Обеспечение единства измерений характеристик ионизирующих излучений. Учебное пособие

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

С.Г. Кондратенко

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Учебное пособие

Москва

2011

1

УДК 539.163

Кондратенко С.Г. Обеспечение единства измерений характеристик ионизирующих излучений: Учеб. пособие — М.: АСМС,

2011. — 24 с.

Учебное пособие предназначено для слушателей АСМС, повышающих квалификацию по специализациям «Поверка и калибровка средств измерений ионизирующих излучений», «Радиационный контроль».

Учебное пособие разработано преподавателем кафедры «Фи- зико-технические и радиотехнические измерения» профессором С.Г. Кондратенко.

© АСМС, 2011

2

1. ИЗМЕРЕНИЕ, ВЕЛИЧИНЫ. СИСТЕМЫ ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН

1.1. Измерения. Основные положения

Область измерений обширна: наука, производство, точные технологии, медицина, обычный быт человека. Изучая явления и закономерности в природе, создавая технические устройства и осваивая технологические процессы, человек условно присваивает различным явлениям природы или процессам отдельные характеристики, которые в метрологии именуются величинами. Известно, что изначально человечество интересовали длина, время, масса. С точки зрения метрологии это и есть величины.

Величина — одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Количественное содержание свойства, характеризующее величину в данном объекте, определяется размером величины. Это понятие объективное. Чтобы осуществить количественную оценку размера конкретной величины, еѐ нужно измерить.

Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путѐм физического эксперимента измеряемой величины с известной величиной, принятой за единицу (1). Результатом измерения является значение величины. Значение величины — выражение величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Единица измерения — величина фиксированного размера, которой условно придано числовое значение, равное единице.

Таким образом, чтобы осуществить измерение, нужно в первую очередь придумать единицу величины. Необходимо также создать техническое устройство, которое воспроизводило бы эту единицу, — эталон единицы.

Данная единица должна быть передана другому техническому устройству, предназначенному непосредственно для измерений, — средству измерения. Средство измерения — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу величины. Средство измерения получает единицу от эталона. Поэтому необходимо также разработать це-

3

лый комплекс мероприятий для передачи размера единицы от эталона к средствам измерений, а также для контроля правильности этой передачи.

1.2. Системы единиц величин

Величины и их единицы условно объединены в системы. Под системой величин понимается совокупность величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин. При этом независимые величины называются основными. Остальные величины, входящие в систему и определяемые через основные, называются производными. Система единиц величин — совокупность основных и производных единиц величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы величин.

Интеграция мирового сообщества нуждается в единообразии измерений. Для реализации этой потребности в мире действует Международная система единиц, принятая в 1960 г. на X1 Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) и уточненная на последующих ГКМВ.

К основным величинам Международной системы относятся время, длина, масса, термодинамическая температура, сила электрического тока, сила света, количество вещества.

За единицу времени секунду (с) принято время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

За единицу длины метр (м) принята длина, проходимая светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с.

За единицу массы килограмм (кг) принята масса международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из сплава платины и иридия.

За единицу термодинамической температуры Кельвин (К) принята 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

За единицу силы электрического тока Ампер (А) принята сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно ма-

4

лого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2·10–7 Н на каждый метр длины.

За единицу силы света канделу (к) принята сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

За единицу количества вещества моль принято количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде углерод-12 массой

0,012 кг.

Производные единицы Международной системы образуются из основных на основании физических законов или определений, устанавливающих связь между величинами. При образовании производных единиц полученные единицы имеют наименование, либо состоящее из наименований соответствующих исходных единиц, либо имеющее собственное наименование.

Так, единица скорости определяется из определения v TL ,

где v — скорость; L — длина; T — время.

За единицу скорости принят метр в секунду (м/с). Наименование единицы скорости состоит из наименований соответствующих величин (метр, секунда).

Другой пример. Единица силы имеет собственное наименование — ньютон (Н). Сила устанавливается из закона Ньютона:

F = М·а,

где М — масса; а — ускорение.

Ускорение устанавливается из определения

Таким образом, можно определить связь любых единиц системы с основными единицами.

5

где z — величина, для которой определяется производная единица; L, М, Т, I, , J — основные величины; , , , , , — показатели степени, в которой данная величина входит в уравнение связи искомой величины и основных величин.

Выражение (1) называется размерностью величины.

Размеры единиц часто в практике неудобны. Поэтому допускается использование кратных и дольных единиц, т.е. единиц, которые в целое число раз больше или меньше единиц системы. Наиболее часто применяются единицы, которые получаются умножением исходных единиц на число 10, возведенное в степень. Если степень имеет отрицательный знак, то получим дольные единицы, если положительный, то кратные единицы. В табл. 1 приведен перечень наиболее применяемых десятичных множителей и соответствующих им приставок. Обозначения приставок пишутся слитно с обозначением единиц.

Таблица 1

Перечень наиболее применяемых десятичных множителей и приставок

6

1.3. Величины и единицы измерений характеристик ионизирующих излучений

Измерения величины ионизирующих излучений можно условно систематизировать в три группы:

радиометрические измерения. Это измерения характеристик источников ионизирующих излучений и их полей;

дозиметрические измерения. Это измерения характеристик эффектов воздействия ионизирующего излучения на облучаемый объект;

спектрометрические измерения, Это измерения распределения ионизирующих излучений по энергиям.

К основным радиометрическим величинам относятся: активность радионуклида в источнике А. Это количество ра-

диоактивных распадов в источнике в единицу времени, размерность Т–1, единица беккерель (Бк). Временно допускается единица 1 Ки (кюри):

1 Ки = 3,7·1010 Бк.

удельная активность источника А/М. Это отношение активности радионуклида в источнике к массе М источника, размерность Бк/к;

объѐмная активность источника А/V. Это отношение актив-

ности радионуклида в источнике к его объѐму V. Размерность Бк/м3 или Бк/л;

плотность потока ионизирующих частиц . Это количество ионизирующих частиц, проникающих в элементарную сферу с площадью центрального сечения 1 см2 в единицу времени.

К основным дозиметрическим величинам относятся: поглощенная доза ионизирующего излучения D. Это количе-

ство энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы облучаемого объекта. Единица 1 Гр (Грей) = 1 Дж/кг. Размерность L2 Т–2. Временно допускается к использованию внесистемная единица 1 рад = 1·10–2 Гр.

мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения D. Это поглощенная доза в единицу времени, 1 Гр/c = 1 Вт/кг. Вре-

менно допускается к использованию внесистемная единица 1 рад/с = 1·10–2 Гр/с.

7

эквивалентная доза ионизирующего излучения Н. Это произведение поглощенной дозы, созданной данным видом ионизирующего излучения в органе или ткани, на взвешивающий коэффициент данного ионизирующего излучения, характеризующего его качество W в этом элементе объѐма:

Н = W·D.

Значения W для различных видов ионизирующего излучения приведены в табл. 2.

Таблица 2

Взвешивающие коэффициенты W отдельных видов излучения

При воздействии различных видов излучения с разными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Единица эквивалентной дозы 1 Зв (Зиверт). Так как взвешивающий коэффициент безразмерен, то 1 Зв = 1 Дж/кг. Временно

допускается к использованию внесистемная единица 1 бэр =

= 1·10–2 Зв.

Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения Н. Это эквивалентная доза в единицу времени 1 Зв/с. Временно допускается к использованию внесистемная единица 1 бэр/с =

=1·10–2 Зв/с.

Вобласти дозиметрии фотонного излучения (гаммаили рентгеновского) временно допускается к использованию величина — экспозиционная доза. В соответствии с современным определением экспозиционная доза фотонного излучения X равна отношению суммарного заряда Q всех ионов одного знака, создан-

8

ного в воздухе, массой М, когда все электроны и позитроны, созданные фотонами, полностью остановились в воздухе:

X = Q/М.

Единица экспозиционной дозы 1 Р (рентген) = 2,58·10–4 Кл/кг. Также временно допускается к использованию мощность экспозиционной дозы. Это экспозиционная доза в единицу вре-

мени 1 Р/с.

В спектрометрических измерениях определяется распределение частиц (фотонов) ионизирующих излучений по энергиям.

2.ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1.Основные метрологические понятия и термины

Достижение единства и требуемой точности измерений — основная задача обеспечения единства измерений.

Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в стране единицах, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

Обеспечение единства измерений (ОЕИ) — деятельность, направленная на установление и применение научных, правовых, организационных и технических основ, правил, норм и средств, необходимых для достижения заданного уровня единства измерений.

Измерение — совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.

Средство измерений (СИ) — техническое средство, предназначенное для измерений.

Стандартный образец (СО) — образец вещества (материала) с установленными по результатам испытаний значениями одной или более величин, характеризующих состав или свойства этого вещества (материала).

Тип СИ — совокупность СИ, предназначенных для измерений одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах, основанных на одном принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной технической документации.

9

Утверждение типа СИ — документально оформленное в установленном порядке решение о признании соответствия типа СИ метрологическим и техническим требованиям на основании результата специальных испытаний.

Поверка СИ — совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия СИ метрологическим требованиям.

Калибровка СИ — совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений метрологических характеристик СИ.

Передача размера единицы — приведение единицы величины, хранимой СИ, к единице величины, воспроизводимой эталоном данной единицы величины.

Методика (метод) измерений (в том числе поверки, калибровки СИ) — совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Метрологическая экспертиза — анализ и оценка правильности установления и соблюдения метрологических требований применительно к объекту, подвергаемому экспертизе.

Метрологическая служба — организующие и (или) выполняющие работы по обеспечению единства измерений структурное подразделение центрального аппарата федеральной власти органа исполнительной власти и (или) его территориального органа, подразделение юридического лица либо объединения юридических лиц, работники юридических лиц, индивидуальный предприниматель.

Государственный метрологический надзор (ГМН) — контрольная деятельность в сфере государственного регулирования ОЕИ, осуществляемая уполномоченными федеральными органами исполнительной власти и заключающаяся в систематической проверке соблюдения установленных законодательством обязательных требований, а также в применении установленных законодательством мер за нарушения.

Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) — государственная система управления субъектами, нормами, средствами и видами деятельности по обеспечению заданного уровня единства измерений. ГСИ состоит из следующих подсистем: правовой, организационной и технической.

10