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

ных частиц остается неизменным, а площадь сферы уве­ личивается.

источника, то на каждый квадратный сантиметр его тела падает за секунду около 300 000 частиц, на расстоянии

2 м — 75 000, а 3 м — 33 000.

Как видно из примера, при увеличении расстояния до источника поток частиц слабеет. Это необходимо знать; при работе с радиоактивным источником. Достаточно! сравнительно немного увеличить расстояние, чтобы по­ ток частиц резко уменьшился.

Имеется еще одна важная величина — интенсивность излучения. Зная активность источника и расстояние до него, можно определить, сколько частиц падает на облу­ чаемый объект. Действие излучения определяется не только количеством частиц, а главным образом той энер­ гией, какую они принесут с собой. В радиоактивных про­ цессах возникают частицы с разной энергией, и это сле­ дует учитывать.

С увеличением расстояния поток и интенсивность из­ лучения быстро уменьшаются.

Познакомимся теперь с некоторыми величинами и по­ нятиями, которыми пользуются в дозиметрии.

Дозиметрия ядерных излучений

Дозиметрия ионизирующих излучений — самостоя­ тельный и очень важный раздел прикладной ядерной фи­ зики. Основная задача этого раздела науки состоит в оп­

50

ределении доз или мощности доз разных видов излуче­ ния, определении активности радиоактивных образцов.

Количество ионизирующего излучения, которое погло­ щается облученным объектом или его частью, называют дозой. В зависимости от условий облучения, типа и ха­ рактера излучения устанавливаются разные виды доз.

Для количественной оценки действия, которое вы­ зывается любым ионизирующим излучением, вводится понятие поглощенной дозы. Совершенно очевидно, что биологическое действие излучения тем сильнее, чем боль­ ше энергии ткань поглотит. Одно и то же количество энергии может относиться к разному количеству вещест­ ва, и, безусловно, результаты влияния излучения будут разными.

Исходя из этих рассуждений, дозу оценивают энер­

Например, поток космических лучей за год выделяет около 4 эрг энергии в 1 г воды на уровне моря, что соот­ ветствует 0,04 рад в год. Таким образом, природное об­

она не опасна для человеческого организма. Напомним, что при дозе 200 рад возникает лучевая болезнь, а доза 400 рад, полученная за короткое время, смертельна.

Поглощенная доза, отнесенная к определенному от­ резку времени, является мерой мощности поглощенной дозы. Отрезки времени могут быть — секунда, час, ме­ сяц и т. д.

Поглощенная доза измеряется непосредственно кало­ риметрическим методом в единицах рад. Однако на прак­ тике не всегда это возможно. При измерении встречается

много трудностей, особенно при малых дозах. Удобнее определить поглощенную дозу непрямым путем — изме­ рением ионизации в воздухе, вызванной излучением. Что

ся рентгеновскими или гаммалучами. Вторичные электроны, возникающие при этом в данном объеме и вокруг него, вызывают ионизацию воз­ духа (рис. 12 ).

Рассмотрим положение равновесия, когда количество электронов, которые в любой момент оставляют данный объем, равно количеству электронов, поступающих в этот объем за то же время. Если в объеме воздуха будет обра-

52

зован заряд, равный единице заряда СОБЕ каждого зна­ ка (положительные и отрицательные ионы), то в этом случае доза излучения будет равна 1 рентгену (р). Сле­ дует помнить, что в рентгенах определяется только доза рентгеновских и гамма-излучений. Энергия гамма-кван­ тов не должна превышать 3 Мэе (если энергия выше, на­ рушается равновесие между количеством электронов, ко­ торые приходят и оставляют объем).

Производные рентгена — мили- и микрорентген:

Следует отличать две величины мощности дозы, од­ на из них относится к мощности поглощенной дозы, а другая — к мощности дозы облучения. Очень часто опре­ деляют дозу облучения в рентгенах, а потом вычисляют поглощенную дозу в радах.

Коэффициент пропорциональности, который связыва­ ет дозу или мощность дозы облучения с активностью точечного источника, имеет название гамма-постоянной данного источника. Гамма-постоянная количественно равна мощности дозы в рентгенах в час, которую образу­ ет точечный источник активностью 1 мкюри на расстоя­ нии 1 см от него, без начальной фильтрации.

Мощность дозы, образованной гамма-лучами различ­ ных радиоактивных источников, зависит от количества и энергии гамма-квантов, припадающих на один распад. Она может быть вычислена, если известна схема распада данного изотопа, но чаще мощность дозы определяется экспериментально. Гамма-постоянная — важная харак­ теристика радиоактивного изотопа, который излучает

53

гамма-лучи. Ее приводят в таблицах наряду с другими характеристиками.

Источники с равными активностями могут иметь раз­ ную мощность. Выходит, что действие этих источников на облучаемый объект будет разным. Эта разница оцени­ вается величинами гамма-постоянных.

Одинаковые количества энергии разных видов излу­ чения, поглощенные при одинаковых условиях облучения, вызывают в живой ткани разные биологические воздей­ ствия. В связи с этим вводятся биологический эквивалент рентгена (БЭР) и понятие об относительной биологиче­ ской эффективности.

БЭР — это такое количество энергии любого вида из­ лучения, которое поглощается 1 г биологической ткани и вызывает биологическое воздействие, эквивалентное дей­ ствию рентгеновского или гамма-излучения при дозе 1 р.

В зависимости от вида ионизирующегося излучения различают дозы рентгеновского, смешанного, гамма-об­ лучения и т. д. При облучении живых организмов поль­ зуются еще поверхностной, глубинной, тканевой дозами.

Теперь остановимся на предельно допустимой дозе — наибольшей дозе, эффективное действие которой на орга­ низм не вызывает в нем необратимых изменений. Все расчеты предельно допустимых доз базируются на дозах, предусмотренных санитарными правилами работы с ра­ диоактивными источниками. Максимальная доза для лю­ дей, работающих в условиях облучения — 5 БЭР в год.

Итак, планируя опыт с применением радиоактивных веществ, следует так организовать защиту от облучения и определить время работы, чтобы остался значительный запас в сравнении с предельно допустимой дозой. Это даст возможность избежать влияния и последствий дей­ ствия, не учтенных или трудно рассчитываемых фак­ торов.

54

Как метят атомы

Искусственные радиоактивные изотопы образуются при взаимодействии разных заряженных ядерных частиц (протонов, дейтронов и т. п.), нейтронов и гамма-частиц с ядрами разных атомов. Для осуществления ядерной реакции необходимо, чтобы ядерные частицы при­ близились на расстояние действия ядерных сил. Такое сближение возможно не во всех случаях. Атомные ядра заряжены положительно. При встрече две одноименно заряженные частицы в соответствии с законом электро­ статики будут взаимно отталкиваться. В обычных усло­ виях, то есть когда частицы имеют сравнительно неболь­ шую скорость движения по отношению друг к другу, сближение ядер не произойдет, они оттолкнутся. Не про­ изойдет, таким образом, и ядерной реакции.

Если одна из частиц или обе движутся с большой ско­ ростью и сближаются до расстояния порядка 10-12— 1СН3 см, то в процессе ядерного взаимодействия может произойти ядерная реакция. Чем большую энергию име­ ет ядерная частица, тем больше у нее шансов проникнуть внутрь атомного ядра.

В 1919 г. Э. Резерфорд впервые осуществил ядерную реакцию. Ядра азота в этой реакции облучали альфачастицами с достаточно высокой энергией. Источником частиц служил природный радиоактивный Р а С '^ Р о 214), который излучает альфа-частицы с энергией 4,2 Мэе. В результате ядерной реакции ядро азота превращалось в кислород и фиксировался вылет протона (ядро атома водорода).

В процессе ядерных реакций могут образовываться ядра не только стабильные, стойкие, но и радиоактивные. Это открытие было сделано в 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и

55

духа. Трубка имеет ряд электродов с высоким электри­ ческим напряжением.

Ионы (протоны, дейтроны и т. п.) образуются в спе­ циальном источнике на одном из концов трубки. Выйдя из источника, ионы попадают в электрическое поле, ко­ торое постепенно от электрода к электроду увеличивает­ ся. Проходя вдоль трубки, частица приобретает энергию пропорционально напряжению, созданному между источ- - ником ионов и последним электродом.

Существует несколько типов такого рода ускорителей: установки Кокрофта-Уолтона со схемой умножения на­ пряжения, электростатические ускорители Ван-де-Гра- афа и др. Принцип работы таких ускорителей одинако­ вый, разница заключается лишь в способе получения высокого напряжения. Величина энергии частиц в уско­ рительных трубках ограничивается величиной напряже­ ния, которое может выдержать изоляционный материал. В последние годы созданы тандем генераторы, в которых частица ускоряется электрическим полем, причем до ско­ ростей вдвое больших, чем в ускорителях Ван-де-Граафа. Допустим, что сначала был положительный ион, который ускорялся в электрическом поле от нулевого до макси­ мального отрицательного напряжения, затем происходит процесс перезарядки. В специальном устройстве ион ме­ няет знак заряда на отрицательный. В этом случае, дви­ гаясь в электрическом поле от максимально отрицатель­ ного к нулевому напряжению, отрицательный ион вновь будет ускоряться. Тандем-генераторы значительно увели­ чили энергетический диапазон ускорителей, работающих по принципу прямого ускорения. Сейчас существуют тан­ дем-генераторы, на которых можно получить протоны с энергией 10—20 Мэе.

Другой тип ускорителей заряженных частиц — уско­ рители циклического типа. Самым простым представи­

57

телем их является циклотрон (рис. 14). В 1931 г. Лоуренс и Ливингстон предложили принцип ускорения в цикло­ троне, на работе которого мы и остановимся.

Имеется вакуумная камера, куда помещена разрезан­

нет, но в зазоре между ними на ион будет действовать ускоряющее электрическое поле. Получив кое-какую пор­ цию энергии, ион попадает во второй дуант и снова будет описывать полукруг. Если бы напряжение на дуантах не изменялось, то ион, подойдя к промежутку между дуан­ тами, встретил бы электрическое поле, направленное про­ тивоположно тому, которое было при первом прохожде­ нии (ион подходит к зазору уже с другой стороны). В этом случае движение иона замедлялось бы.

58

Однако напряжение на дуантах со временем изме­

падает в ускоряющее поле и получает небольшой прирост энергии. Затем процесс повторяется.

Каждый раз, проходя зазор, ион получит лишь не- <- большую порцию энергии. Но так происходит много раз и в конце пути накопляется значительная энергия. Этот

процесс можно сравнить с раскачиванием качелей. Радиус, по которому движется заряженная частица в

магнитном поле, зависит от энергии частицы: чем боль­ ше энергия, тем больше радиус. Поэтому, получая все новые порции энергии, частица каждый раз увеличивает радиус движения, она продвигается по спирали. Услови­ ем ускорения частицы в циклотроне является своевремен­ ное появление ее в зазоре между дуантами в зависимости от изменения напряжения на дуантах. Движение части­ цы в циклотроне определяется ее массой, величиной маг­ нитного поля и частотой изменения напряжения на ду­ антах.

Существуют разнообразные циклические ускорители. В одних ускорителях изменяется частота напряжения на дуантах, это — синхроциклотроны. В других частица движется не в однородном магнитном поле, а в поле бо­ лее сложного вида, это — изохронные циклотроны. Принципы работы этих и многих иных ускорителей опи­ саны в специальной литературе.

Итак, можно создать такие устройства, в которых ядерным частицам сообщается энергия, достаточная для того, чтобы они вызвали разнообразные ядерные реак­ ции. Ядерными «снарядами» служат: протон (1Н1), дей­ трон (1Н2), альфа-частица (гНе4). В последние годы в ядерной «артиллерии» используются тяжелые ионы —

59