环境与辐射-第一章[2]-宇宙辐射.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ER Origin-COSMIC RTS,*,环境,与,辐射,环境辐射的来源,宇宙辐射,1,ER Origin-COSMIC RTS,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,。,2,ER Origin-COSMIC RTS,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（,stellar flares）,（,恒）星体冠状物质喷射（,stellar coronal mass,ejection）;,超新星爆炸（,supernova explosions）;,脉冲星加速（,pulsar accelerations）,和,#银河慧核爆炸（,explosion of galactic nuclei）。,3,ER Origin-COSMIC RTS,图,1,plus 1,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。,4,ER Origin-COSMIC RTS,图,1,plus 3,Chandra,望远镜拍摄的第一个超新星残核（,supernova remnant）Cassiopeia A,它们是银河系这类星体中最年轻的。,Cassiopeia A,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）,6,ER Origin-COSMIC RTS,银河宇宙射线的特性,驻留时间（,mean residence time）:,平均,200,Ma（2,亿年）；因受星际空间(,interstellar space),的磁场约束（磁场强度,10,mG）。,能量分布：银河系宇宙射线强度的能量分布,E,-,g,/MeV,g,=2.6,E1 PeV。,(T=12,P=15,E=18,a=21),粒子成分组成：,Protons:,95%,a:,3.%,heavier nuclei：,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。,7,ER Origin-COSMIC RTS,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（,heliocentric potential,）。,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,10,s,或更短时间内可加速到,GeV,。,8,ER Origin-COSMIC RTS,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（,random walk），,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10,2,和10,5,MeV,之间，其能谱组成受太阳活动引起的磁场变化的影响。,10,ER Origin-COSMIC RTS,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）f,0,（T）,P(E)/P(T),2,T=E+ZU,P(x)=(1/c)(x,2,+2Axm),1/2,式中：,m,为,核子质量（,MeV,）；,C,为,真空中的光速；,f,0,（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。,11,ER Origin-COSMIC RTS,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）,13,ER Origin-COSMIC RTS,宇宙射线粒子的地磁刚性（,magnetic rigidity）,*地磁刚性,r：,即单位电荷的动量，定义为：,r=P,c/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,14.9 cos,4,l,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,+m,2,1/2,m,15,ER Origin-COSMIC RTS,太阳粒子从太阳到地球的传播，角度是太阳冠,的传播角（,OBrien,）,16,ER Origin-COSMIC RTS,计算的和测量的海平面垂直入射质子谱比较,18,ER Origin-COSMIC RTS,计算的强子注量率随大气层深度的分布,19,ER Origin-COSMIC RTS,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。,20,ER Origin-COSMIC RTS,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,介子、,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100,MeV,和更高。,21,ER Origin-COSMIC RTS,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。,22,ER Origin-COSMIC RTS,图1,plus 5,24,ER Origin-COSMIC RTS,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）,939.5,1.01,E3,Pev,e,介子（,）,139.6,2.55,E-8,m,+v,m,（,0,）,134.9,1.78,E-10,g,+,g,K,介子(,K,),493.7,1.23,E-8,(,K1),497.7,0.91,E-10,m,+v,m,(,K2),497.7,5.7,E-8,+,m,介子(,m,),105.6,2.2,E-6,e,2,+v,e,+v,m,电子(,e,),0.511,稳定,稳定,中微子(,v,e,),0,稳定,稳定,(,v,m,),0,稳定,稳定,光子(,g,),0,稳定,稳定,25,ER Origin-COSMIC RTS,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。,26,ER Origin-COSMIC RTS,图11 在地磁纬度50,o,处宇宙射线致空气吸收剂量率随海拔高度的变化,28,ER Origin-COSMIC RTS,（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,14.9 cos,4,l，,L,越大，,Vc,越小，即更多的低能粒子可进入地球大气层。,29,ER Origin-COSMIC RTS,（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 10,6,14,N,16,o,散裂,22,Na,2.62,a,0.1,23,Na,40,Ca,31,P,散裂,24,Na,14.96,h,1000,23,Na,中子俘获,28,Al,2.31,min,1400,31,P,散裂,28,Mg,21.2,h,2,32,S,40,Ca,31,P,散裂,31,Si,2.62,h,1000,34,S,40,Ca,31,P,散裂,38,S,2.87,h,1,42,Ca,48,Ca,41,K,散裂,38,Cl,37.29,min,200,37,Cl,中子俘获,39,Cl,55.5,min,1,42,Ca,48,Ca,41,K,散裂,41,Ar,1.83,h,10,41,K,散裂,42,K,12.36,h,140,41,Cl,中子俘获,49,Ca,8.8,min,70,48,Ca,中子俘获,56,Mn,2.76,min,2,55,Mn,中子俘获,64,Cu,12.8,h,15,63,Cu,中子俘获,43,ER Origin-COSMIC RTS,二、大气中宇生核素的产率、传输和分布,44,ER Origin-COSMIC RTS,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100,MeV,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,7,Be,11,C,13,N,24,Na,28,Al，,42,K,等，两个主要的核素,14,C,、,81,Kr,就是稳定核,1,3,C,和,80,Kr,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。,45,ER Origin-COSMIC RTS,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,(mBq m,3,),单位面积产率,a,(atoms m,2,s,1,),年产量,c,(PBq a,1,),3,H,7,Be,10,Be,14,C,22,Na,26,A1,32,Si,32,P,33,P,35,S,36,Cl,37,Ar,39,Ar,81,Kr,2 500,810,450,25 000,0.86,1.4,1.6,8.1,6.8,14,11,8.3,56,0.01,72,1 960,0.000064,1.54,0.12,0.000001,0.00087,73,35,21,0.000013,31,0.074,1.7108,1 275,41 3,230,12 750,0.44,0.71,0.82,4.1,3.5,7.1,5.6,4.2,28.6,0.005,0.004,0.11,0.0023,0.016,0.017,7.710,8,0.00011,0.24,0.16,0.08,6 10,8,0.37,0.83,0.82,1.4,12.5,0.15,56.3,0.0021,1.5 10,8,0.000025,0.27,0.15,0.16,9.3 10,8,0.43,6.5,0.0012,46,ER Origin-COSMIC RTS,2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。,7,Be,22,Na(,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。,22,Na,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，20,km,处达最大值，在北纬46,o,N、,20,km,高空处的产率比地面高4个数量级，但随时间变化不大。,7,Be,的产率变化与,22,Na,类似，70的,7,Be,产生与平流层，仅30产生于对流层。,47,ER Origin-COSMIC RTS,3碳14,研究得最透彻的宇生核素是,14,C。,它以,CO,2,的形式均匀地分布在大气中，平衡浓度依赖于,CO,2,从海洋到陆地的转移。,上世纪50年代,14,C,的全球平均产率为2.5 原子/,cm,2,.s。,太阳最小、最大期间,14,C,产率分别为2.6原子/,cm,2,.s,和2.08原子/,cm,2,.s。,各大洋水中,14,C,浓度的测量表明，全球,14,C,的产率为1.9原子/,cm,2,.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,14,C,明显上升，其储量分别为,1.5,x 10,11,、,4.8 x 10,11,和,9,x 10,12,MBq,。,48,ER Origin-COSMIC RTS,4氚,天然氚来源于宇宙射线的中子和氮原子的相互作用(,14,N n,3,H+,12,C)。,在太阳活动稳定情况下的氚产生率为0.16-0.20 原子,cm,-2,s,-1,（,NCRP 1979,），平均为0.19原子,cm,-2,s,-1,；,太阳耀斑活动激烈期间，增加到0.4原子,cm,-2,s,-1,。,据,UNSCEAR 2000,估计,全球天然氚年产量为72,PBq a,-1,，全球总储量约,1275 PBq,，对流层中的份额为,9.004,，对流层中的氚浓度为,mBq m,-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1.4,mBq m,-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0.6-2.4,Bq l,-1,。,1991,年前我国降水氚浓度为,5.420.33Bq/l,，作为对照,1950,年代初为,2.540.82Bq/l(,美、加、英、日,),。,49,ER Origin-COSMIC RTS,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8,km,，则乘客平均受有效剂量约为2,Sv，,在北美该数值约为10,Sv，,该数值与在地面年人均所受宇宙辐射致有效剂量估计值380,Sv,相比是很小的。,但是机组人员剂量较大。如飞行高度约为15,km，,有效剂量率为12,Sv h,1,，MAX,为40,Sv h,1,，,机组人员的年剂量约为3,mSv。,有限调查数据见表。,50,ER Origin-COSMIC RTS,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,1991,1.0,1.8(,国内航线,),3.8(国际航线,),奥地利,1995,1.5,德国、美等合作,1996,3,10,英国,1992,2.5(,max:17),中国,台湾省,1996,0.27,10.56,，中位值为,4.19,mSv,，,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：0.108,51,ER Origin-COSMIC RTS,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（,Block hours,）,累积剂量，,mSv,0,30,0,N，,各类飞行高度,5,5,30,0,N,北极，,30,0,S,南极,随飞行高度增加而显著增加,5,km,1,1,10,km,5,5,18,km,15,15,45,km,60,60,52,ER Origin-COSMIC RTS,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。,53,ER Origin-COSMIC RTS,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,OBrien,等开发的软件。,54,ER Origin-COSMIC RTS,我国等效采用欧盟标准,“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“,R,ecommendations for the Implementation of Title VII of the European Basic Safety Standards Directive,Concerning Significant increase in exposure due to Natural Radiation Sources,Section 4-Air Crew(1996),55,ER Origin-COSMIC RTS,控制指标,1,空勤人员,职业照射,有效剂量不得超过,20,mSv/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,1,mSv,。,具体控制措施将在第八章讨论,56,ER Origin-COSMIC RTS,57,ER Origin-COSMIC RTS,58,ER Origin-COSMIC RTS,59,ER Origin-COSMIC RTS,60,ER Origin-COSMIC RTS,61,ER Origin-COSMIC RTS,62,ER Origin-COSMIC RTS,63,ER Origin-COSMIC RTS,64,ER Origin-COSMIC RTS,65,ER Origin-COSMIC RTS,66,ER Origin-COSMIC RTS,67,ER Origin-COSMIC RTS,68,ER Origin-COSMIC RTS,Thank you for,your attention,69,ER Origin-COSMIC RTS,