2013-14 Экология Диск Студентам / методичка радиобиология

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра прикладной экологии

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К выполнению лабораторной работы

«Изучение радиоактивности портативным прибором РКСБ-104»

по дисциплинам «Экология», «Природа и экология Башкортостана»

Уфа 2006

2

В учебно-методическом пособии приведены общие сведения о радиации, о нормативных документах, регламентирующих уровни облучения, и способах защиты от ионизирующих излучений.

Дана методика контроля радиационной обстановки на местности дозиметром РКСБ-104.

Предназначено для студентов всех специальностей, изучающих дисциплины «Экология» и «Природа и экология Башкортостана».

Составители:

Балакирева С.В., доц., канд. техн. наук Сафаров А.Х., ст. преподаватель, канд. техн. наук Барахнина В.Б., доц., канд. техн. наук Ягафарова Г.Г., проф., д-р техн. наук

Рецензент

Мукаева Г.Р., доц., канд. техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2006

3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИАЦИИ

1.1 Естественная и искусственная радиоактивность

Радиоактивность - это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью (космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в земных породах, почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, живых организмах). Например, изотоп 40K широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известняки. Радиоактивные тяжелые элементы (U, Th, Ra) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. Радиоактивные элементы распространены в природе в ничтожных количествах. В земной коре естественнорадиоактивные элементы есть преимущественно в урановых рудах, и почти все они являются изотопами тяжелых элементов с атомным номером более 83. Цепи радиоактивных распадов начинаются с урана - радия ( 23892 U - Ra), тория ( 23290Th ) или

актиния ( 23589 Ac ).

Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), называют искусственной радиоактивностью (сжигание угля, разработка месторождений радиоактивных руд, применение радионуклидов в различных отраслях экономики, работа ядерно-технических установок, ядерные взрывы в мирных целях (строительство подземных хранилищ, нефтедобыча, строительство каналов), аварии на объектах, содержащих радиоактивные вещества, ядерные отходы АЭС, промышленности, флота, испытание ядерного оружия (при ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu, 233U, 238U), так и продуктов их распада. Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет

период полураспада порядка нескольких часов. Радионуклиды, такие как 86Rb,

89Sr, 91Y, 95Cd, 125Sn. l25Te, l31I, 133Xe, l36Cs, 140Ba, 141Ce, 156Eu, 161Yb, обладают

периодом полураспада в несколько дней, a 85Kr, 90Sr, 106Ru, 125Sb, 137Cs, l47Pm, l5lSm, l55Eu – от одного года до нескольких десятков лет. Группа, состоящая из 87Rb, 93Zr, l29I, 135Cs, 144Nd, 137Sm, характеризуется чрезвычайно медленным распадом, продолжающимся миллионы лет)). Искусственные радионуклиды по различным причинам попадают в окружающую среду, повышая тем самым радиационный

4

фон. Кроме того, они включаются в биологические системы и поступают непосредственно в организм животных и человека. Все это создает опасность для нормальной жизнедеятельности живого организма.

Внешние и внутренние источники, действуя непрерывно, сообщают организму определенную поглощенную дозу. Большую часть облучения от источников естественной радиации человек получает за счет земных источников

— в среднем более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением (в основном внутреннее облучение). Оставшаяся часть приходится на космическое излучение (главным образом внешнее облучение). Эффективная эквивалентная доза от воздействия космического излучения составляет около 300 мкЗв/год (для живущих на уровне моря), для живущих выше 2 тыс. м над уровнем моря эта величина в несколько раз больше. Среднегодовая безопасная доза для человека составляет около 1,2 мГр на гонады и 1,3 мГр на скелет.

1.2 Виды радиоактивных излучений

Лучи, отклоняющиеся в поперечном магнитном поле к отрицательно заряженной пластинке, были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к

электрона в 7300 раз, движутся со скоростью около 20000 км/с. Имеют энергию, которая колеблется в пределах 2 - 11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия альфа-частиц постоянна. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2 - 10 см, в биологических тканях - несколько десятков микрометров (30 -150 мкм), в алюминии -10 - 70 мкм. Так как альфа-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они на своем пути создают ионизацию большой плотности (в воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100 - 250 тыс. пар ионов), вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. Этот вид излучения наблюдается преимущественно у естественных радиоактивных элементов (радий, торий, полоний, уран и др.). Альфа-излучатели при попадании в организм (через поврежденные участки ткани, дыхание, с водой, пищей, радиоактивной пылью) крайне опасны для человека и животных. Вся энергия альфа-частиц передается клеткам организма, что наносит им вред. Для альфа-излучения лист бумаги или неповрежденная кожа – непреодолимое препятствие.

Бета-частицы (β-частицы) представляют собой поток частиц (электроны или позитроны) ядерного происхождения. Позитрон - элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знаком заряда. Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого максимального значения). Это объясняется тем, что при бетараспаде из атомного ядра вылетают одновременно с бета-частицей нейтрино. Поскольку бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента имеют

5

различный запас энергии, то величина их пробега в одной и той же среде будет неодинаковой. Путь бета-частиц в веществе извилист, так как, имея крайне малую массу, они легко изменяют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Бета-излучение обладает меньшим эффектом ионизации, чем альфа-излучение. Оно образует 50 - 100 пар ионов на 1 см пути в воздухе и имеет «рассеянный тип ионизации». Пробег бета-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях - до 1 см, в металлах – до 1 мм. Скорость движения бета-частиц в вакууме равна 1 . 1010 - 2,9 . 1010 см/с (0,3 - 0,99 скорости света). Проходя через вещество бетачастицы взаимодействуют как с электронами, так и с ядрами атомов. Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии бета-частиц. Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы - от 0,015 - 0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3 - 12МэВ (жесткое бета-излучение). Удельная ионизирующая способность бетачастицы меньше, чем у альфа-частицы, но выше, чем у гамма-частицы. В результате ионизации в некоторых средах происходят вторичные процессы: люминесценция, фотохимические реакции, образование химически активных радикалов.

Гамма-излучение ( ) представляет собой поток электромагнитных волн, так же, как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, рентгеновское излучение. Различные виды электромагнитного излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами (длиной волны, энергией).

Гамма-излучение распространяется со скоростью света, оно свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления. Гамма-излучение распространяется прямолинейно, оно имеет большой пробег в воздухе и может создавать вторичное и рассеянное излучения в средах, через которые проходит.

Рентгеновское излучение возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение). При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

Гамма-кванты — это излучение ядерного происхождения. Они испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бетачастицей). Это избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов. Гаммакванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому в электрическом и магнитном полях не отклоняются. В веществе и вакууме гамма-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света (3 . 1010см/с). Частота колебаний гамма-квантов

6

связана с длиной их волны. Чем меньше длина волны, тем больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких килоэлектронвольт до 2 - 3 МэВ и редко достигает 5 - 6 МэВ. Гамма-излучатели редко имеют однозначную энергию квантов. В состав потока гамма-излучения чаще входят кванты различной энергии. Например, при распаде изотопа йода (131I) образуется пять групп квантов с энергиями 0,08; 0,163;

0,364; 0,637 и 0,722 МэВ. Бром (82Вr) излучает 11 групп гамма-квантов с энергией в пределах 0,248 - 1,453 МэВ, а кадмий (115Cd) - 13 групп от 0,335 до 1,28 МэВ.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100 - 150 м.

Нейтронное излучение — поток нейтронов. Заряд - 0, масса - 1а.е.м., энергия - 0,1-20 МэВ, излучается при ядерных превращениях, пробег больше, чем у других излучений.

Наиболее опасными являются γ - излучения и нейтроны, так как имеют наибольшие пробеги.

1.3 Единицы измерения активности, дозы излучения

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строением ядра. На этот процесс нельзя повлиять никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоянная радиоактивного распада для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Постоянную распада выражают в обратных единицах времени: с-1, мин-1, ч-1 и т. д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер убывает.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов в практике пользуются вместо постоянной распада периодом полураспада. Период полураспада — это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от долей секунды до миллиардов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы).

Связь между периодом полураспада и постоянной распада имеет обратную зависимость, т. е. чем больше значение , тем меньше значение Т, и наоборот:

0,693/T; T 0,693/ .

Особенность радиоактивного распада в том, что ядра одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Иными словами, распад ядер происходит неравномерно — то большими, то меньшими порциями, поэтому при одном и том же времени измерения числа импульсов от радиоактивного препарата получаются разные значения. Следовательно, для

7

получения точных результатов необходимо измерения проводить несколько раз. Однако при определении радиоактивности короткоживущих препаратов будут наслаиваться другие ошибки, во избежание которых необходимо правильно выбрать время счета (таблица Бэлла и др.).

Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы (грамм, миллиграмм и т. п.), а активностью данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного препарата в секунду, тем больше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т. е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность. Так, если взять радионуклиды 238U, 32Р и 8Li одинаковой массы, но с различными периодами полураспада (4,5 . 109 лет, 14,3 дня и 0,89 с соответственно), то самая высокая активность будет у лития и фосфора и очень малая у урана, так как наибольшее число распадов в 1 с будет у первых двух изотопов.

Единицей активности в системе единиц (СИ) служит распад в секунду (расп/с), ее называют беккерель (Бк); 1 Бк = 1 с-1.

Также используется единица - кюри (Ки). Кюри - это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7 . 1010. Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия. Кюри очень большая величина, поэтому обычно употребляют дробные производные единицы (1 мКи, мкКи, 1 нКи, 1 пКи). 1 Ки = 3,7 . 1010 Бк.

Активность любого радиоактивного препарата по истечении времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:

0,693t

At A0e T ,

где At— активность препарата через время t; А0 — исходная активность препарата; е— основание натуральных логарифмов (е= 2,72); Т— период полураспада; значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (минуты, часы, сутки и т. д.).

Пример. Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на определенный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента через неделю. Период полураспада T элемента 32Р составляет 14,3 дня. Активность 32Р через 7 сут:

Единицы кюри для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этих целей введена другая единица - эквивалент 1 мг радия (мгэкв. радия). Миллиграмм-эквивалент радия — это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гаммаизлучение 1 мг радия Государственного эталона радия РФ при использовании платинового фильтра толщиной 0,5 мм.

8

Существуют таблицы гамма-постоянных для большинства радиоактивных изотопов. Так, гамма-постоянная 60Со составляет 13,5 Р/ч.

Доза излучения и единицы ее измерения. Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. На процесс ионизации излучения расходуют свою энергию. В результате взаимодействия излучений с биологической средой живому организму передается определенное количество энергии. Часть поступающего в организм излучения, которое пронизывает облучаемый объект (без поглощения), действия на него не оказывает. Поэтому основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества поглощенной энергии введено такое понятие, как доза излучения. Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Различают дозу в воздухе, дозу на поверхности (кожная доза) и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общая поглощенная доза) дозы. Так как поглощенная энергия расходуется на ионизацию среды, то для измерения ее необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся при излучении. Однако измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу D0, которая характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе. От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной в объекте. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков килоэлектронвольт до 3 МэВ.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг), т. е. такая экспозиционная доза рентгеновских и гамма-лучей, при которой в 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.

На практике применяют единицу рентген (1 Р = 2,58 . 10-4 Кл/кг). Рентген (Р) — экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см3 воздуха (0,001293 г сухого воздуха) при нормальных условиях (0 oС и 1013 ГПа) образуется 2,0 . 109 пар ионов.

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см3 воздуха составляет 2,08 . 109 . 34 = 7,08 . 104 МэВ = 0,114 эрг/см3, или в 1 г воздуха 88 эрг

(0,114/0,001293 = 88 эрг).

Единица рад (rad — radiation absorbent dose) - поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г массы вещества поглощается энергия излучения, равная 100 эрг (1 рад = 100 эрг/г = 10-2 Дж/кг).

За единицу поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят джоуль на килограмм (Дж/кг), т. е. такая поглощенная доза, при которой в

9

1 кг массы облученного вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено собственное наименование грей (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад. Эквивалентной единицей поглощенной дозы является зиверт (Зв).

Поскольку при одной и той же энергии гамма-квантов и частиц в 1 г биологической ткани, разной по химическому составу, поглощается различное количество энергии, поглощенную в тканях дозу измеряют в радах расчетным путем по формуле

Dрад Dp f ,

где Dрад — поглощенная доза, рад; Dp — экспозиционная доза в той же точке, Р; f — переходный коэффициент, значение которого зависит от энергии излучения и от рода поглощающей ткани (атомного номера и плотности).

Если в воздухе доза излучения в 1 Р энергетически эквивалентна 88 эрг/г, то поглощенная энергия для этой среды составит 88 :100 = 0,88 рад. Таким образом, для воздуха поглощенная доза, равная 0,88 рад, соответствует экспозиционной дозе в 1 Р. Переходный коэффициент f обычно определяют опытным путем. Для воды и мягких тканей коэффициент fтк округленно принят за единицу (фактически он составляет 0,93). Следовательно, поглощенная доза в радах численно почти равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани коэффициент fK = 2 - 5.

В биологическом отношении важно знать не просто дозу излучения, которую получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени. В одном случае суммарная доза, значительно превышающая смертельную, но полученная в течение длительного периода времени, не только не приведет к гибели живого, но даже не вызовет у него реакцию лучевого поражения. В другом случае доза меньше смертельной, но полученная в короткий отрезок времени, может вызвать лучевую болезнь различной тяжести. В связи с этим введено понятие мощности дозы. Мощность дозы (P) — это доза излучения D, отнесенная к единице времени t:

P D / t .

Чем больше мощность дозы Р, тем быстрее растет доза излучения D.

В системе СИ за единицу эквивалентной дозы принят зиверт (Зв); 1 Зв = 100 бэр. Внесистемная единица эквивалентной дозы — биологический эквивалент рентгена - бэр (1 бэр = 1 . 10-2Дж/кг).

Для установления соотношения между активностью радиоактивного препарата и экспозиционной дозой, создаваемой им, используют гаммапостоянную K . Для точечного источника с активностью А (мКи) доза излучения

D (Р), создаваемая за время t (ч), на расстоянии R (см) выражается формулой

D K At / R2 .

Соответственно мощность экспозиционной дозы (Р/ч) равна:

P K At / R2 .

Если вместо активности известен гамма-эквивалент радиоактивного изотопа М (мг . экв. радия), то

D 8,4Mt / R2 ; P 8,4Mt / R2 ,

где 8,4 — гамма-постоянная радия, г.

10

Квадрат расстояния R в знаменателе показывает, что доза от точечного источника ослабевает по закону квадратов расстояния подобно изменению интенсивности света.

Пример. Имеется радиоактивный источник 60Со, гамма-эквивалент которого 10 мг . экв. радия. Какую дозу получит работающий на расстоянии 0,5 м за 6 дней, если работает ежедневно: по 30 мин; по 3 мин?

При пересчете в единицы СИ необходимо учесть, что 1 Р = 10-2 Гр.

Для обеспечения прогноза радиоактивных воздействий введено понятие мощность дозы. Это чрезвычайно важное понятие применяется и для экспозиционной, и для поглощенной, и для эквивалентной доз. В каждом случае, соответствующая мощность дозы равна дозе, получаемой тем или иным веществом за единицу времени (за секунду или, в бытовых условиях чаще, за час). Мощность эквивалентной дозы принято обозначать МЭД. Зная эту величину, можно наперёд вычислить ожидаемое значение получаемой дозы за любой, наперед заданный, период времени, умножив МЭД на это время.

Например, дозиметрический прибор показал мощность эквивалентной дозы на ступеньках из гранита - 0,8 мкЗв/ч (Р=0,8 мкЗв/ч). Если человек посидит на этих ступеньках, например, 5 часов, то он получит радиационное облучение дозы

0,8 мкЗв/ч × 5 ч = 4 мкЗв (400 мкбэр), что в 25-50 раз выше дозы от естественной солнечной радиации.

Последствия облучения определяются не мощностью дозы, а суммарной полученной дозой, т.е. мощностью дозы умноженной на время, в течение которого облучается человек. Например, если мощность дозы составляет 0,11 мкЗв/ч, то облучение в течение года (8800 ч) создаст дозу ~ 1000 мкЗв или 1 миллизиверт (мЗв).

1.4 Принцип расчета доз при внутреннем (инкорпированном) облучении

При работе с открытыми источниками ионизирующих излучений радиоактивные вещества могут вследствие нарушения техники безопасности или при аварии попасть в организм через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, поры кожи и открытые повреждения. Иногда радиоактивные вещества вводят в организм с диагностической, терапевтической или экспериментальной целью. Во всех случаях попадания радиоактивных веществ в организм создается опасность лучевого поражения. Определить дозу, полученную в результате внутреннего облучения, трудно и особенно тогда, когда неизвестно количество радиоактивного вещества, поступившего в организм.

Следует отметить, что при одних и тех же количествах радиоактивного вещества внутреннее облучение во много раз опаснее внешнего. Это связано с рядом особенностей: