Радиоактивные элементы

Ионизирующие излучения, их характеристики и методы измерений 

краткая характеристика ионизирующих излучений

характеристики ионизирующих излучений.  
Единицы измерения

основные способы обнаружения и измерения ионизирующих излучений

Дозиметрические приборы, правила  их использования.

 

Ионизирующие излучения, их характеристики и методы измерений

Краткая характеристика ионизирующих излучений

 

Ионизирующее  излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Излучение считается ионизирующим, если оно способно разрывать химические связи молекул. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.

Радиоволны, световые волны, тепловая энергия Солнца не относятся  к ионизирующим излучениям, так как  они не вызывают повреждения организма  путем ионизации.

Корпускулярное  – это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).

Фотонное – это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение – это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину несколько сантиметров, в биологической ткани – на глубину доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета-излучение – это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше, и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бета-излучением.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025 –300 МэВ.

Гамма-излучение – электромагнитное излучение (длина волны 10^–10–10^–14 м), возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде, аннигиляции частиц и при возбуждении атомов и их ядер, торможении частиц в электрическом поле. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Большинство гамма-квантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.

Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма-излучения.

Характеристическое  излучение – фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение – фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Рентгеновское излучение – фотонное излучение (длина волны 10^–-9–10^–-12 м), состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами, и возникающее при некоторых ядерных реакциях. В отличие от гамма-излучения оно обладает такими свойствами как отражение и преломление.

Характеристики ионизирующих излучений.  
Единицы измерения

Для установления закономерностей  распространения и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе  и в биологической ткани, введены  следующие основные характеристики: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс-частиц (фотонов), поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.

Рассмотрим только некоторые  характеристики:

Энергия частиц или гамма-квантов – Е выражается в Джоулях или электрон-вольтах (эВ). Величина Джоуль используется в системе СИ, электрон вольт (эВ) – внесистемная единица.   1эВ = 1,6.10^–19Дж   

где: 1эВ – это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1В.

Плотность потока частиц (гамма-квантов) jj – выражается числом частиц (гамма-квантов), падающих на единицу поверхности в единицу времени. Поверхность расположена нормально к направлению движения частиц. Единица измерения – частица/м² с.

Флюенс частиц (фотонов) характеризует полное число частиц, прошедших через единичную поверхность за все время облучения:

                  Ф = jjt    

Единица измерения флюенса – частица/м².

Исторически получилось так, что сначала  были открыты гамма-лучи. Было замечено, что они имеют свойство ионизировать воздух. Поэтому для характеристики поля было введено понятие экспозиционная доза.

Экспозиционная  доза рентгеновского и гамма-излучения характеризует их способность создавать в веществе заряженные частицы. Выражается отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака Q, образованного излучением в некотором объеме воздуха к массе dm в этом объеме:

Х = dQ/dm  

Единица измерения в системе  СИ – Кулон/кг, внесистемная единица  – Рентген.

1 Рентген – это доза фотонного излучения, при прохождении которого через 1см³ сухого воздуха при температуре 0°°С, давлении 1013гПа (760 мм рт. ст.), образуется 2.10⁹ пар ионов, несущих электрический заряд в одну электростатическую единицу количества электричества данного знака. Доза в 1Р накапливается за 1 час на расстоянии 1м от источника радия массой в 1г, т.е. активностью в 1Ки.

Между единицами существует следующая зависимость:  
1Р = 2,58·10^–4 Кл/кг; 1Кл/кг = 3,876.10³ Р.

Учитывая, что экспозиционная доза накапливается во времени, на практике используется и понятие мощность экспозиционной дозы или уровень  радиации.

Мощность  экспозиционной дозы – отношение приращения экспозиционной дозы dХ за интервал времени dt к этому интервалу:

= dх/dt    

Единицы измерения: в системе  СИ – А/кг; внесистемная единица  – Р/с, Р/ч, мР/ч, мкР/ч и т.д.

После того, как были открыты бета-излучение  и альфа-излучение, стал вопрос оценки этих излучений при взаимодействии с окружающей средой. Экспозиционная доза для оценки оказалась непригодной. Поэтому была предложена, казалось бы, универсальная характеристика –  поглощенная доза.

Поглощенная доза – количество энергии Е, переданное веществу излучением любого вида пересчете на единицу массы m любого вещества:

D = dE/dm, (Дж/кг).  

1Дж/кг = 1Грей. Внесистемная единица – рад (радиационная адсорбционная доза). 1Грей = 100 рад. Можно использовать и дробные значения единиц, например: мГр, мкГр, мрад, мкрад и др.

Доза в органе или биологической  ткани (D_T) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

D_T = W_Т/m_T   

где W_Т – полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; m_T – масса органа или ткани; D_T – средняя поглощенная доза в массе ткани dm.

Вредное воздействие ионизирующих излучений на человека зависит не только от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена, поэтому  введено понятие мощность поглощенной  дозы.

Мощность  поглощенной дозы – отношение приращения поглощенной дозы dD за время dt:

= Р = dD/dt

Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.

Мощность поглощенной  дозы в ряде случаев можно рассматривать  как величину постоянную или изменяющуюся по экспоненте, т.е.:

Р = соnst или Р = Р_ое ^{– 0,693 t/T}

Замечено, что при облучении  одной и той же энергией биологической  ткани человека, (т.е. при получении  одной и той же дозы), но различными видами лучей последствия для  здоровья будут разными. Например, если при облучении альфа частицами  вероятность заболеть раком очень  высокая, то при облучении бета- частицами  значительно меньше, а при облучении  гамма-лучами еще меньше. Поэтому  для биологической ткани была введена характеристика – эквивалентная  доза.

Эквивалентная доза (Н_Т.R) – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения К данного вида излучения R. Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами, не превышающими 5 предельно-допустимых доз при облучении всего тела человека), т.е. 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами. Доза эквивалентная равна:

Н_T.R = D_T.R • W_R,  

где: D_T.R – поглощенная доза биологической тканью излучением R; W_R – коэффициент качества для отдельных видов излучений R (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-квантов и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцирования биологических эффектов (табл.4).

Формула эквивалентной дозы (Н_Т.R) справедлива для оценки как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека. При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения R:

Н_Т = Σ Н_Т.R

Установлено, что при одной и  той же поглощенной дозе биологический  эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности по тока излучения.

Единица измерения эквивалентной  дозы в системе СИ: Зиверт (Зв).

Зиверт – единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского и гамма-излучения.

Существует и внесистемная единица – бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования. 1 Зв = 100 бэр.

 

Таблица

Коэффициенты качества излучения

Вид излучения и диапазон энергии	Коэффициенты  качества WR
Фотоны  всех энергий	1
Электроны всех энергий	1
Альфа-частицы	20
Нейтроны с энергией:
< 10 кэВ	5
от 10 кэВ до 100 кэВ	10
> 100 кэВ до 2 Мэв	20
> 2 МэВ до 20 МэВ	10
> 20 МэВ	5
Протоны с энергией более 2МэВ, кроме  протонов отдачи	5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые  ядра	20
Примечание. Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении.

 

Мощность  эквивалентной дозы – отношение приращения эквивалентной дозы dH за время dt:

= dH/dt

Единицы измерения мощности эквивалентной дозы м Зв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с и т.д.

В случае неравномерного облучения  тела человека формула (20) не может быть использована, так как биологический  эффект может оказаться другим. Поэтому  введена «эффективная доза».

Эффективная доза (Е) – это такая доза при неравномерном облучении тела человека, которая равна эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при которой риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и при неравномерном облучении тела человека.