但内照射的危害却要小得多。

中子

与上述三种辐射不同，中子不可能是天然衰变的产物，它主要是由核反应产生的。中子依据能量不同而分为热中子、中能中子、快中子和相对论性的中子。不同种类的中子和介质作用的机理很不相同。

中子屏蔽困难，对机体伤害大，还能产生感生放射性，是辐射防护中要认真对付的辐射。但它几乎不存在内照射的危险。

辐射危害

各种辐射照射对人类的健康危害是在人类不断利用各种电离辐射源的过程中被认识的。今天，随着辐射源与核能的广泛和平利用，在给人类带来莫大利益的同时，也使人类接触各类辐射的机会显著增加。其中包括：在从事某种职业的过程中受到的职业性照射，因接受医学诊断和治疗而受到的医学照射，以及一般居民从所有其它辐射源受到的公众照射。因此，人类应该在最大限度利用电离辐射源和核能的同时加强辐射防护，尽量避免和减少电离辐射可能引起的健康危害。

人类接受辐射照射后出现的健康危害来源于各种射线通过电离作用引起组织细胞中原子、分子的变化。危害的性质和程度因辐射的物理学特性和机体的生物学背景而有所不同。它可以是发生在受照者本人的躯体性效应，也可是因生殖细胞受到照射引起的发生在受照者后裔的遗传性效应;可以是超过一定水平照射后必然出现的必然性效应，也可以使受照水平虽低也不能完全避免的随机性效应。

对于高剂量率、大剂量照射引起的急性确定性效应，不同照射剂量对人体损伤的估计见下表

由于辐射的随机性效应造成的低水平辐射致癌的危险度见下表

辐射危害评价

辐射危害评价是放射医学研究中的一个新领域。放射医学研究的发展经历了三个阶段：医学放射生物学、原子医学、辐射源和核能广泛应用后出现的对低剂量照射的研究(这个阶段的特点是放射医学与辐射防护科学之间的更紧密的结合)。放射医学发展的上述三个阶段并不是相继取代而是相互补充。医学放射生物学、必然性效应和急性放射病至今仍然是放射医学研究的重点。人们对辐射健康危害的研究从高剂量照射向低剂量照射扩展，从近期效应向远期效应扩展，从必然性效应向随机性效应扩展，从个体分析向群体分析扩展，从定性评价向定量评价扩展。辐射健康危害的定量评价为制定辐射防护剂量限值提供医学证据。

ICRP-26 提出的辐射防护三原则

辐射实践的正当化辐射防护的最优化个人剂量当量限值

ICRP-26提出的

*ALARA原则 (As Low As Reasonable Achievable)

*两类效应概念

辐射防护的目的在于防止有害的非随机性效应，并限制随机性效应的发生率，使之达到被认为可以接受的水平。

剂量限值的历史

红斑剂量

耐受剂量

容许剂量

个人剂量限值

几十年来剂量限值的概念、表达方式有很大变化，很难对不同时期的限值进行直接比较。不过从整体来看，职业性全身照射的年限值在不断降低。

从1958年开始定为每年50 mSv，持续到1977年(ICRP-26)。1991年 ICRP-60发表，它在剂量限值上的主要改变表现为每年不超过50 mSv，连续五年之和不超过100 mSv。

电离辐射的量

活度

在给定时刻处于一给定能态的一定量的某种放射性核素的活度A定义为：

A = dN/dt

式中：dN ——在时间间隔dt内该核素从该能态

发生自发核跃迁数目的期望值。

活度的单位是秒的倒数，称为贝克(勒尔) (Bq),它与原使用单位居里的关系为:

1Ci = 3.7 ×1010Bq

照射量

照射量是描述X和γ射线辐射场的量。照射量的国际单位(SI)用每千克空气中的电荷量库仑表示，即C·kg-1。照射量的专用单位是R(伦琴)。

1R=2.58×10-4C·kg-1 或 1C·kg-1=3.877×103R

伦琴单位使用历史悠久，它不是受照物质吸收的能量，应称为照射量，而不是一度被误称的剂量和照射剂量。用于描述辐射场时它只适用于空气，而且只能用于度量10 KeV-3 MeV能量范围的X或γ射线。

吸收剂量

吸收剂量是描述辐射场内受照物体接受的能量。吸收剂量是与辐射效应有联系的辐射防护中使用的最基本的剂量学量。吸收剂量使用与比释动能相同的SI单位和专用单位，即J·kg-1和Gy。吸收剂量的旧单位是rad(拉德)，1Gy=100rad。

辐射权重因数、剂量当量和当量剂量

吸收剂量表示受到辐射照射后人体组织器官的能量沉积。辐射照射后引起的生物效应及其严重程度不仅取决于能量沉积，还取决于辐射的种类。为了使不同辐射的吸收剂量能更好的与低剂量照射后随机性效应的发生概率相联系，ICRP-26中曾经利用与辐射类型及其能量有关的权重因数，即品质因素Q对组织或器官的吸收剂量D进行加权。

加权的吸收剂量称为剂量当量，按下列方程定义：

H =D Q N

式中N是所有其他修正因子的乘积，实际ICRP取N=1。当组织或器官同时受到几种辐射照射时，则相应的剂量当量等于每种辐射的剂量当量的总和。剂量当量的SI单位与吸收剂量相同，也是J·kg-1，专用单位为Sv(希沃特)，以便与吸收剂量相区别。剂量当量的旧单位是rem(雷姆)，1Sv =100 rem。

当量剂量HT,R的定义为：

H T，R=D T，R•ωR

式中：

D T，R—— 辐射R在器官或组织T内产

生的平均吸收剂量。

ωR——辐射R的辐射权重因数。

组织权重因数

为辐射防护目的，器官或组织的当量剂量所乘以的因数称组织权重因数。乘以该因数是为了考虑不同器官或组织对发生辐射随机性效应的不同敏感性。

辐射防护的方法与屏蔽

辐射对人体的照射方式有外照射和内照射两种。外照射是体外辐射源对人体造成的照射，而内照射是指进入体内的放射性核素对人体造成的照射。前者主要由X、γ射线、中子束、高能带电粒子束和β射线引起的;后者则主要因人们通过吸入、食入、完好皮肤或皮肤伤口吸收了放射性核素造成的。针对这两种照射方式，有两种完全不同的防护方法。

外照射防护一般采用下述三种方法中的一种，或几种方法联合应用

①缩短受照时间

②增大与辐射源的距离

③在人与辐射源之间增加防护

屏蔽

X射线和γ射线的屏蔽

高密度和高原子序数的材料，作为防止X射线和γ射线的屏蔽较为有效，例如铅(原子序数82)、水泥和钢铁。因为这些物质有很多的原子和电子，可以和光子发生康普顿效应和光电效应，使入射光子的能量减少，达到屏蔽的目的。 γ射线的衰减系数与能量有关。

对中子的屏蔽

中子的屏蔽与中子能量有关。对于能量高的中子应先用含氢物质作近距离减速。中子的反散射和天空返照问题突出，应特别予以注意。

内照射防护与外照射防护方法完全不同，最根本的防护方法是尽量减少放射性物质进入体内的机会。

辐射监测

为了评估和控制工作场所和周围环境的辐射照射水平，对辐射或放射性物质所进行的测量称为辐射监测。辐射监测还包括按ICRP的建议和国家有关规定，对测量结果进行评价。

辐射监测一般包括区域监测、环境监测(瞬发辐射、土壤、大气、植物、水源)、个人剂量监测、感生放射性监测(元器件、屏蔽材料、冷却水)等。环境监测和感生放射性中包括的土壤、大气、植物、水源、冷却水等的活化分析需由环保部门认定，而区域监测和环境监测中对瞬发辐射的监测应采用实时连续监测的方法。

辐射与物质作用时诱发的物理学、化学和生物学范畴内的各种变化以及伴随出现的各种次级现象，都是辐射剂量测量的基础。

常用的辐射探测方法和探测器包括：电离室、径迹探测器、热释光、玻璃荧光、量热方法、化学剂量计、计数管、半导体探测器、丙氨酸等。

和探测器有关的几个参数

1. 灵敏度与能量响应

单位吸收剂量(或当量剂量或照射量等)所对应的仪器读数为该仪器的灵敏度。如剂量仪的读数与能量无关，则称该仪器的能量响应好。任何一台仪器(或某种剂量计)都有一定的能响范围，使用前要查阅其能响曲线及分析所测量的辐射场的能量分布情况。

2. 剂量及剂量率响应

每种剂量计或剂量仪器都会有一定的剂量及剂量率响应范围。低于此范围会造成无响应或误差过大，高于此范围会形成饱和而造成错误。

3. 剂量计或剂量仪器对辐射场时间结构的响应

从时间结构分析，辐射场可分为稳恒场和瞬发场。稳恒场的测量比较容易，对于瞬发场，占空因子是一个重要的物理量。占空因子越小的瞬发场测量仪器的选择越要小心。凡是计数式仪器都有一定的死时间，最好选用与时间结构无关的剂量计对这样的场进行测量，它们的缺点是不能做实时监测。为了弥补这一缺点，可以采用电离室测量电离积累电荷的方法予以补充。使用一般的计数式仪器，要仔细研究辐射场脉冲宽度、仪器死时间长度、辐射场强度之间的关系。而死时间很长的仪器，如盖革计数管仪器，在占空因子较小的辐射场中，就不能使用了。

辐射场的方向性及角分布 对辐射测量的影响

任何辐射场的分布几乎都是不均匀的，空间分布最简单的辐射场是各种放射源周围的辐射场。但即使是这样的辐射场，分布也不是遵循严格意义上的距离平方反比规律。地面、墙，顶盖和其他屏障的反散射都会扰乱辐射场原有的分布规律。加速器尤其是高能加速器周围的辐射场具有最强的方向性和最恶劣的角分布。如果辐射场是一个混合辐射场(γ，电子，中子，质子，离子等等两种或两种以上)，各种成分的方向分布也完全不同。这都是辐射场测量中必须考虑的。

混合辐射场的测量

由于辐射场中各种不同的粒子与介质作用的机理不同，所以对不同种类的粒子的探测机理和方法也完全不同。在混合场中，几乎没有任何一种单一的辐射测量仪器可以使用。一般要针对不同种类的粒子使用不同的探测器。只有两种情况可以使用单一的探测器，一是其中一种辐射的当量剂量水平在总当量剂量中永远占有绝对优势(95%以上)，另一种情况是各种辐射水平的比例基本固定，通过测量其中一种辐射，经加权后再显示记录其它辐射水平的方法。

对变化的辐射场的测量

在实验型辐射产生装置中，几乎总是存在着辐射源项随机器运行状态变化的辐射场。在这样的场中，为了能观察到辐射场随机器运行而变化的情况，需要安装实时辐射监测系统。

辐射安全联锁

辐射安全联锁包括机器辐射安全联锁和人身辐射安全联锁两部分。机器辐射安全联锁是否设置因机器类型而异，人身辐射安全联锁保护系统则是任何一台辐射产生装置所必需的。

辐射安全联锁系统设计的几个基本原则

(1)建立严格的隔离区 (9)束流闸

(2)“硬件”最可靠 (10)钥匙箱的使用

(3)失效保护 (11)自锁

(4)“冗余” (12)联锁的旁路

(5)最优切断 (13)排风的联锁

(6)指示醒目明确 (14)质量保证

(7)急停开关

(8)辐射监测器与联锁系统