核设施流出物照射人体器官的当量剂量和有效剂量的计算
作者：杨世魁 刘晓斌 谢向东 毕秀珍
单位：杨世魁 刘晓斌 谢向东 毕秀珍 北京放射医学研究所国家生物医学分析中心 100850
关键词：核设施；流出物；当量剂量；有效剂量
核设施流出物照射人体器官的当量剂量和 有效剂量的计算 【摘要】 目的 研究在核设施流出物照射条件下ICRP 60号出版物建议的新辐射量(当量剂 量和有效剂量)算法和有关参数，建立在核设施防护领域应用新辐射量的剂量学资料。方法 采用ADAM和EVA拟人计算模型和组织-空气比的方法计算器官当量剂量和 有效剂量。结果 给出了核设施正常运行和事故时可能释放的近200种核素 ，在空气浸没、水中浸没和地表沉积物3种照射方式下，器官当量剂量率因子和有效剂量 率 因子，考虑了男性18种和女性20种器官；有效剂量与有效剂量当量相差在20%以内。 结论 新旧辐射量相差不大，本文结果可用于核设施流出物外照射人员的剂量估计 。
, 百拇医药
Organ equivalent dose and effective dose to human body irradiated by effluents o f nuclear facilities.
YANG Shikui,LIU Xiaobin,XIE Xiangdong,et al.Institute of Radiation Medicine, National Center of Biomedical Analysis, Beijing 100850 ,China.
【Abstract】 Objective To study the method and parameters for calculating the new quantities (equivalen t d ose and effective dose) defined in ICRP Publication 60 and to establish the dosi metric data of these quantities in nuclear facility for radiation protection. Methods Using ADAM and EVA mathematical phantoms and tissue-air ra tio,the organ equivalent dose and effective dose were calculated. Results The organ equivalent dose-rate conversion factors of photon for 18 male o rgans and 20 female organs and the effective dose-rate conversion factors were given for nearly 200 nuclides possibly released from nuclear facilities during n ormal operation or accident for three exposure modes--immersion in contaminat ed ai r,immersion in contaminated water,and irradiation from ground deposition.The dif ference between effective dose equivalent and effective dose was within 20%. Conclusion The discrepancy between the new and the old quantities is s mall and the results can be used to evaluate the human dose from external exposu re to the effluents of nuclear facilities.
, 百拇医药
【Key words】 Nuclear facility Effluents Equivalent dose Effective dose
国际放射防护委员会在1990年的新建议书中，提出了两个新辐射量[1]：当量剂量 和有效剂量，用它们分别替代剂量当量和有效剂量当量。由于这两个新辐射量与现有辐射量 有一些差异，因此有必要对新辐射量在不同应用领域的算法和参数进行研究。本文作者 研究 了核设施正常运行和核事故时可能释放的放射性核素，在空气浸没、水中浸没和地表沉积物 3种照射方式下受照人员的器官当量剂量和有效剂量的计算模式和参数。
物理假设
核设施流出物照射条件比较复杂，源项包含多种放射性核素，其浓度与位置都可能随时间变 化，因此照射条件是不完全相同和恒定的。笔者假设：①源区是无限或半无限的，核素浓度 均匀，空气浸没和水中浸没照射时源浓度为1 Bq/m3，地表沉积物照射时为1 Bq/m2；② 不 考虑建筑物和地形对人体的辐射屏蔽作用；③对于具有子体产物的放射性核素，把子体看成 是独立的核素，分别计算母、子体的剂量参数。
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拟人计算模型
为了研究在放射性污染环境条件下人的受照剂量，本文作者选用了ADAM(男性)和EVA(女性) 模型[2]。模型的高度、质量和内部器官的质量基于ICRP参考人数据，由软组织、肺、骨骼和皮肤组成。模型分为3个部分：头和颈用顶部为椭球形的椭圆柱体表示，胳臂和躯干为椭圆柱体，两个截头圆锥体代表下肢。EVA模型用两个半椭球代表乳腺。ADAM和EVA模 型的高度分别为170 cm和160cm。
剂量计算
为了计算在核设施放射性流出物外照射条件下的器官剂量，本文作者使用了剂量率因子的概 念。如果在时间t，无限或半无限源照射区域内，均匀分布的核素浓度为X(t)，那么受照人 体的器官当量剂量率或有效剂量率可用下式计算：
(t)=X(t)×F (1)
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(1)式中，F为单位放射性核素浓度照射条件下器官当量剂量率或有效剂量率，简称剂量率因 子，它的量值大小与放射性核素的种类，照射方式，环境条件以及人体结构尺寸等有关。如 果已知核素浓度和受照时间，利用剂量率因子，就可以方便地确定器官当量剂量和有效剂量 。
1.空气浸没照射单能光子的剂量率因子
假设核素每次衰变辐射出能量为E的单能光子，人体器官T的光子剂量率因子FT(E)由下式 确定：
(2)
(2)式中ρa为空气密度，GT(E)为光子各向同性照射条件下器官T的吸收剂量率与空气比 释动能率的比值，简称组织-空气比。k是单位换算常数，kE/ρa是空气比释动能率 ，它 相当于污染环境中空气的吸收剂量率。1/2是由于假设照射源是半无限而引入的修正系数。
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2.水中浸没照射单能光子的剂量率因子
器官T的剂量率因子由下式确定：
(3)
(3)式中ρw为水的密度，质能吸收系数的平均值是在空气浸没散射谱上得到[3] 。
3.地表沉积物照射单能光子剂量率因子
器官T的剂量率因子按下式计算：
(4)
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(4) 式中z是人体器官距地表面的垂直距离，在计算中假设器官位于地表上1 m处，因而z=1 ；r 是地面源到与器官的距离；Φ(r,E)是在距离各向同性点源r处单位质量物质吸收光子发射 能量E的份额。σ表示地面。
4.放射性衰变光子谱的剂量率因子
放射性核素物理衰变过程中产生的不同能量光子辐射，包括核退激产生的γ射线，正电子湮 灭产生的γ射线，以及原子退激产生的X射线。对特定核素衰变光子谱器官T的剂量率因子为 ：
(5)
(5)式中fi是能量为Ei的第i个光子(X或γ射线)的强度，求和运算包括衰变谱中的 所有光子。
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5.放射性衰变电子谱的剂量率因子
放射性核素衰变电子谱中包括俄歇电子、内转换电子以及β衰变产生的正负电子。皮肤受特 定核素衰变电子谱照射的剂量率因子FS按下式计算：
(6)
(6)式中fi是能量为Ei的第i个分立电子衰变强度；fjβ为终点能量为
的第j个连续β跃迁的电子强度；Njβ为第j个连续β跃迁中，发射能量为E→E+dE电子的概率；FS(E)为单能电子的皮肤剂量率因子，它的计算方法与前述的 FT(E)相似，但在计算公式中用几何衰减因子代替组织-空气比，用阻止本领代替质能吸 收系数，同时引入人体对电子屏蔽的修正因子。
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6.有效剂量率因子
根据ICRP 1990年新建议书中有效剂量的定义，有效剂量率因子FE按下式计算：
(7)
(7)式中T表示器官或组织；WT是组织权重因子；FT是单一器官或组织的剂量率因子 。 除皮肤外，器官或组织的FT只考虑光子照射，而对皮肤则为光子照射的FT(此时T为皮肤 )和电子照射的FS之和。
结果和讨论
本文作者建立了在3种照射方式下，人体器官光子剂量率因子、皮肤的电子剂量率因子以及有效剂量率因子的计算模式和参数。提出了在已知核设施现场环境辐射条件下，估计人员 受照射剂量所需的基本剂量学数据。
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为了估计在本文考虑的照射条件下，计算得到的有效剂量率因子与目前采用的有效剂量当量 率因子有多大差别，本文作者与文献[4]进行了比较。对于同一种照射方式，有效 剂量与有效剂量当量相差在20%以内，这与文献[5]计算的单能光子在各向同性照 射和旋转照射条件下结果基本一致。两者的差别与量定义，采用的拟人计算模型，组织权重 因子和计算中选用的基本参数不同等多种因素有关。其中，组织权重因子的变化使新、旧辐 射量之间相差在12%以内。这是因为本文作者采用了各向同性辐射场，它所致的人体器官剂 量分布比较均匀，使得此时组织权重因子的影响比单向辐射照射条件下的影响小。由于新、 旧辐射量的数值差别不大，这就便于新量的实际运用，即新的有效剂量与原有的有效剂量当 量可直接相比较，而不需对其进行修正。
参考文献
1 ICRP.ICRP 1990年建议书.李德平等译.北京：原子能出版社，1993.6-13 .
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2 Kramer R.The male(ADAM) and female(EVA) adult mathematical phantoms.GSF-Beri cht S-885,1982.
3 Dillman LT.Absorbed gamma dose rate for immersion in a semi-infinite radioac tive cloud.Health Phys,1974,27:571-580.
4 Kocher DC.Dose-rate conversion factors for external exposure to photons and electrons.NUREG/CR-1918,1981.
5 Zankl M,Petoussi N,Drexler G.Effective dose and effective dose equivalent --the impact of the new ICRP definition for external photon irradiation.Health Phys,1 992,62:395-399.
(收稿:1998-05-22 修回：1998-09-06), http://www.100md.com
单位：杨世魁 刘晓斌 谢向东 毕秀珍 北京放射医学研究所国家生物医学分析中心 100850
关键词：核设施；流出物；当量剂量；有效剂量
核设施流出物照射人体器官的当量剂量和 有效剂量的计算 【摘要】 目的 研究在核设施流出物照射条件下ICRP 60号出版物建议的新辐射量(当量剂 量和有效剂量)算法和有关参数，建立在核设施防护领域应用新辐射量的剂量学资料。方法 采用ADAM和EVA拟人计算模型和组织-空气比的方法计算器官当量剂量和 有效剂量。结果 给出了核设施正常运行和事故时可能释放的近200种核素 ，在空气浸没、水中浸没和地表沉积物3种照射方式下，器官当量剂量率因子和有效剂量 率 因子，考虑了男性18种和女性20种器官；有效剂量与有效剂量当量相差在20%以内。 结论 新旧辐射量相差不大，本文结果可用于核设施流出物外照射人员的剂量估计 。
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Organ equivalent dose and effective dose to human body irradiated by effluents o f nuclear facilities.
YANG Shikui,LIU Xiaobin,XIE Xiangdong,et al.Institute of Radiation Medicine, National Center of Biomedical Analysis, Beijing 100850 ,China.
【Abstract】 Objective To study the method and parameters for calculating the new quantities (equivalen t d ose and effective dose) defined in ICRP Publication 60 and to establish the dosi metric data of these quantities in nuclear facility for radiation protection. Methods Using ADAM and EVA mathematical phantoms and tissue-air ra tio,the organ equivalent dose and effective dose were calculated. Results The organ equivalent dose-rate conversion factors of photon for 18 male o rgans and 20 female organs and the effective dose-rate conversion factors were given for nearly 200 nuclides possibly released from nuclear facilities during n ormal operation or accident for three exposure modes--immersion in contaminat ed ai r,immersion in contaminated water,and irradiation from ground deposition.The dif ference between effective dose equivalent and effective dose was within 20%. Conclusion The discrepancy between the new and the old quantities is s mall and the results can be used to evaluate the human dose from external exposu re to the effluents of nuclear facilities.
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【Key words】 Nuclear facility Effluents Equivalent dose Effective dose
国际放射防护委员会在1990年的新建议书中，提出了两个新辐射量[1]：当量剂量 和有效剂量，用它们分别替代剂量当量和有效剂量当量。由于这两个新辐射量与现有辐射量 有一些差异，因此有必要对新辐射量在不同应用领域的算法和参数进行研究。本文作者 研究 了核设施正常运行和核事故时可能释放的放射性核素，在空气浸没、水中浸没和地表沉积物 3种照射方式下受照人员的器官当量剂量和有效剂量的计算模式和参数。
物理假设
核设施流出物照射条件比较复杂，源项包含多种放射性核素，其浓度与位置都可能随时间变 化，因此照射条件是不完全相同和恒定的。笔者假设：①源区是无限或半无限的，核素浓度 均匀，空气浸没和水中浸没照射时源浓度为1 Bq/m3，地表沉积物照射时为1 Bq/m2；② 不 考虑建筑物和地形对人体的辐射屏蔽作用；③对于具有子体产物的放射性核素，把子体看成 是独立的核素，分别计算母、子体的剂量参数。
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拟人计算模型
为了研究在放射性污染环境条件下人的受照剂量，本文作者选用了ADAM(男性)和EVA(女性) 模型[2]。模型的高度、质量和内部器官的质量基于ICRP参考人数据，由软组织、肺、骨骼和皮肤组成。模型分为3个部分：头和颈用顶部为椭球形的椭圆柱体表示，胳臂和躯干为椭圆柱体，两个截头圆锥体代表下肢。EVA模型用两个半椭球代表乳腺。ADAM和EVA模 型的高度分别为170 cm和160cm。
剂量计算
为了计算在核设施放射性流出物外照射条件下的器官剂量，本文作者使用了剂量率因子的概 念。如果在时间t，无限或半无限源照射区域内，均匀分布的核素浓度为X(t)，那么受照人 体的器官当量剂量率或有效剂量率可用下式计算：
(t)=X(t)×F (1), 百拇医药
(1)式中，F为单位放射性核素浓度照射条件下器官当量剂量率或有效剂量率，简称剂量率因 子，它的量值大小与放射性核素的种类，照射方式，环境条件以及人体结构尺寸等有关。如 果已知核素浓度和受照时间，利用剂量率因子，就可以方便地确定器官当量剂量和有效剂量 。
1.空气浸没照射单能光子的剂量率因子
假设核素每次衰变辐射出能量为E的单能光子，人体器官T的光子剂量率因子FT(E)由下式 确定：
(2)(2)式中ρa为空气密度，GT(E)为光子各向同性照射条件下器官T的吸收剂量率与空气比 释动能率的比值，简称组织-空气比。k是单位换算常数，kE/ρa是空气比释动能率 ，它 相当于污染环境中空气的吸收剂量率。1/2是由于假设照射源是半无限而引入的修正系数。
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2.水中浸没照射单能光子的剂量率因子
器官T的剂量率因子由下式确定：
(3)(3)式中ρw为水的密度，质能吸收系数的平均值是在空气浸没散射谱上得到[3] 。
3.地表沉积物照射单能光子剂量率因子
器官T的剂量率因子按下式计算：
(4), http://www.100md.com
(4) 式中z是人体器官距地表面的垂直距离，在计算中假设器官位于地表上1 m处，因而z=1 ；r 是地面源到与器官的距离；Φ(r,E)是在距离各向同性点源r处单位质量物质吸收光子发射 能量E的份额。σ表示地面。
4.放射性衰变光子谱的剂量率因子
放射性核素物理衰变过程中产生的不同能量光子辐射，包括核退激产生的γ射线，正电子湮 灭产生的γ射线，以及原子退激产生的X射线。对特定核素衰变光子谱器官T的剂量率因子为 ：
(5)(5)式中fi是能量为Ei的第i个光子(X或γ射线)的强度，求和运算包括衰变谱中的 所有光子。
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5.放射性衰变电子谱的剂量率因子
放射性核素衰变电子谱中包括俄歇电子、内转换电子以及β衰变产生的正负电子。皮肤受特 定核素衰变电子谱照射的剂量率因子FS按下式计算：
(6)(6)式中fi是能量为Ei的第i个分立电子衰变强度；fjβ为终点能量为
的第j个连续β跃迁的电子强度；Njβ为第j个连续β跃迁中，发射能量为E→E+dE电子的概率；FS(E)为单能电子的皮肤剂量率因子，它的计算方法与前述的 FT(E)相似，但在计算公式中用几何衰减因子代替组织-空气比，用阻止本领代替质能吸 收系数，同时引入人体对电子屏蔽的修正因子。, 百拇医药
6.有效剂量率因子
根据ICRP 1990年新建议书中有效剂量的定义，有效剂量率因子FE按下式计算：
(7)(7)式中T表示器官或组织；WT是组织权重因子；FT是单一器官或组织的剂量率因子 。 除皮肤外，器官或组织的FT只考虑光子照射，而对皮肤则为光子照射的FT(此时T为皮肤 )和电子照射的FS之和。
结果和讨论
本文作者建立了在3种照射方式下，人体器官光子剂量率因子、皮肤的电子剂量率因子以及有效剂量率因子的计算模式和参数。提出了在已知核设施现场环境辐射条件下，估计人员 受照射剂量所需的基本剂量学数据。
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为了估计在本文考虑的照射条件下，计算得到的有效剂量率因子与目前采用的有效剂量当量 率因子有多大差别，本文作者与文献[4]进行了比较。对于同一种照射方式，有效 剂量与有效剂量当量相差在20%以内，这与文献[5]计算的单能光子在各向同性照 射和旋转照射条件下结果基本一致。两者的差别与量定义，采用的拟人计算模型，组织权重 因子和计算中选用的基本参数不同等多种因素有关。其中，组织权重因子的变化使新、旧辐 射量之间相差在12%以内。这是因为本文作者采用了各向同性辐射场，它所致的人体器官剂 量分布比较均匀，使得此时组织权重因子的影响比单向辐射照射条件下的影响小。由于新、 旧辐射量的数值差别不大，这就便于新量的实际运用，即新的有效剂量与原有的有效剂量当 量可直接相比较，而不需对其进行修正。
参考文献
1 ICRP.ICRP 1990年建议书.李德平等译.北京：原子能出版社，1993.6-13 .
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2 Kramer R.The male(ADAM) and female(EVA) adult mathematical phantoms.GSF-Beri cht S-885,1982.
3 Dillman LT.Absorbed gamma dose rate for immersion in a semi-infinite radioac tive cloud.Health Phys,1974,27:571-580.
4 Kocher DC.Dose-rate conversion factors for external exposure to photons and electrons.NUREG/CR-1918,1981.
5 Zankl M,Petoussi N,Drexler G.Effective dose and effective dose equivalent --the impact of the new ICRP definition for external photon irradiation.Health Phys,1 992,62:395-399.
(收稿:1998-05-22 修回：1998-09-06), http://www.100md.com