41

Практичне заняття № 2-3

Тема: Прилади хімічної та радіаційної розвідки і дозиметричного контролю

Мета: отримати поняття про основні величини, що характеризують хімічну і радіаційну забрудненість, та засвоїти принципи і методи дозиметричного контролю

Навчальні питання:

1. Характеристика радіоактивних випромінювань і одиниці їх вимірювання.

2. Основні технічні дані, обладнання та порядок користування приладами

радіаційної, хімічної розвідки та дозиметричного контролю.

Теоретичні відомості

1. Характеристика радіоактивних випромінювань і одиниці їх

вимірювання.

Серед різноманітних видів іонізуючих випромінювань, як уже зазначалося вище, надзвичайно важливими при вивченні питання небезпеки для здоров'я і життя людини є випромінювання, що виникають в результаті розпаду ядер радіоактивних елементів, тобто радіоактивне випромінювання.

Радіоактивність - це природне явище самовільного розпаду ядер атомів, при якому виникаютьα-, β-, γ-випромінювання.

Радіоактивне забруднення - це наявність радіоактивних речовин в кількостях, які перевищують рівень природного фону на поверхні і в об'ємах, в тілі людини, в побуті, на виробництві і в навколишньому середовищі.

Знання фізичних основ іонізуючого випромінювання, його видів, одиниць виміру та методів визначення дози, будови радіометрів та дозиметрів, фізичних принципів за якими вони працюють, необхідні для фахівців будь якого профілю.

Протон - елементарна частинка з масою 1,67х ^10-24 г і зарядом +1.

Нейтрон - електронейтральна елементарна частинка з масою 1,009 атомних одиниць маси.

Електрон - елементарна частинка, яка у стані спокою має масу 0,9x10 ^-27г і має заряд -1 (Дж.Томпсон, 1897).

Позитрон - має таку ж масу, як і маса електрона, а заряд +1 (К.Андерсон, 1932).

Кількість протонів у ядрі відповідає номеру хімічного елемента у періодичній таблиці Д.І.Менделєсва та кількості електронів на орбітах, і тому атом електронейтральний. Якщо в атомі протон перетворюється в нейтрон, або навпаки, то виникає атом іншого елемента. Сума протонів і нейтронів в атомі називається масовим числом.

Альфа-випромінювання (α) представляє собою потік позитивно заряджених частинок (тобто двічі іонізованих ядер гелію - іонів ₄Не²⁺), які рухаються із швидкістю = 20 000 км/с. Вони мають дуже велику іонізуючу і малу проникаючу здатність. Пробіг α-частинок в повітрі не перевищує 11 см, а в м'яких тканинах він вимірюється мікронами. Наприклад, листок паперу вже затримує а-промені.

Бета-випромінювання (β) - це потік від'ємно заряджених частинок (електронів). їх швидкість наближається до швидкості світла (=3 10 ^-8 м/с). Іонізуюча здатність їх менша ніж α -частинок; але проникна здатність висока (проникають через шар алюмінію товщиною до 0 5 мм; в повітрі їх пробіг становить до 1 м).

Гамма-випромінювання (γ) - це потік фотонів з дуже малою довжиною хвилі і, отже, з дуже великою енергією. Іонізуюча здатність низька, а проникаюча перевищує проникаючу здатність α-, β-променів і навіть рентгенівських (проникають через товщу свинцю в декілька сантиметрів). Отже, створюється так зване іонізуюче випромінювання яке має здатність проникати через матеріали різної товщини, а також іонізувати повітря і живі клітини організмів. Проходячи через різні речовини, воно взаємодіє, з їх атомами і молекулами, що призводить навіть до виривання окремих електронів із нейтрального атому. Вибиті електрони (а вони завжди мають певну енергію) самі взаємодіють із зустрічними атомами і створюють нові іони. Таким чином виникає іонізоване середовище.

Нейтронне випромінювання.

Іонізація - це акти розділення електрично нейтрального атома (молекули) на протилежно заряджені частинки - від'ємний електрон і позитивний іон.

Рентгенівське випромінювання було відкрито німецьким вченим Вільямом Конрадом Рентгеном. Енергія квантів рентгенівських променів дещо менша як у гама-випромінювання, відповідно і нижча проникаюча здатність. Добрим захисним матеріалом від рентгенівських променів є важкі метали (наприклад, свинець).

Атоми даного хімічного елементу, що мають різну кількість нейтронів, називають ізотопами (ізос - рівний, топос - місце), тобто різновиди атома, які мають однакове місце в періодичній таблиці і належать до того самого хімічного елементу. Будь-яка різновидність атомів називається нуклідом.

Нестабільні атоми мають властивості перетворюватись із одного атома в інший, що є радіоактивним перетворенням.

Розрізняють декілька видів радіоактивних перетворень:

1. Альфа-розпад властивий для важких атомів з атомними номерами більше 83, а також для багатьох радіоактивних ізотопів рідкоземельиих елементів. Він супроводжується викидом ядер атома-гелію (Не²⁺). Теорія альфа-розпаду створена в 1928 р. Г.Гамовим та Р.Генрі.

При альфа-розпаді материнське ядро перетворюється в дочірнє, виникає новий нуклід, що розташований на дві клітини вліво у періодичній таблиці Д.І.Менделєєва і має масове число на 4 одиниці менше - перший закон радіоактивного розпаду.

Такий вид розпаду може не супроводжуватись гамма-випромінюванням (чисті альфа-випромінювачі). Відомо більше 200 альфа-випромінювачів.

2. Електронний бета-розпад властивий радіонуклідам, що мають в ядрі нейтронів більше, ніж протонів. Материнське ядро переходить в ізобарне дочірнє ядро і випромінюється одна бета-частинка. При цьому утворюються атоми хімічного елемента, заряд ядра якого на 1 більше — другий закон радіоактивного зміщення.

3. Позитронний бета-розпад властивий нейтронодефіцитним ядрам. При цьому материнське ядро перетворюється в ізобарне дочірнє ядро і утворюються атоми хімічного елемента, що має на один протон менше, Оскільки один протон перетворюється в нейтрон - третій закон радіоактивного зміщення. При цьому розпаді також може мати місце гамма - випромінювання. Цей вид розпаду було відкрито в І934р.Фредеріком та Ірен Жоліо-Кюрі при вивченні ними штучної радіоактивності.

Періодом напіврозпаду (позначається літерою Т) називається період, за який розпадається половина радіоактивних атомів цього елемента. Радіоактивні речовини, що мають Т менше 15 Діб, прийнято вважати короткоживучими, більше 15 діб — довгоживучими. Виділяють ще і ультракороткоживучі з Т- рівним секундам - хвилинам.

Джерелами іонізуючих випромінювань (ІВ) можуть бути ядра атомів природно радіоактивних речовин, які існують в природі і розташовані у кінці таблиці Д.І.Менделеєва (заряд z>83). -

Радіоактивними є ядра атомів важких елементів з надлишком у ядер і протонів і нейтронів.

Як α- так і β-розпади супроводжуються γ-випромінюванням. Частіше це протікає дуже швидкоплинно, але іноді збуджений рівень нукліду має більш тривале життя (хвилини або години).

Основними характеристиками радіоактивної речовини є її:

1. фізичний період напіврозпаду (Т1/2 фіз.) - час, за котрий розпадається половина атомів р/н;

2. біологічний період напіврозпаду (Т1/2 біол.) — час, за котрий з організму виводиться половина р/н;

3. ефективний період напіврозпаду (Т1/2еф.) — сума двох попередніх.

Наприклад, Т1/2 фіз. урану біля 5 млрд. років, радію -1590 років, радону - кілька діб, радію А - кілька хвилин, радію С – 10 ^-4 сек. Ніщо не може зруйнувати атоми стабільних елементів. А радіоактивні атоми, навпаки, руйнуються самостійно, і ніякі умови (ні ТОС, ні тиск) не може їх зупинити, або прискорити, або затримати цей процес.

4. Активність - кількісне вимірювання радіоактивності речовини. Її системна одиниця - Бк (Беккерель) - І розпад за 1 секунду. Позасистемна - Кі (Кюрі) - 3,7 х 10¹⁰ розпадів за секунду. 1 Кі = 3,7 х 10¹⁰ Бк.

Розрізняють опромінення:

1. зовнішнє — від джерела котре розташовано зовні

2. внутрішнє — як наслідок розпаду інкорпорованих в органах та тканинах радіоактивних речовин.

Міра дії іонізуючого випромінювання в будь-якому середовищі залежить від енергії випромінювання й оцінюється дозою іонізуючого випромінювання (табл. 1). Останнє визначається для повітря, речовини і біологічної тканини. Відповідно розрізняють:

1. експозиційну (для повітря),

2. поглинену (для речовини),

3. еквівалентну (для біологічної тканини) дози іонізуючого випромінювання.

Таблиця 1. Основні радіаційні величинн та їхні одиниці

Фізична величина	Одиниця вимірювання. її найменування, позначення		Співвідношення між одиницями
	позасистемна	СІ
Активність нукліду в р/а джерелі	Кюрі (Сі, Кі)	Беккерель (Вq, Бk)		1 Бк = 2,7·10 -11 Кі 1 Кі = 3,7·1010Бк
Експозиційна доза випромінювання	Рентген (R, Р)	Кулон на кг(СЛс8. Кл/кг)		1К/кг = 3876 Р 1 Р = 2,58·104 Кл/кг
Поглинута доза	Рад (гай, рад)	Грей (Gу, Гр)		1 Гр= 100 рад 1 Гр = 1 Дж/кг 1 рад = 0,01 Гр
Потужність поглинутої дози	рад за секунду (пкі/в, рад/с)	Грей за секунду (Gу/s, Гр/с)		1 Гр/с = 100 рад/с 1 рад/с = 0,01 Гр/с
Інтегральна доза	радграмм (гаде, радг)	Джоуль (Д, Дж)		1Дж = 105рад г. 1 рад г. = 105 Дж
Еквівалентна доза	Бер (геїл, бер)	Зіверт (Зу, Зв)		1 Зв= 100 бер 1 бер = 0,01 Зв
Потужність еквівалентної дози	Бер за секунду .(гет/8, бер/с)	Зіверт за секунду (Sv/s, Зв/с)		1 Зв/с = 100 бер/с 1 бер/с = 0,01 Зв/с

1рад = 1,05 Р;

1Р = 0,93 рад;

1 Бер =1,04 Р.

Експозиційна доза характеризує іонізуючу спроможність випромінювання в повітрі, вимірюється в кулонах на 1 кг (Кл/кг); позасистемна одиниця — рентген (Р); 1 Кл/кг — 3,88 10³Р. За експозиційною дозою можна визначити потенційні можливості іонізуючого випромінювання.

Рентген - це доза рентгенівського і γ-випромінювання під дією якого в 1 см³ сухого повітря при нормальних умовах (t = 0°С, Р = 760 мм.рт.ст. утворюються іони, які несуть електростатичну одиницю кількості електрики кожного знаку 1Кл (дозі в 1 Р відповідає утворення 2,08-10⁹ пар іонів в 1 СМ³ повітря). Потужність експозиційної дози в системі СІ вимірюється в кулонах на кілограм за годину; в позасистемній одиниці - в рентгенах за, годину (Р/г).

Поглинута доза характеризує енергію іонізуючого випромінювання, що поглинається одиницею маси опроміненої речовини. Вона вимірюється в греях Гр (1 Гр=1 Дж/кг). Застосовується і позасистемне одиниця рад (1 рад —0,01Гр=0,01 Дж/кг).

Доза, яку одержує людина, залежить від виду випромінювання, енергії, щільності потоку і тривалості впливу. Проте поглинута доза іонізуючого випромінювання не враховує того, що вплив на біологічний об'єкт однієї і тієї ж дози різних видів випромінювань неоднаковий. Щоб врахувати цей ефекту введено поняття еквівалентної дози.

Еквівалентна доза є мірою біологічного впливу випромінювання на конкретну людину, тобто індивідуальним критерієм небезпеки, зумовленим іонізуючим випромінюванням. За одиницю вимірювання еквівалентної дози прийнятий зіверт (Зв).

Зіверт (Зв) - це така доза будь-якого виду випромінювання, поглинена в 1 кг біологічної тканини, яка викликає такий самий біологічний ефект як і поглинута доза в 11 рад фотонного випромінювання.

Зіверт дорівнює поглинутій дозі в 1 Дж/кг (для рентгенівського та α-, β- випромінювань).

Позасистемною одиницею еквівалентної дози служить бер (біологічний еквівалент рада) - це енергія будь-якого виду випромінювання поглинена в 1г тканини, при якій виявляється такий же біологічний ефект, що і при поглиненні дози в 1 рад фотонного випромінювання. 1 бер = 0,01 Зв.

Летальна доза (ЛД) - кількість ІВ, отримане усією поверхнею тіла, вона загибельна для людини або тварини. ЛД для усіх ссавців - 10 Гр.

Порогова доза (ПД) - мінімальна доза опромінення, нижче якої ефект ураження не виявляється. Для людини ПД = 1 Гр,

Середня летальна доза (ЛД50) — кількість радіації, одержаної усією поверхнею тіла, що спричиняє загибель у 50% випадків. ЛД50 для людини складає 4-5 Гр.

Обов'язковою умовою дотримання правил радіаційної безпеки є реєстрація і точний кількісний облік величин, що характеризують взаємодію іонізуючих випромінювань з речовиною, в тому числі і біологічною.

Дозиметрія - це визначення кількості та якості іонізуючих випромінювань. За допомогою дозиметрії вирішують два принципові питання:

1. Пошук джерела випромінювання, визначення його виду, кількості та енергії.

2. Визначення ступеню впливу випромінювання на об’єкт, що опромінюється.

Для вимірювання дози і радіоактивності використовуються різні прилади та методи (табл. 2). Розрізняють:

а) дозиметри для вимірів доз, потужності доз у прямому струмені і за екраном (розсіяне випромінювання);

б) радіометри — для визначення сумарної активності препаратів і питомої активності натурних об'єктів зовнішнього середовища, вимірювання рівнів радіоактивного забруднення поверхонь;

в) спектрометри - прилади для визначення енергетичного спектру випромінювання — якісного та кількісного радіонуклідного складу препаратів. Спектрометри використовуються для ідентифікації забруднення об'єктів зовнішнього середовища, кількісного визначення активності об'єктів за рахунок певних радіонуклідів тощо.

В основі будь-якого методу реєстрації лежить кількісна оцінка процесів, що відбуваються в опроміненій речовині.

В радіологічній практиці використовується багато приладів, які дають можливість визначати кількісну і якісну характеристику іонізуючих випромінювань і радіоактивних речовин.

Таблиця Прилади длявимірювання дози і радіоактивності

Дозиметри	Радіометри
Лабораторні Клінічні Індивідуальні Пошукові ДКЗ - дозиметри контролю захисту	Лабораторні: Звичайні Колодязні СВЛ - спектрометри випромінювань людини СВТЛ - спектрометри випромінювань всьог тіла людини Клінічні: Радіографи одно-та багатоканальні Сканери Сцинтиляційні гамма-камери ОФЕКТ - однофотонні емісійні комп'ютерні томографи ПЕТ - позитронні емісійні томографи

Першим приладом для реєстрації випромінювань була камера Вільсона, яку він заповнював повітрям або водяною парою. Якщо крізь таку камеру пропускати альфа промені радіоактивної речовини, то альфа частки будуть вибивати з зовнішніх оболонок атомів газу електрони, перетворюючи молекули газу на іони. Якщо охолодити газ, який знаходиться у камері і зменшити тиск, то відбудеться конденсація пару і шлях альфа-часток буде виглядати як тоненькі смужки туману, які можна сфотографувати.

Види і засоби захисту від іонізуючих випромінювань

Існують чотири методи (фактори) захисту від іонізуючого випромінювання:

1. Захист часом. Чим менше час контакту з джерелом іонізуючого випромінювання, тим менше отримана доза опромінення.

2. Захист відстанню. Чим далі від джерела іонізуючого випромінювання, тим менше отримана доза. Залежність зворотно квадратична, тому що від джерела промені йдуть радіально і розподіляються по сфері. Таким чином щільність потоку буде зменшуватися пропорційно квадрату відстані. Використовують прилади дистанційного управління.

3. Захист екранами. Їх виготовляють зі щільних високоатомнийх матеріалів (цегла, бетон, баритобетон). Якщо потрібен компактний захист, використовується свинець або високоатомний уран (в g-терапевтичних апаратах). Інколи використовуються більш прості матеріали. Наприклад, окуляри для захисту від β-променів виготовляють із органічного скла, а не із просвинцьованого скла, тому що β -частки будуть гальмуватись і утворювати рентгенівські промені, які глибше будуть проникати. Тобто для різних видів випромінювання використовуються різні екрани. Альфа-промені може затримати тонкий барєр, наприклад, аркуш паперу; високоенергетичні бета промені не можуть пройти крізь долоню людини, також їх може затримати пластинка алюмінію товщиною декілька мм; гамма-промені здатні проникати глибоко в речовину або проходити крізь товсті бар'єри. Нейтрони краще поглинаються низькоатомними екранами - водою, парафіном (Рис. 1).

Рис. 1. Проникаюча здатність різних видів іонізуючого випромінювання

(на рисунку зображено бетон товщиною 1м. та аркуш паперу)

4. Захист кількістю. Чим з меншою потужністю джерела працює персонал, тим менша буде доза опромінення. Обов’язково ми захищаємо і хворого від опромінення, яке йому не потрібне (чим менше ми використовуємо радіоактивного препарату для діагностики, тим краще і для персоналу, і для оточуючих). В рентген-апараті використовується електронно-оптичний підсилювач. Щоб зображення було достатньо яскравим при меншому потоці променів, а доза на хворого і лікаря була меншою, на рентген-трубку підводять струм не 3-4 мА, а 0,3-0,4 мА і цього достатньо для отримання якісного зображення. Особливо це важливо при медичних профілактичних оглядах.

Засоби захисту бувають;

1. Колективні (стіни, вентиляція, ширми).

2. Індивідуальні (окуляри, щиток для захисту обличчя, пальчатки, фартух з просвинцьованої гуми, пластикові бахіли, маска, скафандр).