城市环境天然放射性评价研究1.docx

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城市环境天然放射性评价研究1

城市环境天然放射性评价研究

作者姓名：

孔繁龙

专业名称：

核工程与核技术

指导教师：

孙乃峰

摘要

近年来，人们对城市环境辐射的担心越来越重，甚至发展成“恐辐”心理。

经常会因为肉眼看不到的辐射给生活产生困扰，甚至影响到整个生活。

对于核辐射污染，即放射性污染，常人往往只注意到现代科学研究中的核辐射核工厂里某些特殊车间产生的放射性物质造成的危害，或者医院的X射线治疗所产生的放射性造成的影响及损害，而未考虑生活中还会有放射性污染源。

大量科学实验证实，过量的辐射是有害的，但是当辐射水平在比较小的范围内时，对人体是安全的、无害的。

因此摸清天然性环境的辐射状况并探索有效、便捷的分析方法、测量方法显得十分必要。

实际上，生活中的放射性物质能通过多种途径进入人体，造成对机体的慢性损害。

随着我国社会经济的不断发展，经济发展与环保的矛盾越来越突出。

相关辐射问题目前是社会上讨论的一个热点话题。

本文详细介绍了城市放射性的来源、分类和影响，重点介绍电磁辐射和γ射线辐射以及它们的测量方法，对城市放射性评价方法进行了研究。

1从理论上介绍了天然放射性基本知识，天然放射性的来源，天然放射性的分类以及辐射剂量与生物效应的关系，总结辐射对人体的影响。

2介绍γ辐射原理，通过介绍γ射线机理。

在U-Ra平衡的基础上进行计算，得出空气中的γ射线照射量率和土壤中放射性核素之间的相互关系。

关键字：

天然放射性照射量率γ射线

ABSTRACT

Inrecentyears,peopleoncityenvironmentradiationworriesheavier,andevendevelopedinto"fear"psychologicalconvergence.Oftenbecauseinvisibleradiationtolife,eveninfluencedupsetthewholelife.Forradiologicalpollution,radioactivepollution,ordinarypeopleoftenjustnoticedthemath-modelofmodernscientificresearchinnuclearplantsomespecialworkshopofradioactivesubstancesproducedthedamage,orhospitaltheX-raytreatmentproducesradioactiveaffectandharm,whilenotconsiderlifewillhaveradioactivecontamination.Lotsofscienceexperiments,excessiveradiationisharmful,butwhenradiationlevelsinrelativelysmallrangeofhumanbodyissafe,andharmless.Thereforeunderstandingthenatureenvironmentsituationandexploreeffectiveradiation,convenientanalysismethods,measuringmethodbecomesnecessary.Infact,lifeofradioactivesubstancesentersthebodythroughvariouswayscancausetothebody,chronicdamage.AsChina'seconomicandsocialdevelopment,economicdevelopmentandenvironmentalprotectionisbecomingmoreandmoreprominentcontradiction.Relatedradiationproblemsiscurrentlyonthesocialahottopicdiscussed.Thispaperintroducestheradioactivesourcesandclassificationofcityandinfluence,introducedelectromagneticradiationandgammaradiationandtheirmeasurementmethodsofurbanradioactiveevaluationmethod,werestudied.

1Theoreticallyintroducesbasicknowledge,naturalradioactivesourceofnaturalradioactive,naturalradioactiveclassificationandradiationdoseandbiologicaleffectsofradiationonhumanrelations,summarizestheimpact.

2Gammaradiationtheory,introducedbythroughtheintroductionmechanismofgammarays.IntheU-Rabalancedbasisofcomputed,airgammaeminenceandsoilradionuclidemutualrelations.

Keywords:

naturalradioactive,eminence,gammarays

目录

摘要II

ABSTRACTIII

目录1

1绪论1

1.1基础知识1

1.1.1放射性核衰变1

1.1.2放射性衰变的类型1

1.2环境放射性的来源2

1.2.1天然放射性的介绍2

1.2.2天然放射性的来源3

1.2.3人为放射性污染的来源4

1.3天然放射性分类5

1.3.1宇宙射线6

1.3.2宇生放射性核素6

1.3.3原生放射核素6

1.4辐射剂量与生物效应的关系7

1.4.1非随机生物效应8

1.4.2随机性生物效应8

1.5本研究目的、意义和内容9

1.5.1国内外研究状况9

1.5.2研究内容10

1.5.3研究意义10

2γ射线辐射的原理及介绍11

2.1γ射线原理及作用影响11

2.1.1γ射线的原理11

2.1.2γ射线对人体的影响11

2.2γ射线能谱介绍12

2.3环境天然放射性γ测量原理13

3环境放射性γ的测量15

3.1环境放射性γ测量理论基础15

3.1.1能谱测量仪15

3.1.2γ辐射仪15

3.2γ射线照射量率计算方法16

3.2.1点状放射源在空气中γ射线照射量率16

3.2.2无限大平面体源中γ射线照射量率17

3.2.3土壤中的放射性核素在空气中的γ射线照射量率19

3.2.4在单边建筑物旁边的γ射线照射量率的研究22

3.2.5在两面建筑物之间的γ照射量率的分布26

3.3环境辐射的外照射剂量估算28

4结论29

致谢30

参考文献31

1绪论

1.1基础知识

1.1.1放射性核衰变

原子是由原子核和围绕原子核按一定能级运行的电子所组成。

原子核由质子和中子组成，它们又称为核子。

有些原子核是不稳定的，能自发地改变核结构，这种现象称核衰变。

在核衰变过程中总是放射出具有一定动能的带电或不带电的粒子，即α、β和γ射线，这种现象称为放射性。

天然不稳定核素能自发放出射线的特性称为“天然放射性”；通过核反应由人工制造出来的核素的放射性称为“人工放射性”。

决定放射性核素性质的基本要素是放射性衰变类型、放射性活度和半衰期。

1.1.2放射性衰变的类型

1.α衰变

α衰变是不稳定重核（一般原子序大于82）自发放出4He核（α粒子）的过程。

不同核素所放出的α粒子的动能不等，一般在2—8MeV范围内。

α粒子的质量大，速度小，照射物质时易使其原子、分子发生电离或激发，但穿透能力小，只能穿过皮肤的角质层。

2.β衰变

β衰变是放射性核素放射β粒子（即快速电子）的过程，它是原子核内质子和中子发生互变的结果。

β衰变可分为负β衰变、正β衰变和电子俘获三种类型。

（1）β-衰变：

β-衰变是核素中的中子转变为质子并放出一个β-粒子和中微子的过程。

β-粒子实际上是带一个单位负电荷的电子。

许多β衰变的放射性核素只发射β粒子，不伴随其他的射线，但更多β衰变的核素常常伴有γ射线，如衰变时，除放射出β粒子外，还放射两种γ射线。

β射线的电子速度比α射线高10倍以上，其穿透能力较强，在空气中能穿透几米至几十米才被吸收；与物质作用时可使其原子电离，也能灼伤皮肤。

（2）β+衰变：

核素中质子转变为中子并发射正电子和中微子的过程。

（3）电子俘获：

不稳定的原子核俘获一个核外电子，使核中的质子转变成中子并放出一个中微子的过程。

因靠近原子核的K层电子被俘获的几率远大于其他壳层电子，故这种衰变又称为K电子俘获。

当K壳层电子被俘获后，该壳层产生空位，则更高能级的电子可来填充空位，同时放射特征x射线。

3.γ衰变

γ射线是原子核从较高能级跃迁到较低能级或者基态时所放射的电磁辐射。

这种跃迁对原子核的原子序和原子质量数都没影响，所以称为同质异能跃迁。

某些不稳定的核素经过α或β衰变后仍处于高能状态，很快（约10-13秒）再发射出γ射线而达稳定态。

1.2环境放射性的来源

1.2.1天然放射性的介绍

天然放射性是指天然存在的放射性同位素，能自发地放射出射线的属性。

1896年，法国物理学家贝勒耳（Beequerel）发现铀（U）的化合物能使附近包在黑纸里的照相底片感光，从而推断出铀可以不断的自动放射出某种看不见的、穿透力相当强的射线。

后来经过物理学家的共同努力，发展了这一研究结果。

现在知道原子序数在84以上的所有元素都有天然放射性，小于此数的某些元素如碳、钾等也有这种性质。

常见衰变模式有α衰变、β衰变、γ衰变、电子捕获、中子衰变、自发裂变（又称自发分裂）等。

衰变时放出的能量称为衰变能量。

元素：

原子序数在83（铋）或以上的元素都具有放射性，但某些原子序数83以下的元素（铷）也具有放射性。

1.2.2天然放射性的来源

1.宇宙射线及其引生的放射性核素

宇宙射线是一种从宇宙空间射到地面来的射线，由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成。

初级宇宙射线指从宇宙空间射到地球大气层的高能辐射，主要成份为质子（83—89％）、α粒子（10—15％）及原子序Z≥3的轻核和高能电子（1—2％），这种射线能量很高，可达1020MeV以上。

次级宇宙射线是初级宇宙射线进入大气层后与空气中的原子核相互碰撞，引起核反应并产生一系列其他粒子，通过这些粒子自身转变或进一步与周围物质发生作用，

就形成次级宇宙射线。

在海平面上所观察到的次级宇宙射线由介子（约70％）、核子和电子（约30％）组成。

其强度在不同纬度和海拔高度有所不同。

由宇宙射线与大气层、土壤、水中的核素发生反应产生的放射性核素约有20余种，其中具有代表性的有14N（n，T）12C反应产生的氚，14N（n，P）14C反应产生的14C。

天然性的氚，有1/4是由宇宙射线中的中子与14N作用产生的，其余的是大气中原子核被宇宙射线中的高能粒子击碎后形成的。

天然存在的14C是宇宙射线中的中子和天然存在的14N作用得到的核反应产物。

多数天然放射性核素在地球起源时就存在于地壳之中，经过天长日久的地质年代，母体和子体之间已达到放射性平衡，从而建立了放射性核素的系列。

这种系列有三个（见图8－2），即铀系，其母体是238U；锕系，其母体是235U；钍系，其母体是232Th。

这些母体具有极长的半衰期；每一系列中都含有放射性气体Rn核素，且末端都是稳定的Pb核素。

2.自然界中单独存在的核素

这类核素约有20种，如存在于人体中的40K（T1/2=1.26×109年）。

它们的特点是具有极长的半衰期，其中最长者为209Bi，T1/2大于2×1018年，而40K是其中半衰期最短的。

它们的另一个特点是强度极弱，只有采用极灵敏的检测技术才能发现它们。

1.2.3人为放射性污染的来源

引起环境放射性污染的主要来源是生产和应用放射性物质的单位所排出的放射性废物，以及核武器爆炸、核事故等产生的放射性物质。

1.核试验及航天事故

包括大气层核试验、地下核爆炸冒顶事故及外层空间核动力航具事故等。

其核裂变产物包括200多种放射性核素，如89Sr、90Sr、137Cs、131I、14C、239Pu等，还有核爆炸过程中产生的中子与大气、土壤、建筑材料中的核素发生核反应形成的中子活化产物，如3H、14C、32P、42K、55Fe、59Fe、56Mn等，以及剩余未起反应的核素如235U、239Po等。

核爆炸（尤其大气层里的核爆炸）后形成高温（上百万度）火球，使其中的裂变碎片及卷进火球的尘埃等变为蒸汽，在随火球膨胀和上升过程中，因与大气混合和热辐射损失，温度逐降低，便凝结成微粒或附着在其他尘粒上而形成放射性沉降物（气溶胶）。

粒径＞0.1mm的沉降粒子在核爆炸后一天内即可在当地降落；粒径＜25μm的气溶胶粒子，可长期飘浮在大气中，称为放射性尘埃。

放射性尘埃在大气平流层的滞留时间一般认为在0.3—3a之间，主要放射性核素是长寿命的90Sr、137Cs和14C等。

对流层中的气溶胶粒子沉降时间由几天到几个月，并可被雨、雪、雾从大气中除去，污染水体和土壤。

对流层中的裂变产物含大量半衰期为数日至数十日的核素，如89Sr、95Zr、131I、40Ba等。

2.核工业

包括原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇等。

它们在运行过程中排放含各种核裂变产物的三废排放物；特别是发生事故时，将会有大量放射性物质泄漏到环境中去，造成严重污染事故。

如英国温茨凯制钚厂反应堆事故，美国三哩岛和苏联切尔诺贝利核电站事故等。

3.工农业、医学、科研等部门的排放废物

这些部门使用放射性核素日益广泛，其排放废物也是主要的人为污染源之一。

例如，医学上使用60Co、131I等放射性核素已达几十种；发光钟表工业应用放射性同位素作长期的光激发源；科研部门利用放射性同位素进行示踪试验等。

4.放射性矿的开采和利用

在稀土金属和其他共生金属矿开采、提炼过程中，其三废排放物中含有铀、钍、氡等放射性核素，将造成所在局部地区的污染。

专家们研究测算表明：

全人类集体辐照剂量中，3/4来自自然界。

约1/5来自医疗及诊断，核电的份额是1/400。

假定全球人类的预期寿命为60岁，则每天抽一包烟将减寿7年，而核电的影响是减寿24秒。

1.3天然放射性分类

存在于岩石和土壤中的放射性物质，由于地下水的浸滤作用而受损失，地下水中的天然放射性核素主要来源于此途径。

此外，粘附于地表颗粒土壤上的放射性核素，在风力的作用下，可转变成尘埃或气溶胶，进而转入到大气圈并进一步迁移到植物或动物体内。

土壤中的某些可溶性放射性核素被植物根吸收后，继而输送到可食部分，接着再被食草动物采食，然后转移到食肉动物，最终成为食品中和人体中放射性核素的重要来源之一。

环境水中天然放射性核素的浓度与多种因素有关。

土壤主要由岩石的浸蚀和风化作用而产生的，可见，其中的放射性是从岩石转移而来的。

由于岩石的种类很多，受到自然条件的作用程度也不尽一致，可以预期土壤中天然放射性核素的浓度变化范围是很大的。

土壤的地理位置、地质来源、水文条件、气候以及农业历史等都是影响土壤中天然放射性核素含量的重要因素。

此外，天然放射性物质还包括宇宙射线。

宇宙射线是一种从宇宙空间射到地球上的高能粒子流，它由质子、粒子等组成。

天然放射性已为人类所适应，并未造成什么危害。

环境中天然辐射本底主要由宇宙射线、宇生放射性核素和原生放射性核素的辐射三部分组成[16]。

1.3.1宇宙射线

宇宙射线主要来源于地球的外层空间，其中又可以分为“初级”和“次级”宇宙射线。

初级宇宙射线是指从外出空间射到地球大气层的高能辐射，“次级”在初级宇初级银河系宇宙射线是初级宇宙射线的主要来源，主要是高能质子组成（约80%），并伴有10%左右的氦核[16]，其余为少量的重粒子、电子、光子和中微子。

初级太阳宇宙射线主要是指太阳发生耀斑释放出来的带电粒子，大部分是质子和α粒子。

次级宇宙射线是指高能宇宙射线与大气的作用产物。

初级宇宙射线进入大气时，具有极大能量的粒子与大气中的原子核发生剧烈的碰撞作用致使原子核四分五裂，这一过程称为“散列反应”或“碎裂反应”。

散裂反应的产物有中子、质子、π介子、K介子以及一些放射性核素。

1.3.2宇生放射性核素

当高能初级宇宙射线与大气的原子核发生核反应时，反应产物除了次级宇宙射线粒子以外，还有许多放射线核素，这些核素叫做“宇生放射性核素”。

宇生放射性核素除了3H、14C和7Be以外[16]，其余核素的浓度都非常低，只有应用极灵敏的探测器才能检测的到。

虽然宇生放射性核素的品种很多，但是空气中的含量都很低，因而它们对环境辐射的贡献不大，尤其是外照射。

1.3.3原生放射核素

原生放射性核素与宇生放射性核素同属天然放射性核素，但后者是指宇宙射线通过与大气原子核作用的产物，而前者则是从地球形成开始，迄今还存在地壳中的那些放射性核素，因此被称为“原生”放射性核素。

环境中存在的原生放性核素很多，根据它们行为和核性质的差异，可以分为长寿命独立放射性核素核232Th、238U和235U三个天然放射性衰变系列。

（1）长寿命独立原生放射性核素:

独立存在的长寿命放射性核素中以40K在环境中的丰度最大，它广泛分布与生命或无生命物质中。

在天然钾中，40K的同位素丰度占0.0117%[17]，其γ射线能量为1.46MeV。

此外，Rb在环境中

的含量也是比较高，它在天然铆中的同位素丰度占27.83%[17]。

除了这两个核素以外，其余原生独立放射性核素的含量都微小，所以它们对环境辐射的贡献并不明显。

（2）天然放射性衰变系中的核素

环境中天然放射性衰变系有三个:

铀系（238u）,钍系（232Th）和锕系（235u）.其中铀系（又称铀一镭系），它从天然放射性核素238U起始，经过一系列放射性衰变，最终至稳定核素206Pb终止;钍系的母体核素是232Th，该系经过一系列衰变至稳定核素208Pb终结;钢系的鼻祖核素是235U，末代产物为稳定核素207Pb。

在上述三个天然放射性衰变系中，子代产物大部分是。

辐射体α发射p粒子的只是一小部分。

1.4辐射剂量与生物效应的关系

按照生物效应与辐射剂量依赖关系的不同特性，辐射对人体的损伤效应可以分为“随机效应”和“非随机效应”两类。

根据ICRP的定义，“随机效应”是一种效应发生几率取决于辐射剂量的效应，无剂量闭值，如辐射致癌和遗传效应均为随机效应;“非随机效应”是一种严重程度随辐射剂量而变化的效应，有剂量闭值，如白内障[19]。

根据研究，低水平辐射对细胞作用的最重要效应是DNA受损。

正常DNA片断受到电离照射后，可能形成三种受损的片断:

DNA双螺旋中的链发生断裂;丢失碱基和两条链发生交联。

如果DNA受到大剂量照射，可能导致细胞丧失分裂增值能力，出现增值死亡。

此时，机体功能丧失，最终引起非随机效应。

如果DNA受到小剂量照射，损伤的程度比较轻微。

这种损伤有可能被细胞中的酶来修复。

但修复有两种可能，在大多数情况下，修复过程正确无误，而且完整，无损伤体现。

但在少数情况下，修复出现不完善，有时甚至会出现修复不当或修复错误的现象。

此时，DNA可能被转录并翻译，形成异常蛋白质，从而出现病理性症状。

1.4.1非随机生物效应

从生物学本质上讲，辐射对于机体产生的非随机效应就是辐射对细胞的灭活作用，从而导致细胞增殖能力的丧失。

这类损伤的严重程度取决于被灭活的细胞数占总细胞群体的相对份额。

当被灭活的细胞达到一定比例时，机体的结构和功能会发生改变，从而出现病理变化。

ICRP建议公众中的个人眼晶体的年剂量当量限值为15mSv，其他器官或组织的年剂量当量限值为50mSv[19]。

1.4.2随机性生物效应

（1）辐射致癌效应

辐射致癌是低水平辐射的最重要的生物效应。

据报道，诱发人体甲状腺癌的最低吸收剂量为0.06Gγ、急慢性粒性白血病为0.3Gγ、肠癌和妇女乳腺癌分别为0.6和1.5Gγ[19]。

研究表明，辐射的致癌效应与多种因素有关，诸如电离辐射的类型，高LEF值的α或质子辐射，其单位剂量致癌诱发率高于低LEF值的γ,γ射线;照射条件下，在总剂量相等的情况下，一次大剂量照射的诱发率高于多次小剂量照射的诱发率;生物学的因素包括年龄、性别和种系的遗传学特性等。

近年研究表明，辐射致癌的发生率随着辐射剂量的增大而增加，但是并非完全呈线性关系。

为了明确探讨低水平辐射致癌效应的剂量一效应曲线的形状，人们提出过几种模式，其中美国科学院电离辐射生物效应委员会提供的模式是[19]：

式中，E为致癌效应，户为吸收剂量，a和b均为常数。

（2）辐射的遗传效应

辐射的遗传效应是指，电离辐射对受照射者细胞遗传物质的效应和这些效应所引起的生育异常及后代的遗传性缺陷。

电离辐射对于性细胞遗传物质的效应可分基因突变和染色体畸变两种情况。

1.5本研究目的、意义和内容

1.5.1国内外研究状况

自从1945年8月美国在日本投下两颗原子弹至今的近60年中，全世界对环境放射性的研究大致产生过两次高潮。

第一次高潮是从二十世纪50年代开始一直到60年代末，第二次高潮从二十世纪80年代初开始一直延续至今。

二十世纪50年代由于美、英、前苏联为研制和发展核武器，在大气层外层空间进行了大量核试验。

有大量的核爆炸放射性落下灰沉降到地球表面，分散在各种环境中，为了研究放射性落下灰对人体的危害。

各种环境介质中放射性核素的分析方法相继建立，放射性核素在环境中的转移规律也引起人们的关注。

二十世纪80年代后随着各国核电站的兴建，以及核电站发生事故现象的增多，人们对环境放射性研究的兴趣又开始增加。

发生在二十世纪70年代末80年代初的几起核电站事故使兴趣有增无减。

1979年3月28日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站发生事故，导致0.4太贝克勒尔（10居里）131I排入大气环境[1]1981年1月日本苏狭湾舞鹤核电站发生事故[1]，放射性释放到环境，和民用水掺合在一起，1983年1月6日美国俄克拉荷马州大雷核电站发生事故[1]，核电站周围地区出现不同程度的放射性污染。

这几起事故在一定程度上使人们对放射性产生了恐惧心理，从而对环境放射性的研究又开始重视。

随着社会的进步和经济的发展，核技术和放射性同位素在工农业、医疗、科研、教学等领域中的广泛应用以及在城市中各种新型建筑材料的广泛应用，放射性这一“无形杀手”对生态环境所带来的核辐射影响也越来越被重视。

因此，世界上经济发达国家对岩石、土壤中的天然水平放射性进行大量的调查与评价[2][3][4]，在主要城市在生态环境放射性调查及其综合治理上每年都投入大量资金，而且已建立起完善的监测系统。

我国正在开展的国土资源、环境大调查和绿色科技计划中把生态环境放射性调查作为一个重要的内容。

国家环保总局提出了在“十五”期间各省、市、自治区建立