книги из ГПНТБ / Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация

могут образовываться пары частиц. Гамма-квант исче­ зает, однако вместо него, за счет его энергии, появляется электрон и позитрон (рис. 6). Образование пары наибо­ лее вероятно вблизи атомного ядра. Электрон и позитрон разлетаются так, что геометрическая сумма количества их движения вместе с количеством движения ядра, вбли-

зи которого возникла пара, равна количеству движения гамма-кванта. Процесс образования пар играет суще­ ственную роль при высоких энергиях гамма-квантов и для тяжелых элементов.

Биологическое действие ядерных излучений

Ядерное излучение в больших дозах вредно действует на организм человека и вызывает целый ряд заболева­ ний. У человека нет специального органа чувств, который бы выявлял присутствие ядерного излучения и степень его опасности. Находясь под действием излучения, чело­

30

век на протяжении длительного времени не испытывает никаких неприятных или болезненных ощущений. Симп­ томы лучевого заболевания (поражение кожи, болезнен­ ность) проявляются не сразу. Все это требует большой осторожности при работе с радиоактивными веществами. Необходимо помнить об опасности излучения для всех окружающих.

Человек всегда подвергался и подвергается действию радиации. Она поступает к нам из космоса в виде косми­ ческих лучей или вторичных частиц, порожденных косми­ ческими лучами в атмосфере. К этой радиации добавля­ ются также излучения от природного радиоактивного загрязнения почвы, камней, воздуха и воды. Подсчитано, что на протяжении жизни человек получает дозу в не­ сколько десятков рад *. Для сравнения укажем, что при обыкновенном рентгеновском просвечивании доза рав­ няется 2—10 рад.

Однако все упомянутые виды облучения очень сла­ бые, они не приводят к болезненным явлениям. Измене­ ния, которые они вызывают в организме, носят обратимый характер, то есть нарушения со временем проходят. Кро­ ме того, организм человека на протяжении веков приспо­ собился к слабому излучению.

То же самое можно сказать о животных и раститель­ ных организмах. Больше того, некоторые исследования подтверждают, что радиоактивные излучения играют важную роль в жизни, например, микроорганизмов почвы.

Под влиянием облучения в организме происходят сложные физические, химические и биологические про-

* Название единицы рад происходит от первых букв англий­ ского выражения radiation absorbed dose — поглощенная доза излу­ чения.

31

цессы. Рассмотрим некоторые особенности биологическо­ го действия разных видов излучения.

Излучение альфа-частиц — малопроникающее. При взаимодействии с альфа-частицами органические соеди­ нения типа углеводов испытывают сложные преобразова­ ния. Альфа-излучение даже сравнительно небольшой ин­ тенсивности оказывает сильное влияние на кожу и особенно на слизистые оболочки, вызывая ожоги и дру­ гие воспалительные процессы.

Химическое действие бета-частиц более слабое. Бетаизлучения вызывают ионизацию атомов й молекул веще­ ства. Под влиянием таких излучений вода, которой в ор­ ганизме содержится до 75—80%, разлагается с выделе­ нием водорода, кислорода и перекиси водорода. Взаимо­ действие этих продуктов с тканями приводит к появле­ нию окислительных процессов и разрушению органиче­ ских веществ.

Ионизирующее действие гамма-лучей обусловлено главным образом электронами, которые возникают при взаимодействии гамма-лучей с веществами ткани. Гам­ ма-излучение имеет высокую проникающую способность, и его действие охватывает больший объем вещества, не­ жели действие бета-лучей. Глубоко проникая в ткань, гамма-лучи достигают кровообразующих и других внут­ ренних органов и разрушают их. Действие рентгеновских лучей аналогично действию гамма-лучей.

Степень опасности лучевого воздействия для человека зависит от характера облучения, размера облученной по­ верхности, состояния организма и целого ряда других факторов.

Облучение может быть внешним и внутренним. При внешнем облучении атомы и молекулы в организме иони­ зируются, происходит разрыв молекулярных связей и из­ менение химической структуры различных соединений.

32

Ионизирующая радиация вызывает и расщепление моле­ кул воды. В организме появляются химические соедине­ ния, которые не встречаются в нормальных условиях. Все это вместе взятое приводит к изменению химической сре­ ды внутри организма человека и нарушению функциони­ рования некоторых внутренних органов и систем.

Внутреннее облучение бывает, когда радиоактивные вещества попадают внутрь человеческого организма. Би­ ологическое действие излучения при этом будет зависеть от того, каким путем это вещество попало в организм, от его химических свойств, периода полураспада, скорости и путей выведения из организма.

Радиоактивные вещества могут попасть в организм через дыхательные органы и пищевой тракт. Разные ра­ диоактивные вещества концентрируются в определенных органах или тканях, что приводит к их повреждению. Так, стронций сосредотачивается в костях, кобальт — в селе­ зенке, цезий — в мышцах.

Наиболее чувствительны к действию радиации тка­ ни, которые состоят из быстрорастущих клеток (костный мозг, лимфатические железы и т. п.). Ткани, состоящие из клеток, которые растут медленно (например, мышеч­ ная ткань), меньше поражаются.

Часть радиоактивных веществ выводится из организ­ ма в неизменном виде через почки, потовые и желудоч­ ные железы, кишечник и печень. Другие радиоактивные вещества выводятся таким же образом в виде продуктов радиоактивного распада. Химические соединения выво­ дятся из организма с неодинаковой скоростью. Легче все­ го из организма выводятся газоподобные радиоактивные вещества (через легкие), наиболее тяжело — концентри­ рующиеся в костях.

Действие нестойких радиоизотопов, попавших в ор­ ганизм, прекращается относительно быстро, но если в

организм попал один из стойких изотопов, вредное дей­ ствие излучения будет длиться долго и может вызвать необратимые повреждения тканей.

Облучение человеческого организма небольшими дозами не причиняет большого вреда, последствия его от­ носительно быстро проходят после прекращения облуче­ ния. Научно обоснованы и проверены практически пре­ дельно допустимые дозы облучения (ПДД), дозы, не вы­ зывающие в организме необратимых процессов.

Если выполнены правила техники безопасности и применяются предельно допустимые дозы, то работа с радиоактивными излучениями не более опасна, чем на любом производстве.

Степень лучевого поражения зависит от дозы облуче­ ния. Длительное облучение небольшими дозами может привести к хронической форме лучевой болезни. Эта фор­ ма, особенно в легкой и средней стадиях, поддается ле­ чению. Острая форма лучевого заболевания возникает при дозах, которые значительно превышают предельно допустимые. Дозы облучения выше 400 рад в большинст­ ве случаев смертельны.

Степень повреждения организма увеличивается с уве­ личением размеров облученной поверхности. Например, доза 600 рад на все тело человека — смертельна, а если эта же доза подействовала на участок кожи в несколько квадратных сантиметров, то возникает лишь временное покраснение кожи, изменения общего состояния орга­ низма не наблюдается. Когда облучению подвергаются только руки, доза может быть увеличена в 5—10 раз.

К облучению более чувствительны дети и люди пре­ клонного возраста. Биологическое воздействие радиации в значительной мере зависит от состояния центральной нервной системы, а также состояния внутренних органов человека. Заболевания сосудистой системы, органов кро­

34

вообращения, почек, желез внутренней секреции значи­ тельно понижают выносливость человека к радиации. Поэтому люди, работающие с излучением, должны про­ ходить регулярный медицинский осмотр.

Регистрация ядерных излучений

Чтобы работать с ядерным излучением, необходимо прежде всего научиться его регистрировать. Нужно уметь не только регистрировать наличие излучения, но и опре­ делять интенсивность, энергию и другие свойства частиц этого излучения.

Все методы регистрации ядерного излучения основа­ ны на различных видах взаимодействия излучения с ве­ ществом: ионизации, возбуждении атомов и молекул, расщеплении молекул и т. п.

Любая система для регистрации ядерного излучения состоит из двух основных частей: детектора и измери­ тельной, регистрирующей аппаратуры. Детектор пред­ ставляет собой чувствительный элемент, в котором про­ исходит взаимодействие лучей с веществом. Чтобы зафиксировать факт такого взаимодействия по разным эффектам — появлению электрического заряда, нагрева­ нию и т. п.— используются измерительные системы. Как правило, в систему регистрации входят разные усилитель­ ные установки и специальные приборы, которые дают возможность обнаружить и зафиксировать сигнал детек­ тора при попадании в него излучения.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды детекторов ядерных излучений.

Ионизационные камеры. Выявить ядерные излучения можно легче всего по ионизации, которая возникает в га­ зе при прохождении через него лучей. Прибором, в ко­ тором это можно осуществить, является ионизационная камера. Схема такой камеры очень проста (рис. 7). Ме­

ядерное излучение, в газе происходит ионизация. От ней­ трального атома отделяются один или несколько отрица­ тельно заряженных электронов, а сам атом становится положительным ионом. Электроны могут оставаться сво­ бодными или присоединяться к нейтральным частицам, образуя отрицательные ионы.

Таким образом, в газе появляются заряженные ча­ стицы. При отсутствии электрического поля ионы суще­ ствуют недолго. Электроны и положительные ионы снова соединяются в нейтральные атомы. Такой процесс назы­ вается рекомбинацией. При наличии электрического поля ионы довольно быстро перемещаются к соответствующим

36

электродам, вследствие чего рекомбинация уменьшается Положительно заряженные ионы направляются к катоду, а электроны — к аноду. И если при отсутствии излуче­ ния проводимость газа очень мала и ею можно прене­ бречь, то при излучении во внешней цепи возникает ток, который фиксируется прибором. Сила этого ионизацион­ ного тока зависит от ионизационной способности излуче­ ния, его интенсивности и от напряжения, приложенного к камере. Чем больше частиц попало в камеру, тем боль­ ше пар ионов образует каждая из них и тем больше будет ток, зафиксированный прибором. Обратим внимание на то, что токи в ионизационной камере возникают чрезвы­ чайно слабые и для регистрации их необходимы очень чувствительные приборы *.

Ионизационные камеры применяются для регистра­ ции всех видов ядерного излучения. Альфа-частицы и электроны образуют ионы непосредственно. Гамма-лучи порождают в газе или в стенках камеры вторичные элек­ троны, которые и вызывают ионизацию.

Ионизационные камеры могут быть различной формы и размеров: цилиндрические и сферические, емкостью в несколько кубических миллиметров и в десятки метров, заполненные воздухом или другим газом. У некоторых радиоактивный источник размещается внутри камеры. Однако принцип работы различных камер один и тот же.

В работе ионизационных камер применяются два режима. Режим работы, о котором было сказано выше,

* Образец расчета: в ионизационной камере, заполненной воз­ духом, пролетает за 1 сек одна альфа-частица с энергией 6 Мэе. Необходимо определить ток, который возникает при этом.

Для получения одной пары ионов в воздухе тратится 34 эв энер-

ионов. Заряд одного иона 4,8- 10-10 С05Е=3,2-10-14 кулона, то есть возникает ток 3,2 • 10~14 а (ампера).

37

носит название интегрального — определяется суммар­ ный ток, который вызывает излучение. Независимо от того, результатом какого действия является этот ток — одной сильно ионизирующей частицы или группы слабо ионизирующих частиц— суммарный эффект будет оди­

наковый.

Есть камеры, которые дают возможность фиксиро­

После того как положительные ионы попадают на ка­ тод, потенциал в точке А восстанавливается. Такой про­ цесс приводит к появлению на сопротивлении Я импуль­ са напряжения, этот импульс усиливается и затем идет к регистрирующей установке.

Ионизационная камера-позволяет не только обнару­

* Основное отличие лежит в разном значении постоянного вре­ мени ЯС-контура.

38

жить ионизирующее излучение, а и определить энергию частицы, которая попала в камеру. Движение частицы тормозится среди атомов газа, заполняющего камеру. Вследствие этого весь запас энергии частицы будет ис­ пользован на образование ионов (в воздухе, например, для образования пары ионов тратится 34 эв). Чем боль­ ше энергия частицы, тем больше ионов появляется в ка­ мере и тем больше импульс тока, зафиксированный при­ бором. Итак, по величине зарегистрированного импульса можно судить об энергии частицы.

Что будет происходить, если постепенно увеличивать напряжение, подключенное к ионизационной камере? При небольшом напряжении электрическое поле малое и «растягивание» электронов и положительных ионов к электродам совершается сравнительно медленно. За вре­ мя существования одна часть ионов успевает достичь ка­ тода, остальная на пути к катоду встречает свободные электроны и рекомбинирует. Таким образом, не все ионы окажутся на катоде, что, конечно, отражается на величи­ не тока во внешней цепи камеры.

Если увеличивать напряжение, будет увеличиваться и количество ионов, которые попадают на катод, избежав встречи с электронами, а следовательно, и количество рекомбинаций. С повышением напряжения ток увеличи­ вается. Наконец наступит такой момент, когда все или почти все полученные ионы окажутся на катоде. Тогда повышение напряжения уже не вызовет увеличения то­ ка — то есть получим ток насыщения.

Попытаемся все же повысить напряжение. Это даст определенный эффект, однако при этом мы получаем другой тип ионизационных детекторов — газоразрядный счетчик.

Газоразрядные счетчики. При очень сильном напря­ жении между электродами ионы во время движения при­

39