Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
В лучевой терапии часто вместо поглощенной дозы используют
понятие интегральной дозы, т. е. энергии, суммарно поглощенной
во всем объеме объекта (при локальном облучении). Интегральная доза измеряется в джоулях.
При облучении биологической ткани одной и той же энергией,
но различными видами излучений, эффекты будут различны. Поэтому при оценке радиационной опасности от различных видов
излучений используют понятие эквивалентная доза. Единицей измерения служит зиверт (Зв). Внесистемной единицей выступает
бэр (биологический эквивалент рада): 1 Зв = 100 бэр.
Эквивалентная доза (H
для данного органа или ткани (D
щий коэффициент для данного вида излучения (W
Взвешивающий коэффициент W
) – это произведение поглощенной дозы
T,R
) на соответствующий взвешиваю-
T,R
для отдельных видов излу-
R
) : H
R
= WR · D
T,R
T,R
.
чения, используемый в радиационной защите при расчете эквивалентной дозы как множитель поглощенной дозы, учитывает
относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов. Значения W
находятся в
R
диапазоне от 1 (для фотонов, электронов и мюонов) до 5–20 (нейтроны различной энергии, протоны и α-частицы). Значения W
R
согласно НРБ-2000 приведены в таблице 5.
Использование эквивалентной дозы ограничены условиями
равномерного внешнего облучения, в условиях же неравномерного облучения, и особенно внутреннего, биологический эффект
может существенно отличаться. Поэтому было введено понятие
эффективная доза (Е).
Таблица 5
Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения
Вид излучения и диапазон энергии Коэффициент
качества, W
Фотоны любых энергий 1
Электроны и мюоны любых энергий 1
Нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ 5
от 10 кэВ до 100 кэВ 10
от 100 кэВ до 2 МэВ 20
от 2 до 20 МэВ 10
более 20 МэВ 5
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи 5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра 20
R
181
Эффективная доза представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях ∑ H
взвешивающие коэффициенты W
отражающие различную радио-
T,
на соответствующие
T
чувствительность органов и тканей организма:
E = ∑H
Взвешивающий коэффициент W
· WT .
T
для тканей и органов, ис-
Т
пользуемый в радиационной защите при расчете эффективной
дозы как множитель эквивалентной дозы в органах и тканях, учитывает различную радиочувствительность разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации. Значения W
согласно НРБ-2000 приведены в таблице 6.
T
Расчет эквивалентной и эффективной доз может осуществляться с учетом общего облучения конкретной ткани или органа
Таблица 6
Взвешивающие коэффициенты для отдельных тканей и органов
Вид ткани и органов Коэффициент качества, W
Гонады 0,20
Костный мозг (красный) 0,12
Толстый кишечник 0,12
Легкие 0,12
Желудок 0,12
Мочевой пузырь 0,05
Грудная железа 0,05
Печень 0,05
Пищевод 0,05
Щитовидная железа 0,05
Кожа 0,01
Клетки костных поверхностей 0,01
Остальное 0,05 *
* При расчетах следует учитывать, что «остальное» включает надпочечни-
ки, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую
железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных
органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых
определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или
ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или
тканям из рубрики «остальное» приписать суммарный коэффициент, равный
0,025. Значение W
в целом для организма равно 1.
T
Т
182
у группы лиц и целой популяции, в связи с чем применяют понятие коллективная эффективная эквивалентная доза излучения.
Дозиметрические величины (системные и внесистемные) характеризуются определенными взаимоотношениями, которые отражены в таблице 7.
Таблица 7
Основные физические величины и их единицы, используемые в радиобиологии
Физическая
величина
Активность
радионуклида
Экспозиционная доза
излучения
Мощность
дозы
Поглощенная доза
излучения
Мощность
дозы
Интегральная доза
излучения
Эквивалентная доза
излучения
Мощность
дозы
Эффективная доза
излучения
Мощность
дозы
Коллективная эффективная
эквивалентная доза
излучения
Единица и ее наименование
(международное, русское)
внесистем-
ная
кюри
(Ci, Кu)
рентген
(R, Р)
рентген в
секунду
(R/s, Р/с)
рад (rad,
рад)
рад в секун-
ду (rad/s,
рад/c)
рад-грамм
(rad/g,
рад/г)
бэр (rem,
бэр)
бэр в секунду
(rem/s, бэр/с)
бэр (rem,
бэр)
бэр в секунду
(rem/s, бэр/с)
человеко ]
] бэр
СИ
беккерель
(Bq, Бк)
кулон на
килограмм
(C/kg, Кл/кг)
ампер на
килограмм
(A/kg, А/кг)
Грей
(Gy, Гр)
грей в секун-
ду (Gy/s,Гр/с)
джоуль
(J, Дж)
зиверт
(Sv, Зв)
зиверт
в секунду
(Sv/s, Зв/с)
зиверт
(Sv, Зв)
зиверт в
секунду
(Sv/s, Зв/с)
человеко ]
] зиверт
(чел · Зв)
Соотношение между единицами
внесистемной
и СИ
1 Кu = 3,7·10
Бк
1 Р = 2,58·10
Кл/кг
1 Р/с=2,58·10
А/кг
СИ и внесистемной
10
1 Бк = 2,7·10
1 Бк = 1 распад/с
–4
1 Кл/кг = 3876 Р
–4
1 А/кг = 3876 Р/с
-11
1 рад = 0,01 Гр 1 Гр = 100 рад
1 рад/с =
= 0,001 Гр/с
1 рад·г = 10
Дж
1 Гр/с = 100 рад/с
–5
1 Дж = 10
5
рад·г
1 бэр = 0,01 Зв 1 Зв = 100 бэр
1 бэр/с = 0,01
Зв/с
1 Зв/с = 100 бэр/с
1 бэр = 0,01 Зв 1 Зв = 100 бэр
1 бэр/с = 0,01
Зв/с
1 чел·бэр = 0,01
чел·Зв
1 Зв/с = 100 бэр/с
1 чел·Зв = 100
чел·бэр
Кu
183
Для оценки эффективности действия радиоактивных изотопов, кроме поглощенных доз, создаваемых ими как при внешнем
облучении, так и при попадании внутрь организма источников
ионизирующих излучений (инкорпорировании), измеряют их активность.
19. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБНАРУЖЕНИЯ
И ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
19.1. Общие методы обнаружения
ионизирующих излучений
Обнаружение (детектирование) ионизирующих излучений основано на использовании эффектов, возникающих в окружающей
среде в процессе того или иного вида взаимодействия излучения
с веществом. Эти эффекты принято делить на первичные (ионизация, люминесценция) и последующие или вторичные (фотохими-
ческие реакции, изменения химических и физических свойств).
Для обнаружения первичных и вторичных эффектов взаимодействия ионизирующих излучений с веществом окружающей среды
пользуются различными методами регистрации: фотоэмульсион-
ный, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, ионизационный, биологический.
Основным элементом в каждом способе регистрации ионизирующих излучений является детектор.
Детектор (датчик; лат. detector — обнаруживатель) — чувствительный элемент, в котором происходит непосредственное преобразование энергии ионизирующего излучения в иные виды энергии,
удобные для измерения и регистрации.
В зависимости от используемого вещества различают твердотельные, жидкостные и газовые детекторы. Согласно явлениям,
на которых основана их работа, выделяют такие типы детекторов,
как электрические или ионизационные, сцинтилляционные, химичес-
кие и калориметрические.
Электрические или ионизационные детекторы улавливают
энергию ионизации среды, вызванной излучением, и выдают ее
преобразованной в электрические сигналы. Для этого детекторы
снабжены источником электрического питания. К этому типу детекторов относятся: ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, кристаллические и полупроводниковые детекторы.
184
К сцинтилляционным детекторам относятся крупные монокристаллы некоторых неорганических и органических веществ,
а также жидкие растворы пластмассы. Под действием ионизирующих излучений возбужденные атомы в таких веществах отдают
энергию в виде световых вспышек. Последние преобразуются в
электрические сигналы, доступные для точной регистрации.
Электрические и сцинтилляционные детекторы выявляют первичные эффекты взаимодействия излучений со средой только во
время самого действия излучений.
Химические детекторы способны долгое время сохранять ре-
зультат воздействия излучения в регистрируемой форме. К ним
относятся фотоэмульсии, а также вещества, которые под воздействием ионизирующих излучений меняют окраску, состав, степень
прозрачности и т.д.
Действие калориметрических детекторов основано на измере-
нии тепла, выделяемого в веществе при поглощении излучения.
19.2. Методы регистрации и измерения
ионизирующих излучений, основанные на
первичных эффектах взаимодействия с веществом
Работа детекторов основана на различных физико-химических
характеристиках, в связи с чем различаются и методы регистрации,
и измерения ионизирующих излучений. К методам регистрации и
измерения ионизирующих излучений, основанных на первичных
эффектах взаимодействия с веществом, относят ионизационные и
сцинтилляционные.
Суть ионизационного метода основана на том, что газы при
обычном давлении и температуре состоят из электрически нейтральных молекул и поэтому являются диэлектриками. Ионизация молекул газа космическими излучениями столь ничтожна,
что ею можно пренебречь. При действии ионизирующих излучений нейтральные атомы и молекулы газа превращаются в отрицательные и положительные ионы, которые находятся в беспорядочном тепловом движении, но если облучаемый газ наполняет
пространство между двумя пластинами А и Б, к которым прило-
жено постоянное напряжение от источника В, то движение ионов
становится упорядоченным, положительные ионы перемещаются
к отрицательному полюсу Б, а отрицательные — к положительному полюсу А (рис. 13). В цепи возникает электрический ток,
который может быть зарегистрирован прибором Г. Такой ток на-
185
Рис. 13. Схема иониза-
ционного метода регис-
трации ионизирующих
излучений
Рис. 14. Схема ионизационной камеры:
1 – окошко; 2 – центральный электрод (анод);
3 – изолятор
зывается ионизационным, и его величина служит мерой количества излучения. Таким образом, основой ионизационного метода
обнаружения излучений и счета отдельных частиц служит явление
проводимости облучаемого газа.
В зависимости от подаваемого напряжения двухэлектродный
промежуток может работать в режиме ионизационной камеры, про-
порционального счетчика и счетчика Гейгера–Мюллера.
Ионизационная камера – газоразрядные детекторы, которые
используются для регистрации рентгеновских и
-лучей, представляют собой воздушный или газовый конденсатор, имеющий
чаще всего цилиндрическую форму (рис. 14). Стенки камеры изготавливают из материалов, являющихся изоляторами, и с внутренней стороны покрывают проводящим слоем, например, из акводага (реже из графита). Этот слой служит высоковольтным или
потенциальным электродом, а второй электрод — собирающий
или центральный имеет вид стержня, введенного внутрь камеры
и тщательно изолированного от ее стенок. Ток насыщения, в режиме которого работают такие камеры, достигается при напряжении поля в 150–300 В. Электроды присоединяются к внешнему
источнику напряжения (батарейному для полевых и сетевому для
стационарных приборов), чем и создается разность потенциалов
между стенками камеры и собирающим электродом. Так как в режиме насыщения все ионы попадают на электроды, то величина
ионизационного тока, а следовательно, и результаты измерения
не зависят от колебаний приложенного к камере напряжения.
Поскольку величина ионизационного тока пропорциональна
энергии излучения, то прибор измеряет ток насыщения в единицу
времени, т. е. мощность дозы данного излучения, для чего он мо-
186
жет быть отградуирован в единицах мощности дозы. Таким образом, ионизационная камера может быть использована не только
для измерения дозы излучения, но и ее мощности.
Важным преимуществом пропорционального счетчика перед
ионизационной камерой является его высокая чувствительность,
благодаря чему он может измерять интенсивность излучения в
десять тысяч раз меньшую, чем это можно сделать при помощи
ионизационной камеры.
Пропорциональный счетчик — газоразрядный детектор, конструктивно представляет собой газонаполненную камеру цилиндрической формы с натянутой по ее оси (аксиально) тонкой вольфрамовой или стальной нитью диаметром 0,02–0,3 мм (рис. 15).
Нить служит анодом, а стенки цилиндра — катодом. В зависимости
от вида регистрируемого излучения стенки цилиндра могут быть
изготовлены из различных материалов и иметь различную толщину. Например, для регистрации γ-излучения стенки счетчика изготовляются из стекла, покрытого изнутри проводящим слоем меди,
для регистрации β-излучения они сделаны из очень тонкого слоя
алюминия или стали. Для регистрации α-излучения и мягкого
β-излучения торец счетчика закрывается очень тонкой (от 4 до
10 мк) слюдяной пленкой или фольгой из алюминия. В пропорциональных счетчиках первично созданные ионы за счет энергии электрического поля вызывают на пути к электродам дополнительную
ионизацию газа. Коэффициент газового усиления здесь зависит
лишь от приложенного напряжения, поэтому при данном напряжении импульс на выходе счетчика пропорционален энергии, затраченной частицей на ионизацию. Преимущество получили пропорциональные счетчики торцового типа САТ-7 и САТ-8.
5
а
Рис. 15. Схема пропорционального счетчика: в продольном (а) и поперечном
(б) разрезах: 1 – нить-анод, 2 – цилиндрический катод, 3 – изолятор, 4 – тра-
ектория заряженной частицы, 5 – электронная лавина
б
187
1 – корпус счетчика (катод); 2 – стальная нить (анод); 3 – газ, заполняющий
Рис. 16. Схема гейгеровского счетчика:
счетчик; 4 – путь частиц через счетчик
Гейгеровские счетчики или счетчики Гейгера–Мюллера используются для измерения числа β-частиц и γ-квантов, работают в режиме самостоятельного разряда в так называемой области
Гейгера (рис. 16). На этом отрезке вольтамперной кривой ударная
ионизация происходит так интенсивно, что попадание в объем
счетчика даже одной частицы любой энергии является толчком
для образования лавины ионов, при которой число первичных
ионов уже не имеет значения. Любая заряженная частица создает
в гейгеровском счетчике импульс одинаковой величины, и величина его не зависит от первоначальной ионизации, а обуславливается приложенным напряжением и величиной сопротивления,
включенного последовательно в цепь разрядного промежутка. В
режиме Гейгера в счетчике происходят довольно сложные процессы. Помимо ударной ионизации, дополнительным источником отрицательных ионов становится движение и положительных
ионов. Ударяясь о стенку счетчика (катод), они выбивают из него
избыточные электроны, которые уже не используются для нейтрализации положительных ионов. Эти «лишние» электроны также направляются к аноду, производя ударную ионизацию. Кроме
того, часть атомов аргона при встрече с ядерными частицами не
ионизируется, а лишь возбуждается и затем высвечивает избыток
энергии с квантами ультрафиолетовых лучей. Последние достигают катода и подобно положительным ионам также выбивают из
них электроны, что по пути пробега к аноду еще больше увеличивает ударную ионизацию. В этих условиях коэффициент усиления
ионизации может достигнуть 10
нов (электронов) достигает нити анода в течение 10
10
раз. Лавина отрицательных ио-
–7
с после акта
первичной ионизации. Гейгеровские счетчики за весь срок работы в состоянии зарегистрировать 10
7
–109 ядерных частиц. Чтобы
счетчики раньше времени не выходили из строя, на них не следует
подавать излишне высокие напряжения. Выбор оптимального на-
188
пряжения работы для каждого счетчика определяется его рабочей
характеристикой.
Для счета β-частиц применяются цилиндрические и торцовые
счетчики. Цилиндрические тонкостенные счетчики с ребристыми стенками (для жесткости) используются для счета β-частиц с
энергией от 0,5 до 0,7 МэВ (СТС-5, СТС-6 и др.). Торцовые гейгеровские счетчики служат для счета β-частиц меньших энергий
0,1–0,2 МэВ (МСТ-17, Т-25 БФЛ, СБТ и др.). Для регистрации
γ-излучения используются толстостенные цилиндрические счетчики марки МС, СГС, СИ-3БГ и др.
Суть сцинтилляционного метода заключается в том, что в облучаемом веществе ионизирующие излучения одновременно с
ионизацией вызывают также возбуждение атомов и молекул. При
этом некоторые атомы, возвращаясь в невозбужденное состояние,
отдают энергию возбуждения не только в виде энергии теплового
движения, но и в виде люминесценции, т.е. с квантами света, в том
числе и видимого. Правда при облучении точечные и кратковременные световые вспышки, или сцинтилляции (лат. scintilla tion —
мерцание), возникают не во всех, а лишь в некоторых веществах.
Такие вещества, способные люминесцировать, называются вспышечными фосфорами или сцинтилляторами. По составу они делятся на две группы — неорганические и органические.
Регистрация квантов света, возникающих в сцинтилляторах,
производится специальным устройством — фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Он преобразовывает слабые световые вспышки в импульсы электрического тока, а затем усиливает этот ток до
уровня, поддающегося измерению. Поэтому ФЭУ может регистрировать вспышки, вызываемые ядерным излучением.
Сцинтилляционный детектор, состоящий из сочетания сцинтиллятора и фотоумножителя (ФЭУ), называется сцинтилляционным счетчиком. Его упрощенная схема показана на рис. 17. Световые вспышки, возникающие в сцинтилляторе (1) под действием
ионизирующих излучений, попадая на фотокатод ФЭУ, производят фотоэффект, т. е. выбивают здесь электроны. Под действием
электрического поля они, ускоряясь, направляются через отверстие фокусирующего электрода и попадают на первый динод (2),
где каждый электрон выбивает 3–4 новых электрона. Последние
попадают на второй динод (3), где число их вновь возрастает и т. д.
Многократно умноженные электроны в конце концов приходят
на коллектор — анод (8). Отсюда отрицательный заряд через нагрузочное сопротивление (9) в виде импульса напряжения направ-
189
Рис. 17. Схема сцинтилляционного счетчика: I – кристалл; II – фокусирующий
электрод; III – фотоумножитель; 1 – фотокатод; 2–7 – эмиттеры; 8 – кол-
лектор (анод); 9 – нагрузочное сопротивление
ляется в устройство для анализа и регистрации импульсов. Счетчик
и регистрирующая система соединены с системой питания — источником высокостабилизированного напряжения. ФЭУ обладает
очень высоким коэффициентом усиления, достигающим 10
6
–109
раз, т.е. каждый выбитый из фотокатода электрон приводит к попаданию на анод не менее миллиона электронов. Так как суммарная
интенсивность сцинтилляций пропорциональна интенсивности
ионизирующего излучения, то по числу вспышек можно сосчитать
число ионизирующих частиц, прошедших через сцинтиллятор.
Выпускаются различные марки ФЭУ. Наиболее употребительны ФЭУ-19А, ФЭУ-24 с корытообразными динодами, ФЭУ-45 с
коробчатообразными динодами и ФЭУ-13 с динодами в виде сеток или пластинок типа «жалюзи».
По сравнению с газоразрядными счетчиками сцинтилляционные счетчики обладают таким существенным преимуществом,
как значительная эффективность счета и высокая разрешающая
способность. Это расширяет диапазон измерений и увеличивает
срок службы этих приборов.
19.3. Методы регистрации и измерения
ионизирующих излучений, основанные на
вторичных эффектах взаимодействия с веществом
К данным методам относятся фотоэмульсионный (фотографический), химический и калориметрический.
Посредством фотоэмульсионного (фотографического) метода в свое время было открыто явление радиоактивности. Под
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]