Ионизирующее излучение

Ученые установили, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является радиоактивный газ радон – это невидимый, не имеющий ни вкуса, ни запаха газ, который в 7,5 раз тяжелее воздуха. В природе радон встречается в двух основных видах: радон – 222 и радон – 220. Основная часть радиации исходит не от самого радона, а от дочерних продуктов распада, поэтому значительную часть дозы облучения человек получает от радионуклидов радона, попадающих в организм вместе с вдыхаемым воздухом.

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, поэтому максимальную часть облучения от него человек  получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении нижних этажей зданий, куда газ просачивается через фундамент  и пол. Концентрация его в закрытых помещениях обычно в 8 раз выше, чем  на улице, а на верхних этажах ниже, чем на первом. Дерево, кирпич, бетон  выделяют небольшое количество газа, а вот гранит и железо – значительно  больше. Очень радиоактивны глиноземы. Относительно высокой радиоактивностью обладают некоторые отходы промышленности, используемые в строительстве, например, кирпич из красной глины (отходы производства алюминия), доменный шлак (в черной металлургии), зольная пыль (образуется при сжигании угля).

В настоящее время создано  множество искусственных радионуклидов, используются возможности атома в самых различных отраслях – в медицине, при производстве электро- и тепловой энергии, изготовлении светящихся циферблатов часов, множества приборов, при поиске полезных ископаемых и в военном деле. Все это, естественно, приводит к дополнительному облучению людей. В большинстве случаев дозы невелики, но иногда техногенные источники оказываются во много тысяч раз интенсивнее, чем естественные [1].

На металлические конструкции ионизирующее облучение влияет слабо (мало). На свойства металлов оказывают влияние только нейтронные потоки большой интенсивности более 10²⁰ нейтр/см². При бомбардировке нейтронами может увеличиться временно прочность на разрыв, измениться текучесть и эластичность, повыситься удельное сопротивление (на 10 - 20%). В месте контакта металлов с органическими материалами может образоваться металлоорганическое соединение.

Органические вещества весьма чувствительны к радиации. Воздействие  приводит к преобразованию молекул, сопровождающемуся химическими  реакциями, вызывающими необратимые  изменения природы вещества и  его механических свойств. Преобразование сопровождается выделением газов, которые  в соединении с влагой образуют кислоты, оказывающие вредное влияние  на изоляционные материалы. Большинство  пластмасс получает механическое повреждение  при дозах 10⁷- 10⁸ рад. Фенолформальдегид и метилметакрилат становятся хрупкими и деформируются. Полиэтилен и полистирол - вначале увеличивается сопротивление разрыву и твердость, а затем они становятся хрупкими. Большинство пластмасс темнеет и обесцвечивается. Пропитки и изоляционные масла портятся, как и оргматериалы. Синтетический каучук и кремний, органическая резина твердеют при 10⁸ рад, а натуральный каучук - при 10⁹ рад. Бутиловый каучук превращается в клейкую массу при 10⁸ рад. Изменение электрических свойств органических веществ (проводимость, диэлектрическая проницаемость, угол потерь) носит обратимый характер. Время восстановления зависит от природы материала и условий облучения.

На неорганические вещества (материалы) радиация воздействует меньше, чем на органические. При облучении нейтронами возможно объемное расширение (1% при облучении потоком 10²⁰ нейтр/см²). Кварц и стекло теряют прозрачность при больших дозах. Под допустимой дозой (потоком) понимается величина, при которой характеристики материала ухудшаются на 25%; допустимая доза определяется при помощи потока нейтронов и мощности дозы гамма - облучения соответственно 10¹¹ - 10¹² нейтр/ (см²*с) и (10⁶ - 10⁷) Р/ с. Другие характеристики радиационной стойкости материалов приведены в таблице 1 [2]. (с. 35)

Различают два вида эффекта воздействия  на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте, негативные последствия проявляются  непосредственно у облучаемого.  При генетическом - у его потомства.

Соматические эффекты могут  быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 60 суток после облучения. К ним относят покраснение  и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются  через несколько месяцев или  лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных  новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

При действии излучения на организм были выявлены следующие особенности:

1. Высокая эффективность поглощённой  энергии, даже малые её количества  могут вызвать глубокие биологические  изменения в организме.

2. Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия  ионизирующих излучений.

3. Действие от малых доз может  суммироваться или накапливаться.

4. Генетический эффект - воздействие  на потомство.

5. Различные органы живого организма  имеют свою чувствительность  к облучению.

6. Не каждый организм (человек)  в целом одинаково реагирует  на облучение.

7. Облучение зависит от частоты  воздействия. При одной и той  же дозе облучения вредные  последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

Ионизирующее излучение может  оказывать влияние на организм как  при внешнем (особенно рентгеновское  и гамма-излучение), так и при  внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение происходит при  попадании внутрь организма через  лёгкие, кожу и органы пищеварения  источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь источники ионизирующего излучения подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

Под действием ионизирующего излучения  вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется, и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и  окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя  и разрушая её. Нарушается обмен  веществ. Происходят изменения в  составе крови - снижается уровень  эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов  и нейтрофилов. Поражение органов  кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к  инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются  лучевыми ожогами кожи и слизистых  оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно, отмирание  тканей (некрозы).

Смертельные поглощённые дозы для  отдельных частей тела следующие:

· голова - 20 Гр;

· нижняя часть живота - 50 Гр;

· грудная клетка - 100 Гр;

· конечности - 200 Гр.

При облучении дозами, в 100-1000 раз  превышающую смертельную дозу, человек  может погибнуть во время однократного облучения (“смерть под лучом”) [8].

Биологические нарушения в зависимости  от суммарной поглощённой дозы облучения представлены в таблице 2. (с. 36)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Основы дозиметрии

 

2.1. Методы измерения  ионизирующих излучений и измерительная  техника

 

Дозиметрия ионизирующих излучений рассматривает свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения  или взаимодействие излучения с  веществом, а также принципы и  методы их определения.

Дозиметрия имеет дело с такими физическими величинами, которые связаны с ожидаемым  радиационным эффектом. Эти величины обычно называют дозиметрическими. Установленная  связь между измеряемой физической величиной и ожидаемым радиационным эффектом – важнейшее свойство дозиметрических  величин. Вне этой связи дозиметрические  измерения теряют смысл.

В зависимости от природы  регистрируемого физико-химического  явления, происходящего в среде  под воздействием ионизирующего излучения, различают ионизационный, химический, сцинтилляционный, фотографический и другие методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений.

Для любого вида ионизирующих излучений, первичными процессами, которые происходят в  среде, являются ионизация и возбуждение. Поэтому биологические эффекты, наблюдаемые под воздействием заряженных частиц, нейтронов и квантов, обусловлены не их физической природой, а тем более не их источником (различные естественные и техногенные радионуклиды, генераторы излучений), а количеством поглощенной энергии и ее пространственным распределением (микрогеометрией), характеризуемые линейной плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации или, иначе, линейная передача энергии (ЛПЭ), тем больше степень биологического повреждения. Эта степень определяет относительную биологическую эффективность (ОБЭ) различного рода излучений.

Биологическое действие излучения  является основой биологической  дозиметрии и используется главным  образом для установления ОБЭ  — относительной биологической  эффективности различных видов  излучения. Биологические методы дозиметрии базируются на определении морфологических  и функциональных изменений, возникающих  в организме под влиянием облучения. Величину дозы оценивают по уровню летальности животных, изменению  окраски кожи, выпадению волос, появлению  или увеличению содержания некоторых  веществ в моче, изменению количества кровяных клеток, т.е. состава крови  и др. Биологические методы не очень  точны.

Физические методы дозиметрии основаны на оценке степени ионизации  вещества под влиянием ионизирующих излучений, изменения его электропроводности, характера свечения и др.

В процессе ионизации вещества наступает изменение его электропроводности. Так, газы в обычных условиях практически  не обладающие электропроводностью, в  момент ионизации становятся хорошими проводниками электричества. Ионизационные  методы дозиметрии основаны на том, что  число образованных пар ионов  в каком-либо определенном объеме вещества находится в прямой зависимости  от количества поглощенного в нем  излучения. Другими словами, мерой  количества ионизирующего излучения  является ионизация, которая возникает  в результате поглощения энергии  излучения в веществе.

Химический метод основан на способности молекул некоторых веществ в результате воздействия ионизирующих излучении распадаться, образуя новые химические соединения. Так, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием хлороводородной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем, добавленным к хлороформу. По плотности окраски судят о дозе излучения (поглощенной энергии).

 

Ионизационный метод основан  на способности ионизирующего излучения  вызывать ионизацию среды. Если взять какое-либо непроводящее электрический ток вещество и поместить его в поле действия ионизирующего излучения, то при взаимодействии излучения с веществом часть энергии передается атомам и молекулам этого вещества и расходуется на их ионизацию. В веществе появляются положительно и отрицательно заряженные ионы. При отсутствии электрического поля ионы рекомбинируют между собой и в результате в веществе устанавливается равновесная концентрация ионных пар (равенство скоростей ионизации и рекомбинации при постоянной интенсивности излучения).

Сцинтилляционный  метод измерения ионизирующих излучений основан на том, что некоторые вещества (сульфит цинка, иодид натрия) светятся при воздействии на них ионизирующих излучений. Количество световых вспышек пропорционально мощности дозы излучения и регистрируется с помощью специальных приборов — фотоэлектронных умножителей.

Фотографический метод основан на способности молекул бромида серебра, содержащегося в фотоэмульсии, распадаться на серебро и бром под воздействием ионизирующих излучений. При этом образуются мельчайшие кристаллики серебра, которые вызывают почернение фотопленки при ее проявлении. Плотность почернения пропорциональна поглощенной энергии излучения. Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу излучения (экспозиционную или поглощенную), полученную пленкой [4].

Для обнаружения, измерения  и преобразования ионизирующего  излучения применяются следующие  приборы и преобразователи.

Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока – анод. Система заполнена  газовой смесью.

При прохождении через  счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду –  нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и  в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному  разряду. Амплитуда сигнала достигает  нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию  частицы.

Так же как в счетчике Гейгера и пропорциональном счетчике в ионизационной камере используется газовая смесь. Однако по сравнению  с пропорциональным счетчиком напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в  ней не происходит. В зависимости  от требований эксперимента для измерения  энергии частиц используется либо только электронная компонента токового импульса, либо электронная и ионная.

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного  пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа  пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного  пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического  поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое  поле в камере служит для “очистки”  камеры от ионов, образовавшихся при предыдущей ионизации газа.

Сцинтилляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтиллировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтилляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, например, NaI, так и пластиковые и жидкие. Кристаллические сцинтилляторы в основном используются для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения, пластиковые и жидкие – для регистрации нейтронов и временных измерений. Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.