Краткий рентген

.ДОЗИМЕТРИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ

Дозиметрия раздел ядерной физики, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещество, а также методы и приборы для его качественного и количественного измерения.

Распространенными дозиметрическими величинами являются доза излучения, керма, интенсивность излучения, плотность потока, взвешивающие коэффициенты и ряд других величин.

Задачи дозиметрии:

1. Контроль и учет загрязнения внешний среды (местности, воздуха, воды, продовольствия и др.).

2. Измерение величины излучения для предсказания или оценки радио-биологического эффекта при внутреннем и внешнем облучении живых организмов.

Без дозиметрии не может быть речи о радиационной безопасности.

2.ДОЗЫ. ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Под дозой понимают меру действия ионизирующего излучения в опреде-ленной среде.

Доза – величина энергии излучения переданная веществу и рассчитанная на единицу массы или объема вещества.

С увеличением времени облучения объекта величина дозы увеличивается.

Экспозиционная доза (Х) – доза, которая характеризует ионизационную способность рентгеновского или гамма-излучения (фотонного излучения) в воздухе при энергии квантов не более 3 МэВ. Ее еще называют физической.

Экспозиционная доза представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме:

Х = dQ/dm.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия (все электроны и позитроны, освобожденные фотонами) в объеме воздуха массой 1 кг производит ионы, несущие электрический заряд один кулон (Кл) каждого знака (+ и -).

Внесистемной единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). Эта единица принята в обращении с 1928 года.

Рентген – экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см³ (0,001293 г) воздуха при нормальных условиях (температура 0^о С и давление 760 мм рт. ст.) образуется 2,08·10⁹ пар ионов.

Поглощенная доза (D) – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

D = de/dm,

где de – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением вещест-ву, находящемуся в элементарном объеме, dm – масса вещества в этом объеме.

Единицей измерения поглощенной дозы в Международной системе единиц является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Джоуль на килограмм – такая единица поглощенной дозы, при которой в 1 кг массы облученного вещества любым видом ионизирующего излучения поглощается энергия в 1 джоуль.

Для расчета поглощенной дозы используют формулу:

D = Х·F,

где D – поглощенная доза, Х – экспозиционная доза, F – коэффициент переходный, устанавливаемый опытным путем на фантоме (для воды и мягкой ткани F равен 0,93 или ≈ 1).

Эквивалентная доза ‌ (Н)‌ – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения (W_R):

Н_TR = D_TR·W_R,

где D_TR – средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, W_R – взвешивающий коэффициент для излучения R.

В международной системе единиц (СИ) за единицу эквивалентной дозы принят зиверт (Зв

Зиверт – эквивалентная доза любого вида излучения, поглощенная 1 кг биологической ткани и создающая такой же биологический эффект как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения.

Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр

Бэр – эквивалентная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в биологической ткани создается такой же биологический эффект, как и при дозе рентгеновского или гамма-излучения в 1 рентген.

Взвешивающие коэффициенты (W_R) для отдельных видов излучения:

Фотоны любых энергий (рентгеновское или гамма-излучение)..1

Электроны(бета частицы)…………………………………………..1

Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра ………….……20

Доза эффективная (Е) – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела, и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе

Е = ∑W_Т·Н_tТ,

где Н_tТ – эквивалентная доза в ткани за время t, а W_Т – взвешивающий коэффициент для ткани Т.

Единица измерения эффективной дозы в СИ – зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (W_Т) – множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации:

Гонады…………………………………….0,20

Костный мозг (красный)………………....0,12

Доза эффективная ожидаемая при внутреннем облучении – доза за время, прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм.

Мощность дозы (Р) – доза излучения, отнесенная к интервалу времени за который она получена:

Р = Д/Т,

где Д – доза излучения (экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и др.); Т – интервал времени (час, мин, с), за который она получена.

Мощность дозы характеризует скорость накопления дозы и может изменяться со временем.

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

X = dX /dt.

Единицей мощности экспозиционной дозы в СИ является ампер на килог-рамм (А/кг = Кл/кг·с). Кл/с = А.

Внесистемной единицей – рентген в час (Р/ч

Мощнсть поглощенной дозы – отношение приращения экспозиционной дозы dD за интервал времени dt:

D = dD /dt.

Мощность поглощенной дозы в СИ – ватт на килограмм (Вт/кг = Дж/кг·с). Дж/с = Вт.

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

H = dH/dt.

Для измерения мощности эквивалентной дозы используют единицы: Зв/год, Зв/с, мЗв/с (в СИ); бэр/год, бэр/с (внесистемные единицы) и др

4.ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Детекторы можно разделить на две основные группы: трековые и дискретные. Трековые детекторы позволяют наблюдать и регистрировать треки (следы) частиц. К ним относятся камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др. Дискретные детекторы регистрируют отдельные частицы, а также их энергию. К ним относятся газоразрядные и сцинтилляционные счетчики.

Методы обнаружения и регистрации ионизирующих

Ионизационный метод. К ионизационным детекторам обнаружения излучения относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики: пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, искровые и коронные счетчики. По сути, это электрические детекторы. Они улавливают энергию ионизации среды, вызванной ионизирующим излучением, и выдают ее преоб-разованной в электрические сигналы на регистратор. Ионизационные детекторы излучения представляют собой поме­щенный в герметичную камеру (емкость), заполненную воздухом или газом, заряженный электрический конденсатор (электроды) для создания в ней соответствующего электрического поля. Заряженные альфа- и бета-частицы, попавшие в камеру детектора, произ-водят в ней непосредственно первичную ионизацию газовой среды, гамма-кванты в стенке детектора сначала образуют быстрые электроны (фотоэлектро­ны, комптонэлектроны и электронно-позитронные пары), которые затем вызы-вают ионизацию газовой среды в ка­мере.

Ионизационная камера. Ионизационные камеры применяют для измерения всех типов ядерных излучений.

В простейшем случае ионизационная камера состоит из двух металлических пластин – электродов (конденсатор), пространство между которыми заполнено воздухом. К электродам от источника тока подводится постоянное напряжение + (к аноду) и – (к катоду). Наиболее часто стенки камеры выполнены из алюминия или воздухоэквивалентного материала (чаще пластмассы), 1 г которого поглощает такую же энергию, как и 1 г воздуха при одинаковых условиях облучения. Толщина стенок ионизационной камеры обычно состав-ляет 2-4 мм.

Радиоактивное излучение, взаимодействуя с атомами и молекулами сухо-го воздуха (диэлектрик), заполняющего объем камеры, производит их ионизацию. Если разность потенциалов между электродами в камере отсутствует (электрическая цепь не замкнута), то ионы в воздушном пространстве камеры находятся в состоянии хаотического движения и быстро рекомбинируют.

.

Газоразрядные счетчики. Газоразрядные счетчики по сравнению с ионизационными камерами обладают большей чувствительностью (в 10000 раз могут измерять меньшую интенсивность излучения), малыми габаритами, более удобны в эксплуатации и др. Принципиальное отличие газоразрядного счетчика от ионизационной камеры состоит в том, что в газоразрядном счетчике используется усиление ионизационного тока за счет явления ударной ионизации.

Пропорциональные счетчики.

Пропорциональные счетчики заполнены смесью инертных газов (неона и аргона) почти до уровня атмосферного давления. Имеются счет­чики открытые, рабочая полость которых сообщается с внешним воздухом. Такие счетчики работают при атмосферном давлении, они допускают непрерывное протекание или циркуляцию наполняюще­го их газа, и поэтому их часто используют для регистрации активно­сти газовых проб.

Счетчики Гейгера-Мюллера. Счетчики Гейгера-Мюллера изобретены в 1907 г. немецким физиком Х. Гейгером и Э. Резерфордом. В 1928 году усовершенствованы Х. Гейгером и В. Мюллером. Они отличаются от пропорциональных счетчиков тем, что их внутренний объем заполнен инертным газом или смесью инертных газов при пониженном атмосферном давлении. Работают они в режиме «области Гейгера», т. е. области самостоятельного газового разряда.

Для регистрации гамма-излучения счетчики имеют стеклянные стенки. Катодом служит напыленный на внутреннюю поверхность стекла слой графита, меди, никеля или вольфрама. Напряжение между электродами может достигать 1500 вольт. Газоразрядные счетчики могут быть несамогасящимися и самогасящимися. Для самогашения газового разряда в счетчики добавляют органический наполнитель – 10% паров спирта, что позволяет улучшить счетные характеристики за счет быстрого гашения газового разряда и готовности счетчика регистрировать следующее излучение или его порцию.

Сцинтилляционный метод. Этот метод основан на регистрации вспышек света, возникающих в сцинтилляторе под действием излучения. Процесс преобразования кинетической энергии частицы в энергию световой вспышки получил названия сцинтилляции Регистрация вспышек производится фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). ФЭУ совмещает свойства фотоэлемента и усилителя тока с большим коэффициентом усиления. ФЭУ представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом и состоит из фотокатода, анода и динодов (эмиттеров), покрытых сурьмяно-цезиевой смесью или изготовленных из алюминия, магния и серы.

Процессы, протекающие в сцинтилляционном счетчике, состоят из пяти этапов:

1. Поглощение излучения сцинтиллятором.

2. Возбуждение атомов и молекул сцинтиллятора и как следствие (пере-ход атомов и молекул в невозбужденное состояние) испускание квантов видимого света.

2. Бомбардировка квантами видимого света фотокатода.

3. Испускание фотокатодом электронов.

5. Умножение электронов системой динодов ФЭУ и регистрация электрических импульсов.

Таким образом, происходит преобразование очень слабых световых вспышек, возникающих в сцинтилляторе, в регистрируемые электрические импульсы.

Фотографический метод. Фотографический метод является разновидностью радиационнохимического действия излучения. Фотографические детекторы основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов и аналогично видимому свету восстанавливать металлическое серебро..

Для детектирования обычно применяют фотоэмульсии. Фотоэмульсии наносят тонким слоем на бумагу, стеклянные пластинки (в некоторых случаях изготовляют и тол­стые слои). Используют и рентгеновскую пленку, которая состоит из чувствительной эмульсии, нанесенной с одной или двух сторон на целлулоидную основу. В состав фотоэмульсии входит серебро бромистое или хлористое (AgBr или AgCl), желатин, красители. Соли серебра равномерно распространены в слое желатина.

При воздействии ионизирующего излучения на фотоэмульсию в ней образуется скрытое изображение. При прохождении через фотоэмульсию излучения в результате ионизации высвобождаются электроны, которые захватываются ионами серебра, вследствие чего происходит восстановление серебра.

Химический метод. Излучения, проходя через вещества, производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул и могут вызывать в них различ­ные химические реакции. В ряде случаев в результате радиационнохимических изменений среды изме­няются некоторые физические свойства вещества (электропро­водность, окраска, прозрачность). В таких случаях мерой потока излучения служит изменение указанных физических свойств вещества. При этом меняется цвет растворов или твердых тел (пластмасс), осаждаются коллоиды и др.

Калориметрический метод. Действие калориметрических детекторов основано на измерении тепла, выделяющегося при поглощении энергии излучения в веществе. Кинетическая энергия, теряемая радиоактивными излучениями в данной массе вещества, независимо от механизма первичного взаимодействия с атомами вещества частично переходит в тепловую энергию атомов и молекул, что приводит к изменению температуры рабочего объема детекторов.

Биологический метод. Биологический метод детектирования считается менее надежным. В таких детекторах учитывается биологический эффект воздействия ионизирующих излучений на лабораторных животных, а также на различные ткани и клетки (эпителий).

Диффузионная камера. В этой камере рабочим веществом является пересыщенный пар, но создается пересыщение в результате диффузии паров спирта от находящейся при температуре 10°С крышки к дну, охлаждаемому твердой углекислотой (температура твердой углекислоты 70°С). Вблизи дна возникает слой пересыщенного пара толщиной до 5 см, в котором пролетающие ионизирующие частицы оставляют треки. A-толстые короткие, B- длиные тонкие

Диффузионная камера не имеет мертвого времени, т. е. работает непрерывно.

Искровая камера. Искровая камера представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный газом, в котором находится система плоских параллельных друг другу металлических электродов, соединенных через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую подаются кратковременные высоковольтные импульсы (10-15 кВ). Если же через камеру пролетает иони-зирующая частица, ее путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами.

Искровая камера совмещает преимущества счетчиков (быстрота регистрации) и трековых детекторов (полнота информации о треках). Она близка к счетчикам, так как информация в ней выдается немедленно, без последующей обработки, и в то же время обладает свойствами трекового детектора, позволяющего определять тип частицы, ее траекторию, энергию и др.

В настоящее время существуют и другие методы наблюдения и регистрации заряженных частиц и излучений.

9