Ионизирующие излучения и их измерение

Лабораторная работа №3

Ионизирующие излучения и их измерение

Цель работы: Ознакомиться с теоретическими основами возникновения ионизирующих излучений; понять опасность различных видов излучений и их воздействие на организм человека; ознакомиться с единицами измерений; уметь работать с дозиметрами и измерять радиоактивные излучения естественного и техногенного характера.

1. Термины и определения

Ионизация – физическое превращение нейтральных атомов и молекул в положительно или отрицательно заряженные ионы.

Ион – электрически заряженная частица, ионы образуются при потере или приобретении электронов атомами вещества.

В стабильном атомном ядре протоны и нейтроны удерживаются ядерными силами притяжения.

Протон – стабильная элементарная частица с массой в 1836 масс электрона. Протоны с нейтронами образуют все атомные ядра.

Электрон – стабильная отрицательно заряженная частица массой  
9·10-28 грамма.

Лептоны – (греч. – легкий) элементарные частицы не участвуют в сильном взаимодействии. Масса легких лептонов в 109 меньше массы электрона.

Нейтрон – нейтральная элементарная частица с массой, превышающей массу протона на 2,5 электронных масс. В свободном состоянии нейтрон не стабилен и имеет время жизни около 16 минут. Вместе с протоном нейтрон образует атомные ядра и там они стабильны.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц или g-кванта.

Радиоактивные элементы – химические элементы, все изотопы которых радиоактивны (например, технеций, прометий, полоний и следующие за ними в периодической системе Д.И. Менделеева).

Изотопы – разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе ядра.

Радионуклиды – те изотопы элементов, которые испускают радиоактивное излучение, способное выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Такое излучение называется ионизирующим. При испытании атомного оружия, аварии на АЭС выпадают осадки, содержащие радионуклиды.

Гамма излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-8 см, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных части, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом.

Альфа-распад – самопроизвольный распад атомных ядер на  
a-частицы. Альфа радиоактивны почти исключительно ядра тяжелых металлов с порядковым номером более 82.

Бета-частицы – вылетающие из атомных ядер со всевозможными начальными энергиями частицы, обладающие различными пробегами в веществе.

Благодаря небольшой проникающей способности a и b излучения не представляют опасности для внешнего облучения.

Плотная одежда может поглощать значительную часть b-частиц и совсем не пропускать a-частицы. Однако, при попадании внутрь организма человека с пищей, водой и воздухом эти частицы могут причинить серьезный вред здоровью.

Гамма-излучения (g-кванты) и нейтроны не обладают электрическим зарядом. Они свободно проходят через атомы. Пути их пробега – сотни сантиметров (иногда метров). Гамма-излучения, взаимодействуя с веществами, производят его ионизацию и возбуждение атомов среды.

2. Единицы измерения радиации

Активность (А) – мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:

А=dN/dt, Бк 

Доза поглощения (D) – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу.

(Гр) 

Доза эквивалентная (HTR) – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешенный коэффициент для данного вида излучения, WR:

HTR=WR·DTR, Зв,

Мощность эквивалентной дозы (Н) – доза излучения за единицу времени (секунду, минуту, час).

3. Биологическое воздействие ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения подчиняются закону радиоактивного распада. Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону, который выражается формулой:

 

Величина и ее символ	Название и обозначение единиц		Связь между единицами
	Единица СИ	Внесистемная   единица
Активность А	Беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду (расп./с)	Кюри (Ки)	1 Ки=3,700·1010 расп./с=3,700·1010 Бк; 1 Бк=1 расп./с; 1 Бк=2,703·10-11 Ки
Плотность потока I и JE энергии частиц	Ватт на квадратный метр (Вт/м2), равный одному джоулю на квадратный метр в секунду [Дж/(м2·с)]	Эрг на квадратный сантиметр в секунду [эрг/(см2·с)] или мегаэлектронвольт на квадратный сантиметр в секунду [МэВ/(см2·с)]	1 эрг/(см2·с)=1·10-3 Дж/ (м2·с)= =1·10-3 Вт/м2; 1 Вт/м2=1 Дж/ (м2·с)=1·10-3 эрг/(см2·с); 1 МэВ/(см2·с)=1,602·10-9 Дж/(м2·с)= =1,602·10-9 Вт/м2; 1 Вт/м2=1 Дж/ (м2·с)=6,24·108 МэВ/(см2·с)
Поглощенная доза D	Грэй (Гр), равный одному джоулю на килограмм (Дж/кг)	Рад (рад)	1 рад=100 эрг/г=1·10-2 Дж/кг=1·10-2 Гр; 1 Гр=1 Дж/кг; 1 Гр= 1 Дж/кг=104 эрг/г=100 рад
Мощность поглощенной дозы D	Грэй в секунду (Гр/с), равный одному джоулю на килограмм в секунду [Дж/(кг·с)]	Рад в секунду (рад/с)	1 рад/с=1·10-2 Дж/(кг·с)= 1·10-2 Гр/с; 1 Гр/с=1 Дж/(кг·с)= 1·10-2 рад/с
Эквивалентная доза Н	Зиверт (Зв), равный одному грэю на взвешивающий коэффициент для вида излучения – WR [1Гр/WR=1(Дж/кг)/WR]	Бэр (бэр)
Мощность эквивалентной дозы Н	Зиверт в секунду (Зв/с)	Бэр в секунду (бэр/с)	1бэр/с= 1·10-2Зв/с 1 Зв/с=100 бэр/с
Экспозиционная доза* X	Кулон на килограмм (Кл/кг)	Рентген (Р)	1 Р=2,58·10-4 Кл/кг (точно); 1 Кл/кг=3,88·103 Р (приближенно)
Мощность экспозиционной  дозы X	Кулон на килограмм в секунду [Кл/(кг·c)]	Рентген в секунду (Р/с)	1 Р/с=2,58 10-4 Кл/(кг·с) (точно); 1 Кл/(кг·с)=3,88·103 Р/с (приближенно)
Керма** К	Грэй (Гр), равный одному джоулю на килограмм (Дж/кг)	Рад (рад)	1 рад=100 эрг/г=1·10-2 Дж/кг=1·10-2 Гр; 1 Гр=1 Дж/кг; 1 Гр=1 Дж/кг=104 эрг/г=100 рад
Мощность   кермы К	Грэй в секунду (Гр/с), равный одному джоулю на килограмм в секунду [Дж/(кг·с)]	Рад в секунду (рад/с)	1 рад/с=1·10-2 Дж/(кг·с)= 1·10-2 Гр/с; 1 Гр/с=1 Дж/(кг·с)= 1·10-2 рад/с

Прямое действие радиации приводит к диссоциации – распаду частиц (молекул, радикала, иона) на несколько более простых частиц. Ионизирующая радиация, воздействуя на организм человека, может вызвать два вида аффектов (крайнее напряжение), относимые к болезням: 1) детерминированные пороговые аффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, бесплодие, аномалии в развитии плода и др.); 2) стохастические (вероятностные) беспороговые аффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни). В интервале дозы 0,5-1,5 Гр возникает чувство усталости, менее чем у 10% облученных, может наблюдаться рвота, умеренные изменения в крови.

При дозе 1,5-2,0 Гр наблюдается легкая форма острой лучевой болезни, которая проявляется продолжительной лимфопенией, в 30-50 % случаев – рвота в первые сутки после облучения.

Смертельные исходы не регистрируются.

Лучевая болезнь средней тяжести возникает при дозе 2,5-4,0 Гр. При этом в первые сутки после облучения наблюдается тошнота, рвота, резко снижается в крови количество лейкоцитов, появляются подкожные кровоизлияния, в 20% - возможен смертельный исход. Смерть может наступить через 2-6 недель после облучения.

При дозе 4,0-6,0 Гр – развивается тяжелая форма лучевой болезни, приводящая к 50% смертельных случаев в течение первого месяца.

При дозах превышающих > 6,0 Гр, развивается крайне тяжелая форма лучевой болезни, которая приводит почти в 100% случаев к смертельному исходу, вследствие кровоизлияния или инфекционных заболеваний.

Все перечисленные данные о лучевых болезнях рассмотрены при полном отсутствии своевременного лечения.

2. Защита от ионизирующих  излучений

Если излучения источника превышают предельно допустимые уровни (ПДУ), то между источником и приемником располагают защиту (свинцовый экран).

Защита от нейтронного излучения.

Мощность дозы (пространственное распределение плотности потока нейтронов) можно описать:

 

Защита от заряженных частиц

Для a и b-частиц излучения достаточно иметь толщину экрана, удовлетворяющую неравенству: h>Ri, где Ri – максимальная длина пробега частиц в материале экрана; h – толщина экрана.

Слой воздуха в 10 см, тонкая фольга, одежда полностью экранируют a-частицы.

Экран из алюминия, плексигласа, стекла толщиной несколько миллиметров экранируют поток b-частиц, за исключением, когда энергия b-частиц >2МэВ. В этом случае должна применяться более усиленная защита.