 |
Краткие характеристики ионизирующих излучений
|
|
|
|
Физико-технический институт КФУ им. В.И. Вернадского
Кафедра экспериментальной физики
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОХРАНЕ ТРУДА
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТИКУМА ПО
ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ
Симферополь 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.. 3
α- Излучение. 3
β- Излучение. 4
γ- Излучение. 5
Нейтронное излучение. 6
ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ 7
Активность источника. 7
Поглощенная доза. 8
Экспозиционная доза. 9
Эквивалентная доза. 9
Мощность дозы. 10
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.. 11
Дозиметры ионизирующих излучений.. 11
Радиометры... 11
ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ОБЛУЧЕНИЯ, НОРМЫ И ПРАВИЛА РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.. 12
ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ.. 13
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.. 14
Особенности действия ионизирующего излучения на живой организм. 14
Приложение 1. ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.. 18
Приложение 2. ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ 20
ИНСТРУКЦИИ
По технике безопасности при работе с источниками ионизирующих излучений
ИОНИЗАЦИЯ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ.
Энергия заряженной частицы рассеивается в среде главным образом в результате потерь на соударения, которые приводят к ионизации атомов и возбуждению молекул. Только при очень высоких энергиях частиц (для электронов 5 МэВ и выше) становятся заметными потери на излучение. В жидких средах (тело человека в первом приближении можно считать жидкой средой) энергия, которая теряется вторичными электронами в процессах соударения, делится приблизительно поровну между ионизацией и возбуждением. Однако эти две формы рассеяния энергии могут быть неравноценными с точки зрения химического и биологического воздействия. В настоящее время считается, что биологическое воздействие почти полностью обусловлено ионизацией.
|
|
|
Методы дозиметрии основаны на измерении ионизации газа (обычно воздуха) под воздействием ионизирующего излучения, поскольку ионизация является важнейшей величиной в медицинской радиологии. Воздух (смесь газов N2-75%; O2 -23%; СО2-0,05%; Ar, Ne, Xe, Кг, Н20-1,85%) и мягкие ткани человеческого тела состоят главным образом из элементов с малыми атомными массами. Поэтому эффективные средние атомные массы воздуха, воды и человеческого тела мало отличаются, и поглощение ионизирующего излучения на единицу массы воздуха в весьма широких пределах значений энергии почти такое же, как в единице массы ткани и воды. Ионизацию воздуха можно достаточно точно и просто измерить с помощью ионизационной камеры. Научные исследования показывают возможность имитации ткани человеческого тела (тканевый эквивалент) с помощью пластических сцинтилляторов. Оказалось возможным создать пластмассовые и жидкостные сцинтилляторы, имитирующие поглощающую способность тканей различных органов (почки, печень, желудок и т. д.).
КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Радиоактивность – самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.), приводящие к изменению их атомного номера и массового числа.
Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. времен, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть оставлен или ускорен каким-либо способом.
Если поместить радий в свинцовую коробку с узкой щелью, то с помощью приборов можно определить, что через нее выходит пучок излучений, который разделяется в магнитном поле. Излучение, отклоняющееся в сторону северного полюса магнита, называется α-излучением, южного – β – излучением. Излучение, не отклоняющееся магнитным полем, называется γ – излучением (оно не имеет электрического заряда).
|
|
|
α- Излучение.
α- излучение представляет собой поток α- частиц (ядер атома гелия 
), движущихся со скоростью около 20000 км/с. Альфа-распад характерен для тяжелых элементов с Z >83 (уран, торий, полоний, плутоний и др.). В результате α-распада «материнское» ядро с атомным с атомным номером Z и массовым числом А переходит в ядро с атомным номером Z – 2 и массовым числом A – 4. в качестве примера α -распада можно привести распад плутония:
В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных α- активных ядер. Каждый α - активный изотоп испускает α- частицы, имеющие определенные энергии в диапазоне от 4 до 11 МэВ. В начале пробега, когда α - частица обладает большой энергией (скоростью), удельная ионизация будет меньше, чем в конце пути. Частица, имеющая меньшую скорость, более эффективно взаимодействует с электронами оболочки атомов среды. Наибольшая удельная ионизация отмечается в последней трети длины пробега частицы. Проходя через слой вещества, α - частицы испытывают упругое рассеяние на электронах и ядрах атомов и неупругие столкновения с орбитальными электронами.
При неупругих столкновениях электрическое поле α -частицы, взаимодействуя с внешними электронами атомов и молекул, ускоряет электроны, преодолевая их взаимодействие с ядрами атомов, что приводит к процессам ионизации и возбуждения атомов и молекул, а иногда и к диссоциации молекул. При этом - частицы теряют свою энергию.
В первом приближении пробег a- частиц в воздухе R(см) связан с ее энергией T(МэВ) степенной функцией вида
(1)
Пробег α- частиц в воздухе составляет 3-11 см, в алюминии 0,08-0,4 мм. Сложенный пополам обычный лист писчей бумаги полностью поглощает α- частицы с энергией 5 МэВ (он эквивалентен 5 см воздуха). Внешний покров тела человека также полностью поглощает α- частицы, и внешнее облучение α- частицами не представляет опасности для внутренних органов человека. В воздухе при 15° C и давлении 760 мм рт. ст. α- частица образует 1,5×104-2,5×104 пар ионов (в зависимости от начальной энергии α- частицы). Плотность ионизации, создаваемая α- частицей, велика (примерно 3×103 пар ионов на каждый сантиметр пути), поэтому α- частицы активных веществ весьма опасны при попадании их внутрь организма, вызывают долго незаживающие ожоги на поверхности тела при непосредственном контакте с мощными α- источниками.
|
|
|
β- Излучение.
Бета-излучение состоит из β-частиц (электронов 
или позитронов 
), которые испускаются при β -распаде радиоактивных изотопов. К β - распаду относятся:
1. Электронный β - распад - происходит превращение нейтрона в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного β -распада может служить распад стронция:
2. Позитронный β -распад - происходит превращение протона в нейтрон, которое сопровождается образованием и выбросом из ядра позитрона. Заряд ядро и его порядковый номер уменьшаются на единицу. Позитронный β - распад наблюдается в случае неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.
Примером позитронного β- распада может служить распад радионуклида натрия по реакции:
3. Электронный захват - захват атомным ядром одного из внутренних электронов окружающей ядро электронной оболочки. Массовое число ядра при β - распаде не изменяется. При электронном захвате один из протонов ядра превращается в нейтрон, в результате чего заряд ядра уменьшается на единицу:
Слой вещества, равный длине пробега β -частиц, имеющих максимальную энергию, полностью затормозит все β -частицы, испускаемые данными радионуклидами.
В результате значительного отклонения β- частиц под влиянием электрических полей, создаваемых атомами, электронами ядрами, фактический путь β- частиц (14 м) значительно превышает зону действия излучения (1-3 м).
Взаимодействуя с веществом среды, β -частицы часто проходят вблизи атомных ядер. Под влиянием положительного заряда ядра отрицательного заряженная β -частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии. Энергия, потерянная β -частицей при торможении, излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии β -частиц и среднего атомного номера среды тормозное рентгеновское излучение возрастает.
|
|
|
Проникающая способность β- излучения значительно больше, чем α- частиц. Пробег β- частиц в воздухе зависит от их энергии и для частиц, обладающих энергией 3 МэВ, составляет около 3 м. Наиболее высокоэнергетические β -частицы могут пройти слой алюминия толщиной до 5мм. Полное поглощение β- частиц с энергией 1 МэВ происходит в слое алюминия ~ 1.5 мм. Одежда и кожный покров человеческого тела поглощает примерно 75% β- частиц и только 20 - 25% проникает внутрь человеческого организма на глубину 2 мм. Наибольшую опасность представляет попадание β- частиц в глаза, так как внешняя поверхность глаза не имеет защитного покрова,
Удельная ионизация, создаваемая β- частицей, значительно меньше, чем α - частицей той же энергии. Это объясняется меньшим электрическим зарядом и большей скоростью движения β- частиц, уменьшающей вероятность взаимодействия с атомом. Средняя удельная ионизация, вызываемая β- излучением в воздухе, составляет 60 пар ионов на 1 см пути β- частицы.
γ- Излучение.
Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей энергией и обладает наибольшей проникающей способностью по сравнению с α- и β- излучениями. Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Распространяется оно, как и рентгеновские излучения, в воздухе со скоростью света. В воздухе γ- излучение может преодолевать значительные расстояния, не испытывая существенного ослабления. Свинец, сталь, бетон, грунт, вода и другие плотные материалы при определенных толщинах вызывают существенное ослабление γ- излучения. Большая проникающая способность делает γ- излучение особенно опасным при внешних облучениях. Никакой защитный костюм не может ослабить γ- излучение.
Например, чтобы ослабить действие γ- излучения на человека только в 2 раза, потребовался бы свинцовый комбинезон массой 130 кг. Линейная плотность ионизации, создаваемая γ- излучением, значительно меньше, чем при облучении α- и β- частицами. На 1 см пути в воздухе γ- кванты создают несколько пар ионов с учетом как первичного [1], так и вторичного[2] излучений.
|
|
|
При прохождении γ- квантов через среду ионизация производится электронами, выбиваемыми из атомов в результате взаимодействия с γ- квантами. Интенсивность потока γ - излучения после прохождения через слой толщины x равна
, (2)
где μ - полный линейный коэффициент ослабления γ- излучения, определяемый свойствами вещества ослабляющего слоя и энергией γ- квантов.
Защитные свойства характеризуются толщиной слоя половинного ослабления, т. е. слоя, после прохождения, которого интенсивность γ- излучения уменьшается вдвое. Связь коэффициента ослабления γ- излучения и слоя половинного ослабления х1/2 выражается следующей формулой:
(3)
Нейтронное излучение.
Нейтроны, как правило, не испускаются при распаде радиоактивных изотопов, но очень часто возникают при ядерных реакциях. На практике нейтронное излучение сопровождает работу ускоряющих и энергетических ядерных установок. Не имеющие заряда нейтроны не вызывают непосредственного биологического эффекта. При прохождении пучка нейтронов через вещество могут проявиться два взаимодействия с ядрами веществами. Во-первых, в результате соударения нейтронов с ядрами возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов и, во-вторых, возникновения ядерных реакций типа (n, α), (n,p), (n, 2p) и деление тяжелых ядер.
При соударениях с легкими ядрами (типа ядер водорода) нейтроны высоких энергий передают последним часть своей кинетической энергии, при этом атомы теряют свои орбитальные электроны и при движении в среде вызывают ее ионизацию.
Медленные нейтроны вызывают активацию ядер окружающей среды, беспрепятственно проникая сквозь кулоновский барьер. Ядро, поглотившее нейтрон, увеличивает на единицу свое массовое число, т. е. становится новым изотопом элемента и при том, как правило, неустойчивым. Его распад сопровождается испусканием заряженной частицы и иногда γ- квантами, которые опять-таки вызывают ионизацию.
Изменение плотности потока нейтронного излучения dI в результате взаимодействия нейтронов с веществом будет пропорционально плотности потока нейтронов I, числу атомов вещества в единице объема N и длине пути нейтронов в веществе dx, т.е.
dI = - NσIdx (4)
Если обозначить Io – плотность потока нейтронов на поверхности защиты, т.е. при X = 0, а I – плотность потока нейтронов за слоем защиты х, то в результате интегрирования выражения (3) получим:
I = Io exp (-σ Nx) (5)
Коэффициент пропорциональности σ, характеризующий вероятность взаимодействия нейтрона с атомами вещества, имеет размерность квадратный сантиметр (см2 ) и называется микроскопическим эффективным поперечным сечением ядра.
Сущность понятия эффективного поперечного сечения заключается в следующем. Пусть тепловые нейтроны проходят 1 см3 азота (в 1 см3 азота при нормальных условиях содержится 1018 атомов), эффективное микроскопическое сечение реакции (n, p) при 106 падающих тепловых нейтронов и соответствующем им одном ядерном превращении будет равно:
σ = 1 / (106 + 1018) = 10-24 см2 (6)
По своему воздействию на человеческий организм нейтроны делятся на 5 энергетических групп:
1. Холодные нейтроны с энергией менее 0,025 эВ;
2. Тепловые нейтроны с энергией от 0,0025 до 0,05 эВ. В поглощающей среде обычно наблюдается реакция захвата холодных и тепловых нейтронов.
3. Промежуточные нейтроны с энергией от 0,05 эВ до 0,2 МэВ. Для нейтронов этой группы наиболее типичным процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.
4. Быстрые нейтроны с энергией от 0,2 до 20 МэВ. Эти нейтроны характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением ядерных реакции.
5. Сверхбыстрые нейтроны с энергией 20-300 МэВ отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.
Защита от нейтронного излучения осуществляется в два этапа.
1 этап. Замедление нейтронов до энергий 0,1- 0,01 эВ (тепловые нейтроны). В качестве замедлителей используются водородосодержащие вещества (парафин, вода, бетон, органические пластмассы и т. д.) и графит.
2 этап. Поглощение тепловых нейтронов. В качестве поглотителей можно выбрать любое вещество с большим сечением захвата (чаще всего используется кадмий, бор, сплав кадмия со свинцом и их химические соединения).
Проникающая способность потока нейтронов сравнима с характерной для γ -излучения способностью.
|
|
|
