Дозиметрия ионизирующих излучений. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной формы образования по изучению дисциплины (н

атомов из ионизированного и возбужденного состояния в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована различными способами. Лучший из них – преобразование энергии света в электрический сигнал с помощью оптически связанного со сцинтиллятором фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

ФЭУ состоит из фотокатода, анода и динодов либо покрытых сурьмяно-цезиевой смесью, либо изготовленных из специальных сплавов алюминия, магния и серы, обладающих большим коэффициентом вторичной эмиссии электронов. Вся система ФЭУ размещена в стеклянном баллоне с высоким вакуумом, необходимым для сохранения поверхностей фотослоя и динодов, а также для свободного движения электронов.

В сцинтилляционном счетчике ФЭУ работает в импульсном режиме.

Под действием импульса, возникшего в сцинтилляторе, из фотокатода за счет фотоэффекта выбиваются электроны, которые собираются электрическим полем и направляются на первый эмиттер (динод), ускоряясь до энергии,

достаточной для выбивания вторичных электронов из следующего эмиттера.

Умножение числа электронов происходит при попадании потока первичных электронов на эмиттер.

Выбитые при ударе электроны фокусируются на последующий динод,

из которого они вновь выбивают примерно удвоенное количество электронов и т.д. Таким образом, лавина электронов возрастает от катода к аноду,

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

Весь сцинтилляционный счетчик заключен в светонепроницаемый кожух, чтобы исключить попадание постороннего света на фотокатод и диоды ФЭУ. Умножитель защищен от внешних электрических и магнитных полей, которые нарушают фокусировку электронов.

3. Люминесцентный метод – основан на накапливании части энергии поглощенного ионизирующего излучения и отдачи его в виде светового

21

свечения после дополнительного воздействия ультрафиолетовым излучением

(или видимым светом) или нагревом.

Под действием излучения в люминофоре (щелочно-галоидных соединенных типов SiF, NaY, фосфатных стекол, активированных серебром)

создаются центры фотолюминесценции, содержащие атомы и ионы серебра.

Последующее освещение люминофоров ультрафиолетовым светом вызывает видимую люминесценцию, интенсивность которой в диапазоне от 1/10 до 10

Гр пропорциональна дозе, затем достигает максимума (при 3,5•101 Гр) и при дальнейшем увеличении дозы падает.

Термолюминесцентные дозиметры. В термолюминесцентных дозиметрах преобразование поглощенной энергии ионизирующего излучения в люминесцентную осуществляется под действием теплового нагрева.

Интенсивность высвечивания пропорциональна дозе излучения.

4. Фотографический метод– основан на том, что излучение,

взаимодействуя с галогенидами серебра (AgBr или AgCl) фотоэмульсии,

восстанавливает металлическое серебро подобно видимому свету, которое после проявления выделяется в виде почернения. Степень почернения фотоэмульсии (фотопластинки) пропорциональна дозе излучения;

5. Химический метод – дозиметрии основан на измерении числа молекул или ионов (радиационно-химический выход), образующихся или претерпевших изменение при поглощении веществом (раствором) излучения.

Действие химических дозиметров основано на окислительно-

восстановительных реакциях. Учитывают те или иные химические изменения, возникающие под влиянием излучения (изменение цвета растворов или кристаллических тел, выделение газов, осаждение некоторых коллоидов и т.п.), степень изменения пропорциональна поглощенной энергии излучения.

В настоящее время широкое распространение получил ферросульфатный дозиметр, основанный на окислении под воздействием излучений двухвалентного иона железа Fe+ в трехвалентный ион Fe+.

22

Химические дозиметры можно применять для регистрации не только фотонного излучения, но и тепловых нейтронов.

6.Калориметрический метод –основан на измерении с помощью специальных калориметров тепловой энергии, выделяющейся при поглощении энергии излучения в веществе. Калориметрические детекторы применяют главным образом для измерения больших доз (порядка сотен тысяч или миллионов рентген) и мощных потоков ионизирующих излучений.

Поэтому применение их в медицине и ветеринарной радиологической практике ограничено.

7. Колориметрический метод – основан на изменении цвета некоторых прозрачных пластмасс (полистирол) и некоторых сортов стекол (фосфатные,

активированные серебром). Эти стекла изменяют цвет под воздействием излучения. Интенсивность цвета (окраски) имеет прямую зависимость от дозы излучения.

Методы регистрации нейтронов.Для регистрации нейтронов используют процессы взаимодействия нейтронов с ядрами атомов. Захват нейтрона приводит к образованию возбужденного ядра, которое либо расщепляется с испусканием заряженной частицы, либо возвращается в основное состояние с испусканием фотонов.

Ионизационные детекторы излученияпредставляют собой заполненную воздухом или газом камеру с электродами для создания в ней соответствующего электрического поля.

Ионизационная камера состоит из следующих частей:

1 – камера, заполненная воздухом или газом;

2 – анод;

3 – катод;

4 – изолятор;

5 – прибор для измерения ионизационного тока камеры;

6 – источник питания.

23

Заряженные частицы (альфа; бета), попавшие в камеру детектора,

производят в ней непосредственно первичную ионизацию газовой среды;

гаммакванты сначала образуют быстрые электроны в стенке детектора,

которые затем вызывают ионизацию газовой среды в нем. Сухой газ (воздух)

– хороший электроизолятор, так как электрически нейтральные молекулы, из которых он состоит, не перемещают электрические заряды, если же в газовую среду попадают заряженные частицы, они образуют ионные пары, и

газ (воздух) становится проводником электрического тока. При отсутствии напряжения на электродах, все ионы, созданные начальной ионизацией,

полностью рекомбинируют в нейтральные молекулы.

При возрастании напряжения ионы под действием электрического поля обретают направленное движение: положительные ионы собираются на катоде, а электроны – на аноде. В цепи возникает ионизационный ток который может быть зарегистрирован прибором. Величина ионизационного тока служит мерой количества излучения.

Ионизационная камера применяется для измерения всех типов излучений. По конструктивному оформлению ионизационные камеры могут быть плоские, цилиндрические и сферические с объемом воздуха 0,5-5л. В

плоской ионизационной камере электроды имеют вид пластин. Они заключены в корпус и разделены газовым слоем. Цилиндрическая – состоит из полого цилиндра, по оси которого расположен металлический стержень – собирающий электрод. Стенки камеры изготовляют из эквивалентного материала (плексиглас, полистирол и т.д.), толщина стенок 2-4 мм. Ток насыщения, в режиме которого работают ионизационные камеры,

достигается при напряжении 150-300 В.

8 ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Виды дозиметрии. В зависимости от целей и задач дозиметрия бывает нескольких видов.

24

1 Индивидуальная дозиметрия – это дозиметрия уровня облучения персонала и всего населения. Сюда входят:

а) повседневный радиационный контроль (от10-3 до 10 бэр);

б) аварийная дозиметрия (от 1 до 5000 бэр);

в) дозиметрия в условиях ядерной войны (от 10 до 1000 бэр);

г) дозиметрия при космических полетах (от 10-3 до 1000 бэр);

д) дозиметрия естественного излучения (от 10-4 до 103 бэр).

2Клиническая дозиметрия при лечении и диагностике заболеваний (от

1до 104 рад).

3Дозиметрия в радиобиологии (от 1 до 107 рад).

4. Дозиметрия в радиационной технике:

а) радиационная химия (от 103 до 108 рад);

б) лучевая стерилизация (2,5•106 рад);

в) облучение продуктов питания (от 10 до 5•106 рад).

5. Внутриреакторная дозиметрия (от 104 до 109 рад, от 107 до 1014 рад).

При проведении дозиметрии существует ряд трудностей:

1)большой диапазон измеряемых доз (от 10-3 до 109рад);

2)необходимость регистрации и дозиметрии различных видов излучений;

3)широкий спектральный состав излучения, то есть диапазоны энергий от 5 кэВ до 100 МэВ.

Следовательно, одним методом дозиметрии или одним прибором решить проблему нельзя. Поэтому, существует несколько методов дозиметрии. В качестве дозиметра можно использовать любое вещество,

которое изменяется под действием излучения. Все методы дозиметрии основаны на измерении тех физико-химических эффектов, которые происходят при взаимодействии излучения с веществом.

Дозиметры – приборы, измеряющие экспозиционную и поглощенную дозы излучения. Дозиметры состоят из трех основных частей: детектора,

25

радиотехнической схемы, усиливающей ионизационный ток и регистрирующего (измерительного) устройства.

По принципу действия дозиметры делят на две группы:

1)прямопоказывающие дозиметры;

2)непрямопоказывающие дозиметры.

Детектором излучения в измерителях мощности дозы могут быть ионизационные камеры, газоразрядный или сцинтилляционный счетчик. В

качестве детектора в интегрирующих приборах обычно применяют ионизационные камеры.

По характеру применения камеры делят на стационарные, переносные

иприборы индивидуального дозиметрического контроля.

Кгруппе приборов индивидуального дозиметрического контроля относят комплекты дозиметрического контроля типа: КИД-1; КИД-2; ДК-0,2;

ДП-23-А; ДП-22-В; ДП-24 и другие, которые снабжены переносным зарядно-

измерительным или зарядным устройством. Указанные дозиметры предназначены для контроля при работе с рентгеновым и гамма-излучением.

Они состоят из комплекта малогабаритных (наперстковых) ионизационных камер, внешне напоминающих авторучки.

Принцип работы дозиметров основан на разрядке емкости,

предварительно заряженной ионизационной камеры под действием ионизирующего излучения.

В таблице 5 приведены основные физические величины в радиобиологии и их единицы измерения.

26

Таблица 4 – Основные физические величины в радиобиологии и их единицы

9САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО РАСЧЕТУ ЭКСПОЗИЦИОННОЙ ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

Задача № 1

Определить количество пар ионов, образующихся в 1 см3 воздуха, при температуре 00 С и атмосферном давлении 760 мм ртутного столба, если полученная мышечной тканью лошади рысистой породы, поглощенная

27

дозарентгеновского излучения составила: 1) 100 Гр, 45 Гр; 2) 150 сГр, 300

сГр; 4) 50 мГр, 250 мГр; 5) 450 мкГр, 600 мкГр; 6) 1 кГр, 25 кГр; 7) 28 МГр, 44 МГр; 8) 31 Гр, 79 Гр; 9) 97 ГГр, 234 ГГр, 10) 125 нГр, 345 нГр.

Задача № 2

Рассчитать экспозиционную дозу в единицах СИ полученную щенком породы мопсом, если поглощенная доза в воздухе гамма-излучения составила:1) 1 Гр, 24 Гр; 2) 345 сантиГр, 101 сантиГр; 3) 455 миллиГр, 290

миллиГр; 4) 567 микроГр, 619 микроГр; 5) 189 Гр, 67 Гр; 6) 4 килоГр, 38

килоГр; 7) 12 МегаГр, 67 МегаГр;8) 6 ГигаГр, 43 ГигаГр, 9) 54 Гр, 32 Гр; 10) 11 наноГр, 8 наноГр.

Задача № 3

Определить поглощѐнную дозу системной единицеполученнуюмышечной тканью кур яичной породы леггорн, если величина экспозиционной дозы рентгеновского излучения составила: 1) 2,58

*10-4Кл/кг, 15,48 * 10-8Кл/кг; 2) 144,48 * 101Кл/кг, 92,88 * 10-5Кл/кг; 3) 167,7

*103 Кл/кг, 147,06 * 10-12 Кл/кг;4) 54,18 * 1011 Кл/кг, 28,38 * 10-2 Кл/кг;5)

144,48 * 101 Кл/кг, 92,88 * 10-3 Кл/кг; 6) 172,86 * 109 Кл/кг, 49,02 * 10-1 Кл/кг;

7) 72,24 * 108 Кл/кг, 87,72 * 102Кл/кг; 8) 85,14 * 1012 Кл/кг, 175,44 * 10-6 Кл/кг; 9) 30,96 * 10-7 Кл/кг, 33,54 * 10-8 Кл/кг; 10) 165,12 * 104 Кл/кг, 25,8 * 10-10

Кл/кг.

Задача № 4

Определить количество пар ионов, образующихся в 1 см3 воздуха, если при облучении мышечной ткани скороспелой мясо-шерстной породы овец прекос при температуре 00 С и нормальном атмосферном давлении,

еслипоглощѐнная доза рентгеновского излучения составила:1) 5 рад, 25 рад; 2) 50 миллирад, 100 миллирад; 3) 32 микрорад, 55 микрорад; 4) 1 килорад, 75

килорад; 5) 3 Мегарад, 56 Мегарад; 6) 34 сантирад, 4 сантирад; 7) 56 нанорад, 11 нанорад; 8) 88 Гигарад, 12 Гигарад; 9) 48 Терарад, 72 Терарад; 10) 3

пикорад, 56 пикорад.

28

Задача № 5

Определить какую поглощѐнную дозу в единицах СИ получила жировая ткань свиньи крупной белой породы, если при облучении рентгеновским излучением при температуре 00 С и нормальном атмосферном давлении образуется следующее количество пар ионов:1) 2,08 * 109, 1,04 * 109; 2) 4,16 * 10-3, 6,24 * 101;3) 8,32 * 104, 43,68 * 10-5; 4) 10,4 * 102, 12,48 * 10-8; 5) 97,76 * 10-9, 120,64 * 10-4; 6) 131,04 * 107, 106,08 * 103; 7) 52 * 1010, 91,52 * 10-2, 8) 1 * 108, 20,8 * 10-6; 9) 16,64 * 10-10, 74,88 * 10-11; 10) 114,4 * 109, 58,24 * 1012.

Задача № 6

Определить какую поглощенную дозу в единицах СИ получили мышцы кроликов породы белый великан, если экспозиционная доза рентгеновского излучения составила:1) 100 Р, 200 Р; 2) 150 сантиР, 250 сантиР; 2) 45 микроР, 55 микроР; 3) 48 микроР, 12 микроР; 4) 450 наноР, 380 наноР; 5) 2500 пикоР, 5432 пикоР; 6) 10 килоР, 23 килоР; 7) 34 МегаР, 12 МегаР; 8) 1 ГигаР; 9

ГигаР; 9) 2 ТераР, 15 ТераР; 10) 18 ПетаР, 78 ПетаР.

Задача № 7

Вычислить поглощѐнную дозу в системных единицах, если при рентгеновском облучении легких собаки породы сибирской хаски при температуре 00 С и нормальном атмосферном давлении образуется следующее количество пар ионов: 1) 4,16 * 10-1, 6,24 * 102;2) 8,32 * 101, 43,68 * 10-2; 3) 97,76 * 10-3, 120,64 * 10-5; 4) 131,04 * 103, 106,08 * 104; 5) 52 * 105, 91,52 * 10-6, 6) 1 * 109, 20,8 * 10-7; 7) 16,64 * 10-8, 74,88 * 10-9; 8) 114,4 * 106, 58,24 * 10109) 2,08 * 101, 1,04 * 104; 10) 10,4 * 1011, 12,48 * 10-2.

Задача № 8

Определить величину экспозиционной дозы системной единицы рентгеновского излучения, если в 1 см3 воздуха при 0 С и нормальном атмосферном давлении образуется следующее количество пар ионов: 1) 2,08

* 109и 1,04 * 109; 2) 2,08 * 106и 1,04 * 106; 3) 8,32 * 104, 43,68 * 10-5; 4) 10,4 *

29

102, 12,48 * 10-8; 5) 97,76 * 10-9, 120,64 * 10-4;6) 131,04 * 107, 106,08 * 103; 7) 52 * 1010, 91,52 * 10-2, 8) 1 * 108, 20,8 * 10-6; 9) 16,64 * 10-10, 74,88 * 10-11; 10) 114,4 * 109, 58,24 * 1012.

Задача № 9

Определить величину экспозиционной дозы гамма-излучения в единицах СИ, если в 1 см3воздуха при 0 С и нормальном атмосферном давлении образуется следующее количество пар ионов: 1) 2,08 105 и 1,04 105; 2) 0,52 103 и0,26 103; 3) 97,76 * 10-3, 120,64 * 10-5; 4) 131,04 * 103, 106,08 * 104; 5) 52 * 105, 91,52 * 10-6, 6) 1 * 109, 20,8 * 10-7;7) 16,64 * 10-8, 74,88 * 10-9; 8) 114,4 * 106, 58,24 * 10109) 2,08 * 101, 1,04 * 104; 10) 10,4 * 1011, 12,48 * 10-2.

Задача № 10

Вычислить поглощенную дозу в единицах СИ, если при облучении животного гамма-лучами при 0 С и нормальном атмосферном давлении в 1

см3воздуха образуется следующее количество пар ионов: 1) 2,08 104и 1,04

104; 2) 4,16 * 10-3, 6,24 * 101;3) 8,32 * 104, 43,68 * 10-5; 4) 10,4 * 102, 12,48 * 10- 8; 5) 97,76 * 10-9, 120,64 * 10-4;6) 131,04 * 107, 106,08 * 103; 7) 52 * 1010, 91,52 * 10-2, 8) 1 * 108, 20,8 * 10-6; 9) 16,64 * 10-10, 74,88 * 10-11; 10) 114,4 * 109, 58,24 * 1012.

Задача № 11

Вычислить поглощенную дозу в радах, если при рентгеновском обследовании легких животного при 0 С и нормальном атмосферном давлении в 1 см3воздуха образуется следующее количество пар ионов: 1) 2,08 109и 1,04 109; 2) 0,52 103 и0,26 103; 3) 97,76 * 10-3, 120,64 * 10-5; 4) 131,04 * 103, 106,08 * 104; 5) 52 * 105, 91,52 * 10-6, 6) 1 * 109, 20,8 * 10-7;7) 16,64 * 10-8, 74,88 * 10-9; 8) 114,4 * 106, 58,24 * 10109) 2,08 * 101, 1,04 * 104; 10) 10,4 * 1011, 12,48 * 10-2.

Задача № 12

Определить количество пар ионов, образующихся в 1 см3воздуха при

0 С и нормальном атмосферном давлении, если при исследовании желудка собак экспозиционная доза рентгеновских лучей была равна: 1) 2,58 10-4и

30