环境与辐射-第一章[2] 宇宙辐射

环境与辐射环境辐射的来源－宇宙辐射宇宙辐射的来源宇宙辐射按其来源可分为银河宇宙辐射、太阳粒子辐射和捕获辐射。捕获辐射主要由被地球磁场截留在绕地球轨道上的电子和质子构成，捕获质子和电子存在于两个辐射带上，一个距赤道2.8地球半径范围以内，一个在此范围以外，外辐射带上粒子的强度和能量更大。虽然捕获粒子可能给空间旅行者带来辐射危害，但它们在地面上并不产生任何辐射剂量。能到达地球的主要是银河宇宙辐射和太阳粒子辐射。银河宇宙辐射一般认为银河宇宙辐射产生并加速于下述过程：＃星体耀斑（stellarflares）,＃（恒）星体冠状物质喷射（stellarcoronalmassejection）;＃超新星爆炸（supernovaexplosions）;＃脉冲星加速（pulsaraccelerations）,和#银河慧核爆炸（explosionofgalacticnuclei）。图1－plus1脉冲星是旋转的向一定方向发射辐射的星体，本图是银河系已知脉冲星（pulsars)的位置。一般认为仅仅出现在宇宙的遥远边际的伽马射线爆发（GammaRayBursts）是宇宙射线之源。图中白色亮斑是辐射源。图1－plus3Chandra望远镜拍摄的第一个超新星残核（supernovaremnant）CassiopeiaA,它们是银河系这类星体中最年轻的。CassiopeiaA大约是1680年爆发的.图中最亮的地方对应星体最热的星区。（Credit:NASA）银河宇宙射线的特性驻留时间（meanresidencetime）:平均200Ma（2亿年）；因受星际空间(interstellarspace)的磁场约束（磁场强度10mG）。能量分布：银河系宇宙射线强度的能量分布E-g/MeVg=2.6,E<1PeV；或g=3,E>1PeV。(T=12,P=15,E=18,a=21)粒子成分组成：Protons:95%,a:3.%,heaviernuclei：2%电子、光子：占百分数很小，从对地球人类所致剂量的角度可略。强度：太阳圈（heliosphere）之外：20(cm2.s)-1,而且几百万年内不随时间变化。太阳粒子太阳是不断向外扩展、喷射的等离子流（太阳风、太阳冠状外层），伴随不规则的磁场。太阳有很强的中心电位（heliocentricpotential）。太阳耀斑通常伴随高能辐射现象，如发射高能g射线，硬X射线、软X射线、无线电波等；同时也发射高能粒子：质子（大部分）、较重核以及电子。太阳粒子加速效率很高，在10s或更短时间内可加速到GeV。宇宙辐射通过太阳圈、地磁场和大气层的传播太阳调制宇宙辐射通过太阳圈时受太阳不规则磁场的作用而经历许多次散射并在太阳风中漫游（randomwalk），太阳圈外面的宇宙辐射向内扩散并减速。太阳活动有11年的周期，11年中其活动有强、弱变化，在太阳弱活动期间宇宙射线强度最大，强活动期间强度最小。宇宙射线粒子的能量大多在102和105MeV之间，其能谱组成受太阳活动引起的磁场变化的影响。能谱组成经历太阳调制后，地球轨道上宇宙射线的能谱组成f（E）为：f（E）＝f0（T）[P(E)/P(T)]2T=E+ZUP(x)=(1/c)(x2+2Axm)1/2 式中：m为核子质量（MeV）；C为真空中的光速；f0（T）为未调制时被调制粒子的原子量A、原子序数Z和T(MeV）的函数；T(MeV）银河宇宙射线粒子的能谱组成；U为调制电位（MeV，太阳中心电位）。所以，地球轨道上宇宙射线的能谱组成主要由U、A和Z决定。在宇宙射线构成中被称为HZE粒子（高原子序数和高能量）的重离子因其相对高的丰度、能量及原子序数对人照射的意义最大。太阳粒子辐射太阳粒子辐射来自太阳,是太阳持续产生的能量低的粒子，但在太阳强活动期，能发射出更多的能量更大的粒子，称作太阳粒子事件，能量通常在1至100MeV之间，或更高。这种事件对载人空间飞行可能很重要。但由于大部分太阳粒子能量不大，不能穿过地球磁场，因此，太阳粒子在地球大气层中的辐射照射不太重要。由于太阳辐射的磁场使能量不太高的银河宇宙射线粒子偏离太阳系，因而导致地球上宇宙射线注量密度的11年周期。大气层顶部银河和太阳质子（中等太阳耀斑之后）能谱组成的比较（1967年）地磁场影响银河宇宙射线也受地球附近地磁场的影响，地磁场阻止能量低的粒子到达大气层。其影响随纬度变化，从地球赤道到南北两极逐渐减少。能到达地面的宇宙辐射对地面上和飞机中物种的照射最为重要。宇宙射线粒子的地磁刚性（magneticrigidity）*地磁刚性r：即单位电荷的动量，定义为：r=Pc/q其中P和q分别为粒子的动量和电荷，c为光速。 *宇宙射线粒子进入大气层时，对每个入射角，都有一个临界刚度，低于临界刚度，入射宇宙粒子不能进入大气层。*垂直入射临界刚度Vc＝14.9cos4l其中l为地磁纬度。粒子能量和刚度的关系为正变关系：E=[(rZ/A)2+m2]1/2–m太阳粒子从太阳到地球的传播，角度是太阳冠的传播角（O’Brien）宇宙射线在大气层中的传播在距离地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf x处、方向、能量为E的i类粒子的产率可以表示成： Qij=SddEBsij(EBE,’)fi(x,EB,’,t)J4E 式中fi是距离x处、方向、能量为E的i类粒子在t时的注量。计算的和测量的海平面垂直入射质子谱比较计算的强子注量率随大气层深度的分布宇宙射线与地球大气层的相互作用由于银河宇宙射线、太阳粒子与地球磁场和与大气层物质的相互作用，大气层的宇宙射线粒子组成、能量分布和时间变化与其银河系的母体有很大不同。宇宙射线与大气层物资相互作用的类型有：散裂反应（spallation）和中子俘获。散裂反应当初级粒子进入大气层时，与空气中的原子核（氮、氧、氩）相互作用，除生成各种散裂反应的剩余核素以外，还产生一个或多个核子（中子、质子）以及μ介子、π介子和K介子等次级粒子，这种高能反应称作散裂反应。核子成分主要产生于大气层的上层；质子主要在散裂反应中生成；中子通过散裂反应和通过低能（p，n）反应产生。由于核子通过电离和核碰撞很快失去能量，核子注量密度在大气层低层大大减弱。在较低大气层中子能谱范围广阔，从热中子到100MeV和更高。中子俘获中子被靶核俘获，产生比靶核重一个质量单位的放射性核素。级联过程（electromagneticcascade）初级宇宙射线生产的许多次级粒子，与大气中原子核发生系列核反应，其结果是级联过程。电磁级联是从中性π介子衰变产生的光子开始的，这些光子产生正负电子对和康普顿电子，它们反过来又通过轫致辐射和正负电子湮没产生更多的光子。随着簇射粒子数的增多，其平均能量减少，最后，级联过程停止。除了在较低的大气层之外，电子是主要的电离源。μ介子与原子核相互作用的截面小，衰变前平均寿命为2.2μs，能穿入较低的大气层，是海平面宇宙射线的主要成分。大部分μ介子的能量范围在0.2—20GeV，其中值为2GeV。海平面宇宙射线的主要成分按其注量率大小以次是m介子，电子，质子，带电p介子，中子,其特性见后。图1－plus5地球大气层中宇宙射线粒子的特性名称质量（MeV）平均寿命（s）主要衰变方式质子（p）938.2稳定稳定中子（n）939.51.01E3P＋e＋ve介子（）139.62.55E-8m+vm（0）134.91.78E-10g+gK介子(K)493.71.23E-8 (K1)497.70.91E-10m+vm(K2)497.75.7E-8+m介子(m)105.62.2E-6e2+ve+vm电子(e)0.511稳定稳定中微子(ve)0稳定稳定(vm)0稳定稳定光子(g)0稳定稳定宇宙射线强度的影响因素宇宙射线的强度受海拔高度、地磁纬度和物质屏蔽的影响。（1）高度变化原因：宇宙粒子与大气层相互作用的能量损失结果：宇宙射线电离量（或剂量）强烈地依赖于海拔高度海平面：中纬度和高纬度地区海平面宇宙射线电离量（ionization）为2.1cm－2s－1左右，极值为1.9和2.6cm－3s－1。UNSCEAR一直采用2.1cm－2s－1。宇宙射线的直接电离和间接电离成分的空气吸收剂量率在地磁北纬50°处随高度的变化见图1－1。图1－1在地磁纬度50o处宇宙射线致空气吸收剂量率随海拔高度的变化（2）纬度变化原因：宇宙射线低能带电粒子的地磁刚度小，被地球磁场反射回空间，该效应与地磁纬度相关，l越大，Vc越小，因此，在两极能到达大气层顶的低能质子注量大于在赤道地区。纬度效应随高度而增加。垂直入射临界刚度Vc＝14.9cos4l，L越大，Vc越小，即更多的低能粒子可进入地球大气层。（3）屏蔽普通建筑物对宇宙射线直接电离成分的屏蔽效果取决于建筑物的结构，也取决于粒子的种类和能量。小型木结构房屋的屏蔽因子约0.96，混凝土建筑物约0.42（即分别有4％和58％的宇宙粒子通不过小型木结构房屋和混凝土建筑物屏蔽层）。在没有建筑物结构资料的情况下，屏蔽因子可取0.8（不确定度25％）。（4）时间变化宇宙射线强度随时间变化比较稳定。太阳活动虽呈现11年周期变化，但太阳活动最高峰期间，在高空对宇宙射线强度的影响<10％，在海平面则变化程度较小，有文献报道约在5％。宇宙射线所致剂量（1）海平面电离成分中纬度和高纬度处海平面的宇宙射线产率（注量密度）为2.1cm－2s－1，相当的空气吸收剂量率为32nGyh－1。该剂量主要是μ介子的贡献，其辐射权重因子为1，该数值也可作为露天的当量剂量率，又因宇宙辐射是全身照射，该数值也是有效剂量率。中子成分在海平面宇宙射线中子注量密度小，能谱范围非常广阔，从零点几eV到几十GeV，难以测量。北纬50°海平面中子注量密度约为0.008cm－2s－1。剂量率估计值范围为1.4至3.3nSvh－1，存在显著的纬度效应，平均有效剂量率为2.4nSvh－1。（1991年ICRP对辐射权重因子作了修改，导致中子的有效剂量率增加约50％，因此，在海平面上来自宇宙射线中子成分的有效剂量率平均为3.6nSvh－1。）（2）室内海平面：若取室内居留因子为0.8，宇宙射线直接电离成分产生的年有效剂量在海平面为240μSv。中子成分产生的约为30μSv，合计270μSv。年有效剂量与海拔高度之间关系：直接电离成分　　式中E1为直接电离成分的有效剂量率，μSva－1；E1（0）为海平面的参考值，240μSva－1；z为高度，km。中子成分　　（z＜2km）　　（z＞2km）世界均值与集体有效剂量世界均值：将宇宙射线电离和中子两部分贡献相加，估计世界平均年有效剂量为380μSv，其中直接电离和间接电离成分的贡献分别为300μSv和80μSv，合计380μSv/a。集体有效剂量：全球为2×106人·Sv。由于人口分布，集体剂量中约90％在北半球，近五分之一归于中国。范围：宇宙射线所致有效剂量年均值范围为270至2000μSv，其人口加权平均值为380μSv。高海拔地区：世界三分之二的人口年居住在海拔0.5km以下。高海拔地区的居民接受较高的宇宙发生剂量，中子贡献的份额随海拔高度而增加更明显，总剂量的变异相当大。范围：宇宙射线产生的有效剂量年均值范围为270至2000μSv，其人口加权平均值为380μSv。高海拔地区高海拔地区宇宙射线所致年有效剂量地点高度年有效剂量（E-6Sv）直接电离成分中子合计海拔高城市    拉巴斯390011209602020拉萨36009707401710墨西哥城2240530290820丹佛1610400170570海平面 24030270世界平均值 30080380地球上的宇生放射性核素地球上的宇生核素主要通过宇宙射线与地球大气层物质相互作用而产生。最常见的相互作用是散裂和中子俘获反应，这两类事件的发生率约为2cm-2s-1,而且大部分发生在大气层上部。由于大气层对宇宙射线的减弱作用，散裂和中子俘获反应在地球表面的发生率约低数百倍。宇生核素的产生于散裂反应和俘获反应散裂反应：入射宇宙射线释放一个或多个核子，并产生质量数等于或小于靶核的剩余核素（residualradionuclide）。中子俘获反应：产生比靶核重一个质量单位的核素。靶物质：地球或地球圈外的宇宙沉埃。宇宙沉埃产生的宇生核素：有7Be,22Na,26Al,46Sc,48V,51Cr,53Mn,54Mn,56Co,57Co,58Co,59Ni和60Co等，不过它们在大气中的浓度很低。海拔18.6km处24Na浓度随纬度的变化（1968－1969测量）图46oN、117oW处24Na浓度与海拔高度的关系（1968－1969）3．宇航员体内的宇生核素宇航员太空飞行重返地面后其体内可监测到几十种宇生放射性核素。对人体剂量贡献较大的宇生核素是在大气层中产生的14C,3H,22Na和7Be。太空飞行重返地面后宇航员体内的宇生核素及产生方式核素半衰期活度(pCi)产生方式7Be56.3d9016o,12C,14N散裂,=10mb11C20.34min900014N,16o,13C散裂13N9.96min>10614N,16o散裂22Na2.62a0.123Na,40Ca,31P散裂24Na14.96h100023Na中子俘获28Al2.31min140031P散裂28Mg21.2h232S,40Ca,31P散裂31Si2.62h100034S,40Ca,31P散裂38S2.87h142Ca,48Ca,41K散裂38Cl37.29min20037Cl中子俘获39Cl55.5min142Ca,48Ca,41K散裂41Ar1.83h1041K散裂42K12.36h14041Cl中子俘获49Ca8.8min7048Ca中子俘获56Mn2.76min255Mn中子俘获64Cu12.8h1563Cu中子俘获二、大气中宇生核素的产率、传输和分布1.产率所有与大气进行直接和间接物质交换的地方都能发现宇生核素，其中绝大部分是在大气层发生的散裂过程中产生的。动能为100MeV的核子可以与大气物质作用，具体反应的发生取决于核子的大小和碰撞发生的位置。还有一些宇生核素是中子俘获反应的产物如7Be,11C,13N,24Na,28Al，42K等，两个主要的核素14C、81Kr就是稳定核13C和80Kr俘获中子的产物。 下表列出了几种主要宇生核素的产率和在大气层中的分布。大气层中宇生放射性核素的产率、浓度核素产率全球总储量(PBq) 对流层中的份额a对流层中的浓度b(mBqm－3)单位面积产率a(atomsm－2s－1)年产量c(PBqa－1)3H7Be10Be14C22Na26A132Si32P33P35S36Cl37Ar39Ar81Kr2500810450250000.861.41.68.16.814118.3560.017219600.0000641.540.120.0000010.000877335210.000013310.0741.71081275413230127500.440.710.824.13.57.15.64.228.60.0050.0040.110.00230.0160.0177.710－80.000110.240.160.08610－80.370.830.821.412.50.1556.30.00211.510－80.0000250.270.150.169.310－80.436.50.00122．高度和纬度分布宇生核素在大气中的浓度分布呈现出随高度、纬度和时间的变化。7Be,22Na(半衰期分别为54天和2.62年)主要产生于平流层，经对流层顶可以输运到对流层。22Na浓度随高度和纬度的变化非常明显，其产率随海拔升高而指数增大，20km处达最大值，在北纬46oN、20km高空处的产率比地面高4个数量级，但随时间变化不大。7Be的产率变化与22Na类似，70％的7Be产生与平流层，仅30％产生于对流层。3．碳－14研究得最透彻的宇生核素是14C。它以CO2的形式均匀地分布在大气中，平衡浓度依赖于CO2从海洋到陆地的转移。上世纪50年代14C的全球平均产率为2.5原子/cm2.s。太阳最小、最大期间14C产率分别为2.6原子/cm2.s和2.08原子/cm2.s。各大洋水中14C浓度的测量表明，全球14C的产率为1.9原子/cm2.s，与计算值在25％内一致。核试验以来释入大气层、植物和海洋中的14C明显上升，其储量分别为1.5x1011、4.8x1011和9x1012MBq。4．氚天然氚来源于宇宙射线的中子和氮原子的相互作用(14N＋n－3H+12C)。在太阳活动稳定情况下的氚产生率为0.16-0.20原子cm-2s-1（NCRP1979），平均为0.19原子cm-2s-1；太阳耀斑活动激烈期间，增加到0.4原子cm-2s-1。据UNSCEAR2000估计,全球天然氚年产量为72PBqa-1，全球总储量约1275PBq，对流层中的份额为9.004，对流层中的氚浓度为mBqm-3,其中99％为氚化水（THO）。由于雨水的输送以及空气与海水间的水蒸气交换，氚全球储量的65％存在于海洋中，27％分布在陆地和生物圈，其余在平流层（6.8％）和对流层，对流层空气中天然氚浓度为1.4mBqm-3。天然氚构成了环境氚的“稳定”本底，1954年热核爆炸之前测量的降水天然氚浓度为0.6-2.4Bql-1。1991年前我国降水氚浓度为5.42±0.33Bq/l，作为对照1950年代初为2.54±0.82Bq/l(美、加、英、日)。空中飞行根据国际空中交通统计机构资料：若飞行1小时，高度为8km，则乘客平均受有效剂量约为2μSv，在北美该数值约为10μSv，该数值与在地面年人均所受宇宙辐射致有效剂量估计值380μSv相比是很小的。但是机组人员剂量较大。如飞行高度约为15km，有效剂量率为12μSvh－1，MAX为40μSvh－1，机组人员的年剂量约为3mSv。有限调查数据见表。航空空勤人员所受宇宙辐射剂量实测结果国家或地区时间根据航班机舱内实测结果估算年均剂量，mSv/a澳大利亚19911.01.8(国内航线)3.8(国际航线)奥地利19951.5德国、美等合作1996310英国19922.5(max:17)中国  台湾省19960.2710.56，中位值为4.19mSv，我国核工业平均（铀矿山人员除外）：4.5其他行业的放射性工作人员：2 国际航线：7.2，国内航线：0.108航空空勤人员所受宇宙辐射剂量（计算）飞行条件(纬度、高度、太阳活动)剂量率，Sv/h千小时（Blockhours）累积剂量，mSv0300N，各类飞行高度<5<5300N北极，300S南极随飞行高度增加而显著增加<5km<1<110km5518km151545km6060宇宙辐射对航空空勤人员健康的影响已报道的航空空勤人员疾患：局部损害：白内障全身损害：神经系统机能与器质性的改变、内分泌障碍、血象改变等辐射致癌：根据美国对有20年飞行史的人员的研究，其辐射致癌及辐射致遗传效应的发生率约为6/1000因此，航空和航天活动实践中，对空勤人员所受宇宙辐射照射的控制不容忽视。空勤人员所受宇宙射线职业照射的控制由于各国辐射防护工作的进步，各类职业照射剂量已普遍降低，而航空空勤人员所受宇宙辐射剂量成为国际辐射防护界注意的焦点，1998年美国NCRP年会将其作为重中之中。特别是孕妇和年轻女性空勤人员。航空空勤人员所受宇宙辐射剂量是辐射防护的剂量测估是一个大问题。剂量评测主要根据专用软件计算，我国已经引进了O’Brien等开发的软件。我国等效采用欧盟 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 “欧洲电离辐射防护基本安全标准执行建议中关于升高的天然源照射的航空空勤人员部分“"RecommendationsfortheImplementationofTitleVIIoftheEuropeanBasicSafetyStandardsDirective,ConcerningSignificantincreaseinexposureduetoNaturalRadiationSources,Section4-AirCrew"(1996)控制指标1空勤人员职业照射有效剂量不得超过20mSv/a。2从发现妊娠之日起到胎儿出生止，胎儿累积接受的有效剂量不得超过1mSv。具体控制措施将在第八章讨论Thankyouforyourattention