Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений

Министерство образования и науки Российской Федерации Калужский филиал федерального государственного бюджетного  образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет   имени Н.Э. Баумана» (КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)

 

 

 

 

ФАКУЛЬТЕТ	"Фундаментальных  наук"
КАФЕДРА	"Промышленная  экология и химия"

 

 

 

 

 

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №1

 

ДИСЦИПЛИНА:		"Защита от энергетических воздействий"
ТЕМА:	"Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений"

 

 

 

 

 

Выполнил: студенты гр. ЭКД.Б-71	Пименова Е.О.__________________
Проверил:	Яковлева О.В.________________

 

 

 

 

Дата сдачи (защиты)домашней работы:
Результаты сдачи (защиты):         Количество рейтинговых баллов
Оценка

 

 

 

 

Калуга, 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В начале 20 века человечество столкнулось с загадочным явлением – радиоактивность - самопроизвольные превращения нестабильных атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц или квантов излучения. Явление представляло значительную опасность для людей.

Открытие радиоактивности было сделано в 1896 году французским физиком Беккерелем при исследовании им свойств соединений урана. Впоследствии это свойство было обнаружено у целой группы веществ. Дальнейшие исследования показали, что радиоактивность - это невидимые, не имеющие цвета и запаха излучения, которые испускают некоторые вещества, которые стали называть радиоактивными.

Теперь известны следующие виды излучений радиоактивных веществ: α-лучи (поток положительно заряженных атомов гелия); β-лучи (поток отрицательно заряженных электронов, скорость которых близка к скорости света и которые обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи); γ - лучи, подобные рентгеновским, но обладающие еще большей проникающей способностью и представляющие собой электромагнитные волны. Наряду с этими видами различают еще нейтронное, протонное и рентгеновское излучения [2].

В настоящее время радиоактивные вещества широко применяются: в энергетике (АЭС) для получения электричества и тепла, в промышленности (атомной и не атомной), на транспорте (атомные суда), в медицине, науке, военном деле (ядерные и другие виды оружия и технические средства), во многих других областях человеческой деятельности.

При этом все большее применение получают не только радиоактивные, но и другие вещества, обладающие искусственной (созданной человеком) радиоактивностью, так называемые радиоактивные изотопы этих веществ или радионуклиды (например, изотопы углерода, кальция, натрия, йода, фосфора, серы). В виду широкого использования радиоактивных веществ появилась необходимость регистрации ионизирующих частиц и разработка единиц измерение активности тех или других веществ, окружающей нас среды, уровень фона на промышленных  предприятиях.

Целью данной работы является изучить методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений.

В соответствии с заданной целью были поставлены следующие задачи:

1. Ознакомиться с видами ионизирующего излучения;
2. Узнать о классификации приборов радиационного контроля;
3. Проанализировать методы регистрации ионизирующего излучения, выявить преимущества и недостатки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Ионизирующее излучение – это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.  
   При ядерном взрыве, авариях на АЭС и других ядерных превращениях появляются и действуют не видимые и не ощущаемые человеком излучения. По своей природе ядерное излучение может быть электромагнитным, как например, гамма-излучение, или представлять поток быстро движущихся элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета и альфа-частиц. Любые ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют их атомы и молекулы. Ионизация среды тем сильнее, чем больше мощность дозы проникающей радиации или радиоактивность излучения и длительное их воздействие.

Действие ионизирующих излучений на людей и животных заключается в разрушении живых клеток организма, которое может привести к различной степени заболеваниям, а в некоторых случаях и к смерти. Чтобы оценить влияние ионизирующих излучений на человека (животное), надо учитывать две основных характеристики: ионизирующую и проникающую способности.  

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия с двумя положительными зарядами. Ионизирующая способность альфа-излучений в воздухе характеризуется образованием в среднем 30 тыс. пар ионов на 1 см пробега. Это очень много. В этом главная опасность данного излучения. Проникающая способность, наоборот, очень не велика. В воздухе альфа-частицы пробегают всего 10 см. Их задерживает обычный лист бумаги.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов со скоростью, близкой к скорости света. Ионизирующая способность невелика и составляет в воздухе 40 – 150 пар ионов на 1 см пробега. Проникающая способность намного выше, чем у альфа-излучения, и достигает в воздухе 20 см.

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение, которое распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность в воздухе – всего несколько пар ионов на 1 см пути. А вот проникающая способность очень велика – в 50 – 100 раз больше, чем у бета-излучения и составляет в воздухе сотни метров (рисунок 1). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Проникающая способность радиоактивных частиц

Нейтронное излучение – это поток нейтральных частиц, летящих со скоростью 20 - 40 тыс. км/с. Ионизирующая способность составляет несколько тысяч пар ионов на 1 см. пути. Проникающая способность чрезвычайно велика и достигает в воздухе нескольких километров[1]. 

Рассматривая ионизирующую и проникающую способность, можно сделать вывод. Альфа-излучение обладает высокой ионизирующей и слабой проникающей способностью. Обыкновенная одежда полностью защищает человека. Самым опасным является попадание альфа-частиц во внутрь организма с воздухом, водой и пищей. Бета-излучение имеет меньшую ионизационную способность, чем альфа-излучение, но большую проникающую способность. Одежда уже не может полностью защитить, нужно использовать любое укрытие. Это будет намного надежней. Гамма - и нейтронное излучение обладают очень высокой проникающей способностью, защиту от них могут обеспечить только убежища, противорадиационные укрытия, надежные подвалы и погреба.

2 КЛАССИФИКАЦИЯ  ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ РАДИАЦИОННОГО  КОНТРОЛЯ

В зависимости от измеряемых характеристик источников ионизирующих излучений и их полей измерения делятся на три класса:

• радиометрические - измерения величин, характеризующих активность

радионуклидов – источников ионизации (радиометрия) (рисунок 2);

• дозиметрические - измерения поглощённой энергии ионизирующего

излучения объектами и субъектами окружающей среды (рисунок 3);

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 -   Радиометр радона "РРА-01М-01"

• Рисунок 3 - Дозиметр радиацииспектрометрические – измерения энергии частиц (спектрометрия).

Приборы дозиметрического контроля населения включают приборы контроля внешнего облучения и приборы контроля внутреннего облучения. Приборы, системы и средства радиационного контроля могут быть переносными, стационарными и передвижными (бортовыми), базирующимися на различных видах транспорта [1].

 

 

 

 

 

 

3 МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с внешней средой происходит ионизация и возбуждение ее нейтральных атомов и молекул. Эти процессы изменяют физико-химические свойства облучаемой среды, в том числе и биологических объектов. Взяв за основу эти явления, для регистрации и измерения ионизирующих излучений используют следующие методы: физические, химические, биологические и расчетные [2].

Для получения необходимой информации о радиоактивном распаде, ионизирующее излучение преобразуют чаще всего с помощью соответствующих детекторов в электрические сигналы, которые затем измеряют, сортируют и регистрируют радиометрической аппаратурой.

Детектор (индикатор) излучения – объект, позволяющий обнаружить наличие ионизирующего излучения путем непосредственного взаимодействия с веществом этого объекта.

Применяемые типы детекторов рассчитаны на регистрацию различных видов излучения (альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п.) в широком диапазоне их энергии. Обычно они используются для определения состава излучения и измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц.

 

 

3.1 ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

3.1.1 ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД

Сущность его заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме) происходит ионизация молекул, в результате чего электропроводность этой среды увеличивается. Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т.е. проходит так называемый ионизационный ток, который легко может быть измерен. Такие устройства называют детекторами излучений.

В качестве детекторов используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера—Мюллера, полупроводниковые детекторы и др.

Ионизационный метод положен в основу работы таких дозиметрических приборов, как ДП-5А (Б,В), ДП-22В и ИД-1.

 

а) Ионизационная камера

Ионизационная камера, прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.

Ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления.

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом (рисунок 4).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Принцип действия ионизационной камеры

Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов [3].

В ионизационных камерах, как и в счетчике Гейгера, используется газовая смесь, однако напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит.

 

б) Счетчик Гейгера - Мюллера

Изобретён в 1908 году Гансом Гейгером. Счетчик Гейгера состоит из герметичной стеклянной трубки, заполненной разреженным газом, например, аргоном. В нее впаяны электроды (катод и анод), подключенные через сопротивление R к источнику высокого напряжения. Принцип счетчика Гейгера следующий. При пролете внутри трубки какой-нибудь быстрой частицы, способной ионизировать атомы газа, образуется некоторое число электрон-ионных пар. Электроны начинают двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду. Если напряженность поля достаточно велика, то электрон, ускоряясь, может приобрести энергию, достаточную для ионизации атомов газа. Вновь образовавшие электроны ускоряются полем и в свою очередь производят ионизацию, давая начала новым электронам и ионам. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина. В результате этого в трубке возникает разряд, и в цепи счетчика происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока, которое регистрируется специальным устройством. Разряд длится примерно микросекунду и затем прекращается, т.к. основная часть напряжения падает на сопротивлении R, и в результате этого напряжение между катодом и анодом резко уменьшается (рисунок 5,6).