第五节　X线的防护

一、防护的基本原则

（一）防护的目的

放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。保障放射工作人员、公众及其后代的健康与安全，提高放射防护措施的效益，促进我国放射工作的发展。

（二）防护的基本原则

使用电离辐射源的一切实践活动，与防护有关的设计、监督、管理都必须遵从以下原则：

1.实践正当化

为了防止不必要的照射，在引进任何伴有电离辐射的任何实践都必须经过论证，通过代价与利益分析，确认这种实践对人体健康或环境可能产生的危害远小于个人和社会从中获得的利益。因而，其具有正当理由是值得进行的。反之则不应当采取这种实践。

2.防护的最优化

为了使任何必要的照射应保持在可以合理达到的最低水平，应以放射防护最优化为原则，用最小的代价获得最大的净利益，而不是盲目追求无限地降低剂量，否则所增加的防护费用经济投入将是得不偿失，不能认为是合理的。

3.个人剂量限制

在实施上述两项原则时，要同时保证个人所受剂量当量不应超过规定的相应限值，剂量限值是职业性工作人员或公众成员允许接受的年剂量极限，保证放射工作人员不致接受过高的照射水平。

正当化、最优化、个人剂量限制统称为放射防护的三项基本原则。在放射防护工作中认真执行放射防护三原则，可以把辐射危害减少到尽可能低的水平。

（三）剂量限值

职业照射最优化的一个重要特点是选定剂量约束值，即选定源相关的个人剂量限值，以个人受到的危险作为选定限值的依据是难以确定的。

为此，专业委员会提出，“不可接受的”“可忍受的”“可接受的”三种照射水平。前者为辐射实践，在任何合理的基础上，都是不可接受的，这种照射诸如事故之类的异常情况下的照射，也许是不得不接受的。“可忍受的”意指这种照射不是受欢迎的，但是还可以合理地忍受。“可接受的”意指可以不需进一步改进而可以接受的，也就是防护已达最优化。60号出版物建议剂量限值在“不可接受的”与“可忍受的”区域内划的一条分界线，对职业性照射委员会推荐的限值为在5年内平均有效剂量为20mSv·a-1（100mSv每5年），并且进一步规定在任一年内有效剂量不超过50mSv。在这些建议的限值中，隐含着对最优化的剂量约束值一年不应超过20mSv。公众的照射限值为一年中的1mSv有效剂量，但在特殊情况下，只要5年平均值不超过1mSv·a-1。可以容许在单独一年中有较高的有效剂量。对于眼晶体和局部面积的皮肤，专业委员会也规定限值。

现将新建议的限值汇总于表4-14。表中数据表明，新建议书选定的剂量限值比26号出版物规定值，降低1.5倍。

二、外照射防护的一般措施

外照射防护的基本方法有：时间防护、距离防护和屏蔽防护。

1.时间防护

人体受到照射的累积剂量与受照时间呈正比，照射时间越长，吸收的剂量越多，对身体健康的损害也越大，所以应尽量减少人员在辐射场中逗留时间，也能起到防护作用。在特殊情况下，人员不得不在大剂量环境中工作时，应对每个人的操作时间严格限制，使受照剂量控制在规定的剂量限值以下。

2.距离防护

延长人体到辐射的距离，可减少其受照射剂量。在不考虑空气对射线的吸收时，人体受到照射的剂量与距离的平方呈反比，即距离增加一倍照射量减少到原来的1/4。

3.屏蔽防护

在实际工作中，单靠时间和距离这两个因素的调节往往有一定限度。为了取得更好的防护效果，还需在辐射源和人体之间设置一定厚度的屏蔽体，用以减少和消除射线对人体的危害。

在对外照射进行防护时，应结合实际情况，将三种措施结合使用。一般来说，在有限的工作场所内应采用合适的屏蔽防护，结合考虑距离和时间防护，以获满意的防护效果。

三、外照射的屏蔽防护

电离辐射外照射的屏蔽防护，关键在于设置厚度合适的屏蔽体。屏蔽体的厚度取决于辐射的类型和能量源的活度、屏蔽材料的衰减特性以及相关的剂量约束值。

带电粒子穿过物质时，主要通过激发、电离等损失能量，外照射防护比较容易。例如粒子，其在空气中的射程很短，一张普通的材料纸就可防止α射线的外照射危害。X和γ射线不带电，在穿越物质时主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。而中子则是通过与物质的原子核散射和吸收损失能量，其外照射的屏蔽防护较为复杂一些。

（一）电离辐射的衰减

1.X和γ射线的衰减

X和γ射线通过物质时，由于损失能量引起入射量的减少，称作X、γ射线的衰减。

对于一定量的X，γ射线来说，所穿透物质的厚度越大，单位体积中原子的数目越多，吸收物质的原子吸收截面越大，则X、γ射线被吸收的也就越多。对于单能窄束X、γ射线，假设其经过准直、沿水平方向垂直地通过吸收物质，由于与物质发生相互作用，其强度将随着穿越物质厚度的增加而减弱。这种衰减遵循指数规律：

式中No、N分别为穿越物质层前后入射到物质层面的光子数；d为物质层厚度（cm）；μ为衰减系数（cm-1）。其意义表示X或γ射线在物质中穿行单位长度时光子受到相互作用的概率。一些材料的线性衰减系数列入表12-2。μ与屏蔽材料的密度ρ有关，近似地和屏蔽材料的密度呈正比，且受温度和压力的影响。为了清除因ρ变化带来的误差，常使用质量衰减系数μ/ρ。表4-15列出上述材料的质量衰减系数，公式（4-24）改为下式：

单能、窄束的指数衰减规律仅是一简化的理想情况，在放射防护工作中遇到的常常是宽束辐射，准直较差，并且穿过的物质层可能比较厚。此时，关心的是空间位置，不仅有未经相互作用的入射光子，而且还有经过多次散射之后到达的散射光子。因此，对于宽束射线的衰减公式，必须引进一个修正因子B，以及多次散射的影响。

B为积累因子，它是描述散射光子影响的物理量，B总是大于1，可查表得到。

2.中子的衰减

中子在物质中的衰减，包括快中子慢化和热中子吸收两个阶段。几个MeV以下中子的慢化、主要靠与轻原子核的弹性碰撞来转移能量。随着中子能量的降低，弹性散射（把部分能量转给原子核，自己形成反冲核，并改变运行方向）的概率迅速增加，其中与氢的原子核的弹性碰撞的概率最大，一次碰撞转移给氢核的能量也最多。所以在一些反应堆中，用水作快中子的慢化剂。

几个MeV以上的快中子，主要靠与中等或重原子核的非弹性散射而慢化，慢化的热中子能被所有物质吸收。中子射入物质的原子核内部形成一个复合核，然后放射出γ射线或带电粒子。当慢化的热中子撞击一个重的原子核，如235U，则可能把一个原子核一分为二，产生核裂变，放出巨大的能量。

为了避免或减少热中子吸收过程中产生的俘获γ辐射，一般在屏蔽材料中加入10B和6Li，因为这两种原子核吸收中子后，发射的是贯穿能力最差的α粒子，而且对热中子的吸收概率也特别大。与X、γ射线情况类似，窄束中子流在穿过物质时，同样遵循简单的指数衰减规律、而对于宽束中子流需引入修正因子Bn。

（二）外照射防护常用屏蔽材料

1.屏蔽材料的选择

选择屏蔽材料，要根据屏蔽的对象、用途等情况进行综合考虑。主要从以下五个方面进行分析比较：

（1）对辐射的衰减能力，即防护性能好。

（2）结构性能好。

（3）抗辐射。

（4）耐腐蚀。

（5）材料的来源、价格、加工、安装、维修方便等。根据不同的需要，选择不同的材料。

2.常用的屏蔽材料

（1）β辐射的防护：

主要选择铝、有机玻璃、混凝土等低原子序数的物质，它们能使轫致辐射减少到最低限度。

（2）X、γ射线的防护：

①铅、铅玻璃和铅橡皮，具有抗辐射、耐腐蚀、对X、γ射线衰减能力强、结构及机械性能差、价格较贵、对1MeV以上光子的衰减能力差等特点。②铁，具有防护性能、机械强度高，可制作成固定式防护器件等特点。③水，成本较低，但结构性能差。④土，具有成本较低、结构性能好、屏蔽能力稍差等特点。

为了便于比较各种材料的屏蔽性能，常用铅来作为比较的标准。通常把达到与一定厚度的某种屏蔽材料相同屏蔽效果的铅层厚度称为该屏蔽材料的铅当量，单位以mmPb表示。在实际应用中，铅当量不是固定不变的，它随着入射光子的能量和材料厚度的不同而变化。

（三）屏蔽厚度的计算方法

1.基本方程

屏蔽防护的目的在于通过设置合适厚度的屏蔽体，使某一空间位置上，由辐射源造成的剂量当量不超过剂量的控制约束值（限值），即

式中：HL为剂量控制约束值；H（d）为经厚度为d的材料屏蔽后，参考点上所有的剂量当量率的总和，等于：

对单一辐射源，上式可简化为：

式中：F为辐射源发射率参数，对医用X、γ源可用工作负荷W表示（rnA·min·wk-1或Sv· m2·wk-1）；B、ε为透射量参数（透射比或透射系数）；T为参考点处的居留因子；K为与源相关的量纲换算系数；r为参考点与源的距离；j为第j个辐射源。

2.确定屏蔽厚度所需要的参数

（1）剂量当量限值（HL）：

在计算屏蔽厚度时，首先要确定剂量控制的约束值.常以辐射防护的基本标准，既剂量当量年限作为此参数。剂量当量年限值（HL）为：

控制区（职业性照射）：50mSvα-1；非电离辐射场所：5mSvα-1

如果日常工作很有规律，如医院的放射科，每周需要接受的诊断、治疗的病人数基本变化不大。此时，可以认为一年内工作人员受到的剂量当量是均匀累积的。于是，为屏蔽设计需要，可从年剂量限值导出一个周剂量控制的参考值（HLW）为：

控制区（职业性照射）：1mSv·wk-1；非电离辐射场所：5mSv·wk-1

如果辐射源运行很不规则，且没有可靠的关于作息时间的详细资料可供参考，那么屏蔽设计时，须假定辐射源每周五天，每天八小时（即每周40小时）均是在其最大额定工作条件下运行的，而且计算屏蔽厚度时，使用按周剂量控制的参考值导出的每小时剂量控制的参考值（HLh）为：

控制区：25μSv·h-1；非电离辐射场所：2.5μSv·h-1

（2）工作负荷（W）：

X射线机的使用频繁程度，常以管电流（mA）与开机时间（min）的乘积（mA* min）的累积数来衡量，这也标志着X射线机发射量的多少。屏蔽设计中常把X射线机一周内的“mA·min”的累积数称为该机的“工作负荷”，以“W”记之。对管电压等于或大于4Mv的X射线发生器或γ射线治疗机的工作负荷，则以离源1m处一周内的Sv数表示，单位是“Sv·m·wk-1”。

（3）居留因子（T）：

人们在控制区外逗留的时间只是辐射源总的开启时间的一个份额，这个份额便称为居留因子，以T记之。

对于非职业照射人员来说，在工作区，如办公室、实验室、病房、值班室、生活区以及附近建筑物有人居住的空间，属全部居留区域，T=1。在走廊、休息室、电梯等处属偶居留区域，T= 1/4。在候诊室、厕所、楼梯等处属偶居留区城，T=1/16。而职业性照射人员所在区域的T值一般可认为等于1。

（4）束利用因子（U）：

在屏蔽设计中，把源开启时间内由源发出的辐射束对准所关心的那个方向所占的时间分数，称为这一方向对辐射的利用因子，以“U”记之。

束利用因子只是在源的朝向有变化时，对工作负荷进行修正的一个因子。故对朝向不能改变的辐射源和非直接从源发出的辐射，均无须考虑此项修正。对于辐射束向可以改变的医用X或γ辐射源可参考这些U值：地板=1，墙壁=1/4，天棚<1/4。

（5）透射参数（B）：

透射参数是描述透射量的量。常用的透射参数是衰减倍数、透射比和透射系数，其定义如下：衰减倍数K，为辐射场某点处没有防护屏蔽时的剂量当量率H与设置了屏蔽后的剂量率H（d）的比值，即

透射比η为辐射场中某点处设有防护屏蔽后的剂量当量率H（d）与设置屏蔽前的剂量当量率H的比值，即

透射系数δ，为设置防护屏蔽后，在离X射线发生点一米处由X射线发生器的单位工作负荷（即1mA·min）所造成的剂量当量指数。

（6）半值厚度d1/2与十分之一值厚度d1/10：

半值厚度是将入射粒子减少到一半时所需的屏蔽层厚度。十分之一值厚度，是将入射粒子减少10倍，即减少到1/10时所需的屏蔽层厚度。在屏蔽材料中，宽束X或γ射线不是筒单的指数衰减。因此，对于给定的某一辐射，屏蔽材料的d1/2与d1/10不是一个常数，而是随着衰减倍数的增加略有变化。特别是在衰减第一个10倍时，d1/2与d1/10变化最大，此后的变化便不太大。因而存在一个平衡半值厚度d1/2.e或平衡十分之一值厚度d1/10.e（表4-17）。

3.带电粒子的屏蔽计算

对于带电粒子如β等，只要屏蔽材料的厚度大于带电粒子在该材料中的最大射程时，入射粒子就可以被完全吸收掉。带电粒子的屏蔽防护，只考虑β辐射。β粒子的最大射程R为：

Eβ max为β粒子的最大能量（MeV）。根据所选材料的密度ρ，便能计算出与最大射程相对应的屏蔽厚度d：

为了减少β粒子穿越屏蔽材料时产生的轫致辐射，通常选用原子序数低的铝、有机玻璃等作屏蔽物质。β粒子在铝中的质量射程可以近似地表示为：

β粒子在几种材料中的射程列于表4-19。

（四）X射线屏蔽计算

对于X射线机，由于它的工作通常是间断性的，所以在设计机房的屏蔽墙厚度时，一般按周剂量控制约束值。在数值上可用mGy代替Sv。防护有用射线束的屏蔽称主屏蔽，防护泄漏射线和散射线的屏蔽称次屏蔽。下面的公式可用于主屏蔽墙的计算：

β粒子在几种材料中的射程列于表4-18。

式中WUT称为有效工作负荷，它是工作负荷W、束利用因子U和居留因子T三者的乘积。对具有电流表的X射线机，它的单位是“mA·min·wk-1”。对无电流表的X射线机，其单位是“Sv·m2·wk-1”；B为屏蔽材料的透射参数，当有效工作负荷以“mA·min·wk-1”为单位时，B用透射系数δ当有效工作负荷，以“Sv·m2·wk-1”为单位时，B用透射比η表示；HL·W为每周的剂量控制约束值，HL·W=1mSv·wk-1，为参考点与源的距离。

按上述公式求出透射参数B后，即可根据X射线机的管电压从有关图表中查得所选材料作防护屏蔽时所需的厚度。对于泄漏X射线束，只要知道其数量便可按点源辐射进行屏蔽计算。对散射线可以用反照率法估计。为简便起见，对于次级屏蔽厚度的确定可查表4-20，此表中所列各个结果的假设条件是：X射线源点与受照人（或物体）距离为0.5m，表面照射野面积为400cm2，考虑90°方向散射，散射比值取1×10-3。这里以一台X射线机为例来说明各方法的运用。设管电压为250kV，工作负荷为4×104mA· min·wk-1，主屏蔽墙参考点位于控制区，距X射线源点2m；周剂量限值取1mSv·wk-1。根据前面提供的资料，参考点位于控制区内.故T=1，U=1/4，有效工作负荷则为：

按公式（4-39）得：

算出透射系数δ后，再查有关图表得到对于250kV的X射线时：

相应的混凝土及铅的厚度分别为41cm和0.9cm，即在上述情况下屏蔽墙厚度混凝土应取41cm，而铅则需取0.9cm。如果在上述条件下，另一个屏蔽参考点所受到的主要是次级辐射，这时确定防护屏蔽厚度，可查表4-19，取得混凝土和铅的厚度分别为19.4cm和0.45cm。

四、外照射的个人防护

在外照射工作环境中，特别是在医用X线诊断工作中，尽管我们采取了一系列的防护措施，放射工作人员仍不可避免地要接受一定剂量的照射。为减少放射工作人员及就诊者、受治者的照射剂量，必须根据不同的情况，正确选择和使用个人防护用品。按照所用材料的不同，个人防护用品主要分为两类：含铅的和非含铅的防护用品。对于X和γ射线的防护，多采用含铅的防护用品，其适用范目列入表4-20。

非铅的个人防护用品，采用RT新型防护材料制成，可制成各种类型和款式。在实际工作中应根据辐射场的辐射量和能量大小、防护用品的防护性能和价格等合理选择使用。同时兼顾使用方便，穿着舒适并符合生理要求。电离辐射的外照射防护，对于固定式作业场所，主要以设置符合防护要求的屏蔽体为主。同时选用合适的个人防护用品。而在无屏蔽的现场作业时，则着重考虑距离防护。当受现场条件限制时，距离防护成为不可能时，必须使用简易的防护装置，同时做好个人防护。