辐射损伤全部课件.ppt

1、核技术应用与辐射防护,第四章 辐射损伤,本章首先是讨论辐射对生物体的损伤，阐明损伤机理，为辐射防护提供依据，其次是讨论辐射对非生物体的损伤，介绍辐射对水、空气、导体（金属或合金）、半导体、绝缘体、有机物等的损伤机理，并进行抗辐射能力的比较，是设备防护和辐射技术应用的基础。,4.1 辐射对生物体的损伤,核技术应用与辐射防护,辐射对生物体危害,外照射危害,内照射危害,来源于体外放射源，放射源不与生物体接触,外部的照射,放射性物质通过呼吸、饮食、皮肤毛孔、伤口进入生物体内,内部的照射,一些微量放射性物质产生的外照射和表面污染虽然没有多大的现实意义，但是如果进入体内，将会连续照射机体，直到放射性物质完

2、全衰变了或被排出机体为止，因而可能产生可观的辐射剂量，必须予以足够重视。,核技术应用与辐射防护,4.1.1辐射对生物细胞的作用1直接作用 辐射直接同生物大分子（例如DNA、RNA等）发生作用，使这些大分子发生电离和激发，导致分子结构改变和生物活性的丧失；同时，电离和激发的分子是不稳定的，为了形成稳定的分子，分子中的电子结构在分子内或通过与其他分子相互作用而重新排列，在这一过程中可能使分子发生分解，改变结构，以致生物功能的丧失。,核技术应用与辐射防护,4.1.1辐射对生物细胞的作用2间接作用 由于生物细胞中含有大量的水分子（以人为例，大约70%），所以，在大多数情况下，辐射同细胞中的水分子发生作

3、用，使水分子发生电离或激发，然后经过一定的化学反应形成一些活性很强的自由基和过氧化物，它们作用于生物大分子，会导致这些分子结构和功能的变化，造成功能障碍和系统的病变。,核技术应用与辐射防护,4.1.2 辐射对生物细胞的损伤,辐射照射,直接作用,间接作用,生物细胞结构与功能改变,生物细胞丧失活性,生物细胞死亡,生物细胞突变,核技术应用与辐射防护,需要注意的是，辐射对生物细胞的损伤最终是通过一些生物效应体现的。,虽然细胞对辐射有敏感性，但同时也有耐受性。生物酶也可以对辐射造成的细胞损伤进行一定的修复，减小辐射的影响，只有这些损伤不能完全修复时才会产生明显的生物效应。假如辐射造成的损伤是严重的并且是

4、大量的（短时间内的大剂量照射），就会损害全部细胞，表现出辐射的危害性。,受到大剂量辐射照射的生物体（如人体等），由于细胞被杀死或受到损伤，最终会出现一些病症的现象。,核技术应用与辐射防护,4.1.3 辐射的生物效应,躯体效应,遗传效应,近期效应,远期效应,确定效应,随机效应,按效应出现的个体分,按效应出现的早晚分,按效应的发生与剂量关系分,核技术应用与辐射防护,表4-1 各类辐射生物效应之间的关系,核技术应用与辐射防护,1躯体效应与遗传效应 出现在受照射者本身上的效应称为躯体效应。 以人体为例，其包括躯体细胞和生殖细胞两类细胞，除生殖器官外，人体的其余组织和器官都是由躯体细胞组成的，而躯体效应

5、的本质是辐射对躯体细胞的损伤，当被损伤的躯体细胞达到一定数量时，就会导致人体器官组织发生病变，最终可能导致人体死亡。躯体细胞一旦死亡，损伤的细胞也随之消失，不会转移到下一代。,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,表4-2 射线外照射对人体的影响,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,在辐射或其他外界因素的影响下，可导致遗传基因发生突变，出现在受照者后裔身上的效应称为遗传效应。 当生殖细胞中的DNA受到损伤时，后代继承母体改变了的基因，导致有缺陷的后代。 由于突变率与吸收剂量成正比，因此一定要避免大剂量照射。,核技术应用与辐射防护,2必然性效应与随机性效应 必然性效应（亦称确定性效

6、应）有吸收剂量阈值，达到或超过某一数值才会发生，在吸收剂量阈值之下不会发生，并且严重程度与吸收剂量大小有关。 辐射诱发白内障有明显的吸收剂量阈值，对X射线或射线，急性照射吸收剂量 2 Gy 以上会引起眼晶体混浊，5 Gy 以上可引起白内障，中子对眼晶体的损伤比X射线和射线高510倍。,核技术应用与辐射防护,随机性效应是指辐射生物效应的发生没有吸收剂量阈值，只要受到照射就有发生的可能，发生的概率与吸收剂量大小有关，严重程度与吸收剂量大小无关。 辐射致癌和辐射致遗传疾病均属于随机性效应。,核技术应用与辐射防护,3近期效应和远期效应 在受到辐射照射后60天内出现变化叫近期效应；在受照射后几个月、几年

7、或更长时间才出现变化叫远期效应。 远期效应可发生在急性损伤已恢复的成员和长期受小剂量照射的慢性损伤成员中，可以出现在受照射者身上，也可出现在他们的后代身上。,核技术应用与辐射防护,4.1.4 辐射生物效应的影响因素,与辐射有关的因素,与机体有关的因素,射线种类和照射方式,吸收剂量和吸收剂量率,分次照射和时间间隔,照射部位和面积,个体的放射敏感性,不同器官、组织和细胞的放射敏感性,核技术应用与辐射防护,不同种类的射线，其电离能力和穿透能力不同，所以引起的生物效应也不同。 射线的电离能力和穿透能力可以用辐射化学产额（G）和传能线密度（LET）表示。 辐射化学产额：每吸收100 eV能量所转换或产生

8、的分子、原子、离子或自由基的数目，反映辐射化学过程的效率。 传能线密度：射线粒子穿过单位长度物质的能量损失，大小为dE/dx，通常以eV/cm为单位。,核技术应用与辐射防护,粒子电荷较高、移动较慢、射程较短，所以很容易被物质吸收，外照射意义不大，仅能损伤机体的表皮。但当放射射线的核素进入体内时，则因电离能力强，对机体损伤远大于X、射线，就内照射而言，其危害性最大。 X、射线其电离能力弱而穿透力大，能够贯穿机体组织，通过间接电离作用在射程的末端发生极高的电离密度，对深部组织作用大，从外照射角度看，辐射生物效应大。 相比X、射线，中子具有更大的穿透能力，并能与物质原子核发生作用，因此危害更大。,核

9、技术应用与辐射防护,辐射生物效应与照射量大小密切相关，总的规律是照射量愈大，生物体的吸收剂量就越大，生物效应愈显著。 一般认为，人受 0.250.5 Gy 照射，仅出现轻度的血像变化，很快可恢复，不发生明显的病理改变，但1 Gy 以上的照射可产生不同程度的急性放射病。 在一定的剂量范围内，高剂量率照射比低剂量率照射的生物效应强。例如，每日550 mGy 的照射，即使长期累积，也只能导致慢性放射病的发生，而当剂量率达到每分钟50100 mGy，则有可能引起急性放射病，其严重程度随剂量率增大而加重。因此，引起急性放射损伤必须要有一定的剂量率阈值。,核技术应用与辐射防护,在总的吸收剂量相同的情况下，

10、分次给予照射，其生物效应低于一次照射的效应，分次愈多，各次间隔时间愈久，则生物效应愈小。,核技术应用与辐射防护,机体受照射的部位对生物效应有明显的影响。当吸收剂量和吸收剂量率相同时，腹部照射的后果最严重，其次为盆腔、头颈、胸部及四肢。 当照射的其他条件相同时，受照射面积愈大，生物效应愈明显。因此，在临床放射治疗中，一般都将辐射源缩至尽可能小的范围，并且采用分次照射以减少每次剂量。这样就可降低正常组织的辐射损伤效应，以达到对局部肿瘤尽可能大的杀伤。,核技术应用与辐射防护,个体的放射敏感性受年龄、性别、生理和健康状况等因素的影响。幼儿和老人比壮年更为敏感，妊娠、慢性疾病、过冷、过热、饥饿、体力负荷

11、较大或较重的外伤等都可能使放射敏感性增强。,核技术应用与辐射防护,成年机体的各种细胞的放射敏感性与功能状态有密切关系，总的规律是细胞的分裂活动越旺盛，其敏感性越高。淋巴组织、胸腺、骨髓组织、胃肠上皮、性腺、胚胎组织等属于高度敏感组织；感觉器官、皮肤上皮、唾液腺、肾、肝、肺等为中等敏感组织；中枢神经系统、内分泌腺、心脏等属于轻度敏感组织；肌肉组织、软骨和骨组织、结缔组织等为不敏感组织。,核技术应用与辐射防护,4.1.5 核辐射事故及举例1核辐射事故概述 定义：核辐射事故通常是指由于失去控制的放射性物质或电离辐射设备产生的辐射照射, 造成人员伤亡、环境污染以及经济损失等方面的事故。,核技术应用与辐

12、射防护,核辐射事故的类型 按发生的原因可划分为责任事故、技术事故和其他事故等；按性质可划分为超剂量照射事故、表面污染事故、丢失放射性物质事故、超临界事故和放射性泄漏事故等；按发生的范围可划分为管辖区内事故和管辖区外事故。可能发生的核辐射事故 核设施事故、核技术应用中的事故、放射性物质运输中的事故、放射性伴生矿事故、其他国家和地区发生的事故、用核反应堆作动力的航空、航天器坠落事故等。,核技术应用与辐射防护,核辐射事故分级 为了便于管理，中华人民共和国国务院449号令放射性同位素与射线装置安全与防护条例将核辐射事故按事故的性质、严重程度、可控性和影响范围分为4级，如表4-3所示。,表4-3 核辐射

13、事故管理分级,核技术应用与辐射防护,2核辐射事故举例,例1：切尔诺贝利核电厂事故例2：2000年埃及重大辐射致 死事故例3：山西省忻州特大辐射致 死事故,核技术应用与辐射防护,切尔诺贝利核电站所使用的反应堆,切尔诺贝利核电站石墨慢化压力管式沸水堆,核技术应用与辐射防护,切尔诺贝利核电站堆顶图及该核电站位置,RBMK-1000反应堆大厅堆顶图及切尔诺贝利核电站位置,核技术应用与辐射防护,1986年4月26日，在人类历史上永远是一个黑色的日子。那天夜里，切尔诺贝利核电站8号涡轮机正进行一次年度计划停堆检修的惯例试验，模拟在外接电源被意外切断时，试验涡轮机剩余的惯性能量能否继续驱动水循环泵，直到柴油

14、发电机组接替。作为准备工作的一部分，操作人员切断了一系列包括自动运行断路安全机构在内的重要控制系统。就在试验进行之中，一个系统错误导致的多米诺效应引起功率急剧上升，触发了巨大的蒸汽爆炸，将1000吨的核反应堆的顶盖迅速变成无数碎片，冲上天空。高达2000的烈焰吞噬着机房，熔化了粗大的钢架。携带着高放射性物质的水蒸气和尘埃随着浓烟升腾、弥漫，遮天蔽日。大量的放射性物质向环境释放。周围5万多平方公里土地受到直接污染，320多万人受到核辐射侵害。,例1：切尔诺贝利核电厂事故,核技术应用与辐射防护,时至今日，在白俄罗斯、俄罗斯联邦和乌克兰，切尔诺贝利事故所致的放射污染的后果仍非常明显，例如，甲状腺癌、

15、因食用受污染食品而导致体内辐照、事故导致的心理影响以及其他健康问题。在乌克兰大约110万人的病因与切尔诺贝利相联。多数乌克兰的孩子同时会遭受两到三倍的慢性病症，因为他们的免疫系统非常脆弱。婴儿的死亡率以及畸形胎儿在污染的区域明显上升。专家预计，切尔诺贝利核事故还会在未来10万年里仍将对人类构成威胁。,例1：切尔诺贝利核电厂事故,核技术应用与辐射防护,切尔诺贝利核电站事故,住户撤离后室内凌乱的景象,救援结束后，被弃置的直升机和其他设备,核技术应用与辐射防护,切尔诺贝利核电站事故,无人区景象,事故中的幸存者,核技术应用与辐射防护,例2：2000年埃及重大辐射致死事故,米特哈尔法(Meet Half

16、a)村位于埃及首都开罗以北 5 km，2000年5月5日村民哈桑把1个工业探伤用的放射源当作贵金属捡回家。这个圆柱形辐射物长约18 cm，直径4 mm，属于检查管道焊接是否严密的一种仪器中的1个部件，为一家管道焊接检测公司工作的操作员丢失了一段时间。该放射源造成3死4伤的严重后果，引起米特哈尔法村民极度恐慌，为躲避灾难，纷纷外逃。这一事件的发生暴露出了埃及在辐射物进口、使用、报废等管理方面存在的严重漏洞。当时，埃及负责辐射物管理的有两个部门：卫生部和原子能机构。包括这次辐射事件中的铱-192在内的封闭性辐射物质，其管理权归卫生部；而开放性辐射物质的管理权则归原子能机构。这种“双轨现象”使管理上

17、出现了漏洞，致使米特哈尔法的悲剧发生。,核技术应用与辐射防护,例3：山西省忻州特大辐射致死事故 1992年11月19日，山西省忻州市一位农民张某在忻州地区环境检测站宿舍工地干活，捡到一个亮晶晶的小东西，便放进了上衣口袋里，几小时后，便出现了恶心、呕吐等症状。十几天后，他便不明不白地死去。没过几天，在他生病期间照顾他的父亲和弟弟也得了同样的“病”而相继去世，妻子也病得不轻。后来经过医务工作者的调查，才找到了真正的病因，那个亮晶晶的小东西是废弃的钴-60，其放射性强度高达10 Ci，足以“照死人”。,核技术应用与辐射防护,虽然核辐射事故的危害巨大，而且后果具有长期性，但核辐射事故也是完全可以避免的

18、。据统计，绝大多数核辐射事故都是人为因素造成的。19881998 年我国共发生核辐射事故332起，其中281起为责任事故，占84.64%。显然，如果能严格监管，提高工作人员素质和责任心，并通过普及教育提高公众对核辐射知识及防护方法的了解，就可以预防和减少核辐射事故的发生。,核辐射事故带来的启示,核技术应用与辐射防护,4.2 辐射对非生物体的损伤,首先要说明的是，此处的损伤不能被单纯地理解为是坏的变化。如果辐射引起的损伤导致了材料或器件的物理、化学性质偏离了预期的设计，则这种损伤是有害的，否则，如果辐射引起的损伤能够引起材料或器件的物理、化学性质朝有利于应用的方向发展，则这种损伤是有利的，这也是

19、辐射加工技术产生和发展的基础。,物理损伤,化学损伤,受辐照物质物理结构和性能的变化,受辐照物质化学结构和性能的变化,核技术应用与辐射防护,4.2.1 物理损伤,1物理损伤的机理分析,对于无机晶体，如金属、半导体、离子盐等，当受到射线辐照时，可能由于多种辐照效应，如位移效应、电离效应、温度效应等，引起晶体结构和性能发生变化。,核技术应用与辐射防护,对一些特殊情况，还会存在其他的一些不容忽视的效应，如嬗变效应、单粒子效应等。 嬗变效应是指受辐照物质原子核发生核反应转变为另一种原子核的过程。嬗变效应引起的变化在本章中不做进一步讨论。 单粒子效应是指受辐照半导体数字集成电路发生逻辑混乱或失效的现象。在

20、某些情形下，单粒子效应所造成的危害是致命的。但由于其特殊性，对它的深入分析将放在讨论半导体的辐射损伤时进行。,核技术应用与辐射防护,（1）位移效应 射线粒子进入晶体后，可通过碰撞将能量传递给晶格，使晶格点阵原子偏离正常位置产生位移的现象称为位移效应。 位移效应可以形成大量的空位、填隙原子、复合体等晶格缺陷，从而影响材料的物理性能。当受辐照剂量极高时，晶体结构会被完全破坏。,核技术应用与辐射防护,级联碰撞理论,第一次从晶格点阵中碰撞出的初级位移原子，从碰撞中获得的反冲动能有可能远远大于晶格点阵原子的位移阈能（亦称离位阈能，是点阵原子形成位移原子所必须的最小能量，大小等于形成位移原子的断键能与位移

21、原子克服势垒所做功之和，一般只有几十电子伏特，如Si的平均位移阈能为14.8 eV），因而有能量与其附近的晶格点阵原子继续发生碰撞，使被碰撞原子发生位移形成次级位移原子，次级位移原子也可能与其他晶格点阵原子碰撞，从而形成更多的位移原子，直到位移原子动能小于位移阈能碰撞才停止，这种过程称为级联碰撞。,核技术应用与辐射防护,级联碰撞产生的位移原子数 N 可以用修正后的金奇恩皮思（Kinchin-Pease）公式计算，即,级联碰撞理论,（4-1）,式中：E是初级位移原子所获得的平均动能，E是非弹性碰撞损失的能量，Ed是位移阈能，是级联碰撞中传递给位移原子能量的百分比，解析表达式为,（4-2）,核技术

22、应用与辐射防护,级联碰撞理论,其中为约化能量，具体表示为,（4-3）,式中：e为电子电荷数，Z为位移原子核电荷数，a为屏蔽半径，对于同类原子的碰撞，a又表示为,（4-4）,式中a0=0.0529 nm为玻尔半径 。,核技术应用与辐射防护,级联碰撞理论,与入射粒子的能量有关系吗？与晶体构成原子的质量有关系吗？,核技术应用与辐射防护,级联碰撞理论,当入射的是相对论粒子（如快速电子）时，初级位移原子获得的最大反冲动能为,平均动能为,其中Ein、m为入射粒子能量和质量，M为晶格点阵原子质量。,（4-6）,（4-5）,核技术应用与辐射防护,从以上的分析可以看出，入射粒子能量越大，晶格点阵原子质量越小、位

23、移阈能越低，则辐射造成位移原子数也就越多，所形成的缺陷（空位原子对，Frankle缺陷）浓度也就越大，损伤也就越严重。同样，根据级联碰撞理论，也可以推断出当入射粒子能量、晶格点阵原子位移阈能一定时，缺陷浓度随受辐照剂量增加而增加的结论。,级联碰撞理论,核技术应用与辐射防护,（2）电离效应 当射线粒子穿过受辐照晶体时，与构成原子的核外电子相互作用，会使电子获得能量，脱离原子轨道，形成电子空位对，从而导致非平衡载流子浓度增加、绝缘体的电导率升高。这种现象就称为电离效应。,这样的定义是宽泛的，涵盖了能够产生非平衡载流子的各种行为，如光电效应、康普顿效应、电子对效应等。 电离效应所引起的非平衡载流子的

24、寿命是短暂的，如果不存在晶界变化所引起的势垒改变，其寿命约 10-7 s，一旦辐照停止，就会很快消失。但实际上，由于位移效应等的影响，晶界改变总是存在的，所以电离效应也可以产生对晶体的永久损伤。,核技术应用与辐射防护,（3）温度效应 一是辐射的加热作用。具有高LET值的辐射可以在晶体中瞬时（10-1110-10 s）局部加热到很高的温度，亦即“热峰”，导致晶体局部熔化。熔化区迅速固化，但是它已不是原来的作为结晶中心的损伤区。重新固化区包含不同于Frankle缺陷的反常现象，例如微晶，其排列方向不同于原结晶的一般排列方向。 二是辐照温度的影响。在低温下，射线辐照会产生更多的缺陷，但是这些缺陷经过

25、加热，能完全地或部分地被退火。高温辐照不产生或少产生缺陷，已经被很多研究所证实。,核技术应用与辐射防护,2物理损伤的影响因素 （1）当射线粒子穿过受辐照材料时，电离效应与位移效应基本上是同时存在的，并以复杂的形式交织在一起。,表4-4 各种射线对晶体的辐照效应,核技术应用与辐射防护,电离效应可导致晶体内非平衡载流子的浓度增加，但这种增加应该是暂时的，当辐照停止后，因为复合作用，非平衡载流子浓度又会下降，是否可以恢复到未辐照时的水平，必须考虑位移效应等其他因素。事实上，晶体材料受到辐照后，晶体结构往往发生变化，如生成晶簇、产生空洞等，这些行为将导致新的势垒形成，并阻止电子与空位的复合，所以辐照停

26、止后，非平衡载流子浓度不会完全恢复到未辐照时的水平，从而引起晶体材料导电性能的增加。另外，当电离效应所产生的非平衡载流子浓度较高时，电子空位对作为散射中心，也可以导致载流子迁移率的下降，使得材料电阻率增加，导电能力下降。,核技术应用与辐射防护,点阵原子,缺陷,载流子,核技术应用与辐射防护,1MeV，Ga+注入InSb形成的多孔结构,核技术应用与辐射防护,（2）不同类型射线具有不同的性质，因而对受辐照晶体的影响也不相同。 就位移效应引起的缺陷而言，粒子和快速电子的效率很低，而重粒子，如粒子、氘核、中子等的效率则高得多。特别是粒子，本身并不能直接使晶格点阵原子移位，而是先通过光电效应、康普顿效应、

27、电子对效应等电离作用产生次级电子，然后次级电子与晶格点阵原子作用，使之移位，产生缺陷。,核技术应用与辐射防护,（3）尽管辐照条件完全一样，但晶体结构的不同会导致辐射损伤程度的差异。 对于实际的器件而言，即便是由同一晶体材料构成，但由于制造过程或工艺的微小差异，也会导致不一样的结果。,核技术应用与辐射防护,3不同物质的辐射损伤（1）导体 以中子致金属辐射损伤为例进行说明。,通过级联碰撞过程，产生了一系列点缺陷，包括空位和间隙原子。 在这个模型中假定了碰撞事件是孤立的，每次碰撞只涉及二体的作用，而且忽略了金属内原子排列的方向性。,图4-5 中子致金属辐射损伤的主要形式方格交点为靶原子平衡位置,核技

28、术应用与辐射防护,击出原子可以带有很高的能量，这时它能够以带电的离子状态出现，在行程中可以和点阵原子中的电子交互作用，产生强烈的电离效应。,核技术应用与辐射防护,入射粒子或击出原子与点阵原子相作用时也可以是掠射性（小角度）的低能传递。这时靶原子并不离位而是在其平衡位置附近被迫振动，并将这一振动能迅速传递到周围去。其效果有如金属内部的一个微观区域被迅速加热和冷却。这个瞬时过程称作热峰。热峰可能在10-11秒的时间内达到几千度的温度。,核技术应用与辐射防护,入射粒子最后停留下来，或与靶原子核发生核反应产生新的元素，成为杂质原子。例如，不锈钢中的镍可以通过59Ni(n,)56Fe反应转化成铁和氦。,

29、金属内的原子呈有序排列，因而沿某一晶向的一列原子可能发生一连串连续对撞，包括换位碰撞、聚焦碰撞、动力挤子等。,图4-6 面心立方晶体的贫化区及周边情况,核技术应用与辐射防护,当入射粒子或击出原子的能量下降到几千电子伏，碰撞的几率变大，碰撞之间的平均自由程接近于点阵原子间距，这时所产生的点缺陷不再是孤立的，而是集中在一个区域。此区域的中心有很多空位，而在边缘上被一些填隙原子所包围。这个不稳定的缺陷浓集区称作位移峰。位移峰边缘的填隙原子受聚焦碰撞的作用向外推动，又形成了一个新的空位密集区，称贫化区。,核技术应用与辐射防护,上述过程虽然针对的是中子与金属的相互作用，但也适用于带电重粒子，所不同的是带

30、电重粒子和靶原子碰撞的几率比中子大，射程也较短，因而损伤区集中而且损伤率要比中子大。反之，由于中子不带电荷，不发生库仑碰撞，所以它可以有很大的平均自由程和射程，足以造成分布于整个金属中的损伤。,核技术应用与辐射防护,另外，带电重粒子可以造成金属表面的溅射，使金属表面形成锥形突起（图4-7）；气体带电粒子还可以使金属表面起泡和层离（图4-8）。,图4-7 40 kV Ar+轰击铜金属表面形成的锥形结构,图4-8 100 kV He2+轰击Inconel 625表面发生的层离现象,核技术应用与辐射防护,Inconel 合金,核技术应用与辐射防护,金属的辐射损伤是产生多种形式的晶体点缺陷和点阵扰动。

31、然后，这些缺陷根据一定条件扩散、聚集，或者转化成其他形式的缺陷，结果使金属的性质发生变化。除此以外，辐射损伤的空位还可以聚集成空洞，辐照产物He2+ 还可以聚集成氦泡，如图4-9所示。,总结1,图4-9 辐照后He2+聚集为氦泡,核技术应用与辐射防护,缺陷的形成会使金属的性质和行为发生变化，例如 （a）辐照生长 （b）辐照肿胀 （c）辐照蠕变 （d）辐照硬化和辐照脆化,总结2,核技术应用与辐射防护,（a）辐照生长 点缺陷（空位或间隙原子）能在一定晶面上聚集，从而造成某些材料沿一定方向的尺寸随辐照而显著变化。辐照生长对各向异性的核燃料（如铀、钚）和结构材料（如石墨、锆）是一个很重要的问题。 （b

32、）辐照肿胀 空位和惰性气体原子的聚集可以造成辐照肿胀。它表现为材料的体积和密度随辐照发生变化。核燃料在较高温度时以及快中子堆中的不锈钢都有肿胀问题。,核技术应用与辐射防护,（c）辐照蠕变 蠕变：在应力不变的情况下，应变随时间延长而增加的现象。 辐照蠕变是指辐照可以导致蠕变或加速热蠕变。 发生辐照蠕变的一种原因是：在应力作用下点缺陷将择优聚集，表现为位错的定向攀移或位错环的定向形成，结果材料的尺寸变化既和辐照有关又和应力矢量有关。,核技术应用与辐射防护,（d）辐照硬化和辐照脆化 点缺陷与贫化区的存在不仅会使金属发生硬化，表现为屈服强度提高，也会导致体心立方金属韧性脆性转变温度上升，使材料经长期辐

33、照后在其使用温度下变为脆性材料，这是辐照对反应堆压力壳体钢的重要威胁。此外，高温时气泡（如氦）在晶界的形成也会造成氦脆。,核技术应用与辐射防护,上述分析主要针对辐射损伤对金属材料的不利影响，事实上，在某些条件下，辐射损伤也可以导致金属性质向有利于应用的方向发展，甚至形成其他方法难以形成的新的合金相，这就是在第六章中将涉及的离子束金属改性与离子束冶金。,核技术应用与辐射防护,（2）半导体 研究对象：InSb、GaAs、Si、Ge等四类半导体霍尔器件，基本参数如表4-5所示。,表4-5 四类半导体霍尔器件的基本参数,核技术应用与辐射防护,放射源：60Co 和137Cs放射源。,图4-10 实验装置

34、原理图,核技术应用与辐射防护,图4-11 Co-60辐照对半导体霍尔器件输入电阻的影响,部分实验结果,核技术应用与辐射防护,结果分析,点阵原子,缺陷,载流子,核技术应用与辐射防护,结果分析,表4-7 20分钟137Cs辐照对半导体霍尔器件输入电阻影响（12.5 ）,表4-8 原子的位移阈能与相对质量,核技术应用与辐射防护,辐射对半导体的影响,射线辐照可通过位移效应在半导体内形成大量缺陷，进而影响半导体材料的导电性能。 射线辐照导致缺陷产生，并在半导体内形成附加能级。 Ge半导体经 60Co 辐照后，在价带和导带间存在2个附加能级，分别为 0.26 eV 和 0.20 eV；Si半导体经电子射线

35、辐照后，当辐照温度为 300 K 时，价带和导带间存在 5 个附加能级。,核技术应用与辐射防护,辐射对半导体的影响,射线辐照形成的缺陷对半导体的最终导电类型也有明显影响，究竟如何影响必须考虑缺陷与杂质组态情况，而缺陷与杂质究竟如何作用，迄今为止尚不清楚。,表4-9 10MeV的氘核或中子流辐照后半导体材料的最终导电类型,核技术应用与辐射防护,辐射对半导体的影响,单粒子效应对深层空间运行的航天器中具有致命的威胁，在太阳耀斑强发生时期更是如此。例如，19711986年国外发射的39颗同步卫星中，由单粒子效应造成的故障占到辐射总故障的55。 单粒子效应的种类很多，如下表所示。,核技术应用与辐射防护,

36、表4-10 单粒子效应分类,核技术应用与辐射防护,辐射对半导体的影响,所有这些效应中，单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子位移损伤和单个位硬错误都为永久损伤，也称硬错误，器件彻底损坏。单粒子闭锁在不采取保护措施的情况下也会导致永久损伤。其它效应均为软错误，器件可以恢复正常状态。,核技术应用与辐射防护,辐射对半导体的影响,半导体材料由于它们的“异常性”（晶格缺陷、杂质）而导电，而电离辐射恰恰可以用来改变这种异常性。电离辐射产生的异常性可能是持久的，也可能是暂时的，前者包括空穴、填隙粒子和位错粒子等，后者之一是电离作用，它在停止辐照之后仅可持续10-7 s。利用这样的结果，我们可以探讨辐射对半导体损伤的

37、应用。两个典型的例子分别是对辐射进行探测（如第四章所述）和离子束注入改性（将在第六章讨论）。,核技术应用与辐射防护,（3）绝缘体 绝缘体包括有机绝缘体和无机绝缘体两类，由于包含的内容较多，所以关于辐射的影响，我们不做一般意义上的讨论，这里仅给出两个实例予以说明辐射对无机绝缘体的影响。,核技术应用与辐射防护,辐射对玻璃的影响 辐射影响下，玻璃的某些性质显著改变：它们的颜色会发生变化，某些种类还显示荧光。图4-12描绘了钠玻璃的黑度（S）对剂量的函数关系。,图4-12 在辐射影响下钠玻璃板的黑度变化,核技术应用与辐射防护,下式给出了1mm厚钠玻璃的黑度与剂量的关系。,式中D表示剂量，以 104 G

38、y为单位。 由辐照引起的钠玻璃的黑度变化完全或部分地可逆。对某一温度，黑度减退开始很快，然后减慢，在较高温度下总的褪色率较高。某些色彩中心的复原形成热释光，这可以由适当的仪器测得。,核技术应用与辐射防护,辐射对绝缘层导电性能的影响 实际使用的半导体器件表面均有绝缘层予以保护，如SiO2、Al2O3、Y2O3等，其中Al2O3由于具有更大的禁带宽度，成本也不高，正逐渐取代SiO2成为应用最为广泛的绝缘材料。 在射线辐照下，绝缘层的导电性质可能发生较大的改变。,核技术应用与辐射防护,例1：T. Terai等人则用2.2 MeV的电子射线照射Al2O3样品，发现样品电导率显著升高，如图4-13所示。

39、,图4-13 辐照与未辐照的Al2O3样品电阻和温度的关系,核技术应用与辐射防护,例2：Patuwathavithane等人分别用质子（2 MeV）、粒子（2 MeV）和射线（1.2MeV）对蓝宝石（主要成分为Al2O3）进行辐照，以考察其电导率变化，其中射线的辐照结果如图4-14所示。,图4-14 射线辐照蓝宝石电导率的影响,核技术应用与辐射防护,对于辐照所引起的Al2O3电导率升高现象，Patuwathavithane等认为存在两种形式，一是可恢复性的，另一个是永久性的。可恢复性的升高主要存在于单晶样品，原因在于电子空位对的激发，而永久性的升高则存在于多晶样品，取决于微结构的改变，即颗粒边

40、界的扩散。,核技术应用与辐射防护,4.2.2 化学损伤1辐射对无机物的损伤（1）气体 高LET辐射作用于空气中的氧气可以产生臭氧，一般来说气压越高，产额越大。辐射导致的臭氧，一方面可以用于某些场合的杀菌消毒，另一方面，当有冷凝水存在时（空气的露点为1015 ，在相对湿度较大时，冷凝水一般存在），会对金属构件造成严重腐蚀。,核技术应用与辐射防护,辐照氨气可以生产肼，同时形成氢气和氮气，但是在较高的剂量下肼也进行分解。通过应用惰性气体添加剂（例如加氪）和铂催化剂可以提高反应速率。因为肼对于火箭推进器是重要的（长3甲，燃烧剂为偏二甲肼），所以人们已经设计了一种辐射化学合成肼的实验性工厂。这种合成在工

41、艺上虽然是先进的，但目前还没有实现商业化，估计是由于经济上的原因。 对空气的辐射可以合成氧化氮，尽管用裂变产物或用核反应堆的混合辐射完成的固氮产额是低的，而且在辐照的作用下氧化氮还会分解，但这对于硝酸生产可能是重要的，同时也要注意因此而产生的腐蚀问题。,核技术应用与辐射防护,（2）水和水溶液 皮埃尔居里早在 1901 年就观测到，在辐射的作用下，含镭盐的水溶液，可以放出氢和氧。后来发现氧是次级产物，它是由过氧化氢形成的。水的辐射分解对于溶解物质（例如硫酸铜、有机杂质等）是极其敏感的，并且与辐射的LET值成正比。,核技术应用与辐射防护,水的分解反应可用以下两式表示：,对于低LET辐射，,对于高L

42、ET辐射，,式中,代表溶剂化电子，由被液体分子包围的一个电子组成，在含,水系统中称它为水合电子。它可能是最简单的离子，寿命短到几微秒，,具有还原性。,核技术应用与辐射防护, 水被辐射分解是可逆的，但要取决于条件。如果照射完全注满水的安瓿瓶，水的辐射分解则在低转换下建立平衡。反之，如果在液体水上面存在气相，则促进分解，因为产生的氢可以离开液相，从而阻止了逆反过程。 每一种能与OH自由基或H原子反应的溶解有机物和无机物，因为逆反过程的几率减少，都会加速水的辐射分解。极低浓度的杂质也会改变水分解的程度。在稀溶液中，可以假定辐射主要与溶剂起反应，而溶质的初级辐射分解可以忽略。,核技术应用与辐射防护,

43、在水水型反应堆中，水具有三重作用：慢化、导热和辐射防护。由于逆相反应可以无阻碍地发生，所以，只要水是纯的，水就很难分解。但是，作为空气辐射分解和腐蚀的结果，反应堆中的水将变得越来越污染，因而分解反应的产额（G值）增加。水分解的程度也是温度的函数，如果水是沸腾的，氢迅速地逸出，剩下的OH自由基产生过氧化氢，反过来过氧化氢又产生水和氧。因此，在辐照水的上面同时存在氧和氢，这意味着一种爆炸的危险。,核技术应用与辐射防护,2辐射对有机物的损伤（1）烃类 对烷烃（或链烷烃），辐射的影响主要是降解，其中下面的反应是非常重要的： 分子氢的形成,核技术应用与辐射防护,C-H键断裂,C-C键断裂,离子分子反应，

44、例如,核技术应用与辐射防护, 辐射对烯烃（烯族烃）的影响最重要的是聚合。虽然也存在降解，但G值只有饱和烃类观测到的G值的 1/3，这种现象一方面可解释为物理“保护”，即化学反应以外的辐射能量损失，另一方面可解释为自由基与双键之间的反应，亦即净化过程。, 芳香族烃类的特点是，它们极端耐辐射。这一论点对于多环芳香族烃，比如象三联苯是特别正确的，通常它们的G值（对于H2）低于0.05。,核技术应用与辐射防护,（2）聚合物,聚合物是高分子材料的别称，是以高分子化合物为主要组分的有机材料。高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量一般在5000以上，有的甚至高达几百万。高分子化合物由低分子

45、化合物通过聚合反应获得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫线型高分子(如聚乙烯的分子)。这种高分子在加热时可以熔融，在适当的溶剂中可以溶解。高分子化合物中的原子连接成线状但带有较长分支时，也可以在加热时熔融，在适当溶剂中溶解。如果高分子化合物中的原子连接成网状时，这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构，所以也叫体型高分子。体型高分子加热时不能熔融，只能变软；不能在任何溶剂中溶解，只能在某些溶剂中溶胀。,核技术应用与辐射防护,辐射对聚合物的影响类似于辐射对相应单体的影响。依据发生反应的种类，辐射对聚合物的影响分为辐射交联、辐射降解、辐射聚

46、合、辐射固化、辐射接枝等，另外脱氢和氢化也是不能忽视的重要过程。在这些反应中，辐射交联、辐射降解具有特殊的重要性。,核技术应用与辐射防护,辐射降解是指辐射导致聚合物化学键断裂，分子量降低的过程。 辐射交联的机制是自由基反应，是分子量增加的过程。,核技术应用与辐射防护,受辐照聚合物性质,辐照剂量,温度,反应气氛,辐射降解,辐射交联,？,聚合物的辐射交联与降解效应是一种竞争机制,核技术应用与辐射防护,在一定辐射剂量范围内，以交联反应为主的高分子材料，称之为辐射交联型高分子；相反以降解反应为主的高分子材料，称之为辐射降解型高分子。一般来说，柔顺的高分子链易于进行辐射交联，而刚性的高分子结构更易于辐射

47、降解。,受辐照聚合物性质,核技术应用与辐射防护,表4-11 常见的辐射交联和辐射降解聚合物（室温、无氧）,核技术应用与辐射防护,辐照剂量,当辐照剂量超过一定范围，所有的高分子都会出现辐射降解，最后被降解成小分子。例如，在聚氯乙稀的辐射处理中，要想得到足够的凝胶含量，3040 kGy的量比较合适，如果剂量大于75 kGy，已经交联的聚氯乙稀会发生降解。,温度,反应气氛,温度升高，则分子链的活动能力增强，高分子链自由基的复合会加强，有利于交联反应。,氧是交联反应的抑制剂，能够猝灭自由基，氧的存在可以减少聚乙烯辐射交联的凝胶含量。,核技术应用与辐射防护,辐射固化是指利用电离辐射引发活性成分，或引入对

48、辐射敏感的单体（或基团），经辐射作用在基体表面快速反应实现固化的过程。辐射固化分为紫外辐射固化（UV）和电子束辐射固化（EB）两种。EB油墨是辐射固化的典型应用，这在第六章中将进行详细介绍。 辐射聚合是指对辐射敏感的单体（或基团）在辐射作用下聚合在一起的过程。例如，将适当的木材首先真空干燥，然后用单体（如苯乙烯）浸渍，再用 104105Gy 的剂量辐照可以产生性能优异的塑料木材复合材料。,核技术应用与辐射防护,如果一种适当的聚合物在有单体的情况下被辐照，则从单体产生的自由基开始聚合，并且所形成的聚合物附着在原来加入的聚合物上，这就是辐射接枝共聚。 接枝共聚在辐射化工中应用也非常广泛。例如，接枝共聚可能使那些难以用其他方法着色的聚合物（如聚丙烯）有可能着色；利用乙烯与一氧化碳接枝，可以生成一种具有许多优良品质的廉价聚合物，而这种物质不能用任何别的方法生产。,