Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология. Учебное пособие-1
.pdf
при равных энергиях скорость частицы обратно пропорциональна массе
(m), то самую высокую плотность ионизации дают тяжелые многоза-
рядные ионы α-частицы, имеющие наибольший заряд и максимальную
массу. Их пробег в веществе прямолинеен, они вызывают сильно выра-
женные эффекты ионизации и флуоресценции (100250 тыс. пар ионов
в 1 см воздуха).
Рентгеновское излучение вызывает ионизацию минимальной плот-
ности, так как его проникающая способность сходна с проникающей
способностью γ-излучения, а энергия значительно меньше. Промежуточное положение в порядке возрастания занимают γ- è β-излучения,
протоны и нейтроны. Бета-излучение образует 50100 пар ионов на 1 см
пути в воздухе.
Проникающая способность и плотность ионизации связаны между
собой обратной зависимостью. Объясняется это тем, что, чем крупнее и
тяжелее частица, тем больше энергии она несет и большей способнос-
тью к ионизации обладает и, в то же время, тем больше для нее
сопротивление вещества и короче путь пробега в нем. В то же время
излучения с низкой проникающей способностью, то есть с коротким
путем пробега в веществе, всю свою энергию ионизации распределяют
вдоль этого пути. При этом плотность ионизации оказывается выше,
чем если бы та же энергия распределялась по пути большей протяжен-
ности [Симак С.В. и др., 1998].
3. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом
Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор
материала для защиты, оценка биологического действия излучений
основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излу-
чений с веществом. Для понимания принципов этих явлений необхо-
димо знать, каким образом различные по природе излучения взаимо-
действуют с веществом.
Результатом взаимодействия ИИ с веществом является ионизация
и возбуждение атомов и молекул. Ионизация атомов и молекул проис-
ходит тогда, когда передаваемая кинетическая энергия частицы или
фотона выше энергии связи электрона с ядром, если же энергия ниже
определенного уровня то происходит только возбуждение.
К ионизирующим излучениям относятся электромагнитные излу-
чения высоких энергий и потоки заряженных и незаряженных частиц.
Механизм передачи энергии веществу зависит от типа излучения и его
энергии.
31
Механизмы размена энергии электромагнитных ИИ
Ионизирующие электромагнитные излучения различаются по проис-
хождению и энергии, но обладают рядом общих характеристик. При про-
хождении через вещество излучения испытывают три вида взаимодействия:
фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект);
комптоновское рассеяние (комптонэффект);
процесс образования электронно-позитронных пар.
Вид взаимодействия электромагнитного излучения с веществом за-
висит от величины энергии кванта и от атомного номера облучаемого
вещества.
Фотоэффект заключается в том, что квант электромагнитного из-
лучения полностью передает свою энергию электрону атома, облучае-
мого вещества, в одном акте взаимодействия. В результате такого взаи-
модействия возникает свободный электрон (электрон отдачи), êèíå-
тическая энергия (Ек) которого равна энергии кванта (hv) за вычетом
энергии связи (W) электрона в атоме:
Ek = hv W.
Вероятность фотоэффекта тем выше, чем ближе совпадают значе-
ния hv и W. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда
энергия кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет
собой вещество с большим атомным номером (например, свинец). Для
атомов, входящих в состав воды и органических веществ, максималь-
ное значение W может быть принято равным 500 эВ. В сравнении с
энергией излучения, для которого характерен фотоэффект (до 200 кэВ),
эта энергия довольно мала. Поэтому почти вся энергия кванта переда-
ется электрону отдачи, который покидает оболочку атома и на своем
пути вызывает ионизацию атомов и молекул вещества.
Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах,
так как они не могут поглощать гамма-кванты. В тканях живых организ-
мов фотоэффект характерен только для низкоэнергетических электро-
магнитных излучений длинноволнового рентгеновского и γ-излучения с
энергией ниже 100 кэВ. С увеличением энергии облучения вероятность
фотоэлектрического взаимодействия с веществом уменьшается, и при
энергиях, значительно превышающих энергии связи электронов в атоме
(более 1 МэВ), им можно пренебречь. В этом случае излучение фотонов
ослабляется за счет комптоновского рассеяния.
Эффект Комптона, упругое рассеяние падающих фотонов излуче-
ния на свободных (или слабо связанных электронах внешней оболочки
32
атома) электронах, которым передается лишь часть энергии фотона,
при этом фотон изменяет направление своего движения. Следователь-
но, при комптоновском рассеянии энергия падающего кванта распре-
деляется между выбиваемым из атома электроном отдачи и вторичным
рассеянным фотоном. Вследствие соударения с фотонами электроны
отдачи приобретают значительную кинетическую энергию и расходу-
ют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).
Поскольку электроны у всех веществ одинаковы, то и изменение
длины волны вторичного фотона не зависит от свойств вещества, а
зависит только от угла рассеяния, а следовательно, и энергия электро-
на отдачи может изменяться в широких пределах: от 0 до некоторого
максимального значения, при этом образовавшийся быстрый электрон
ведет себя подобно фотоэлектрону.
Узкий пучок излучения в результате комптоновского рассеяния ста-
новится более широким, а само излучение более мягким. В последую-
щих соударениях вторичный фотон ступенчато передает свою энергию
электронам вещества до тех пор, пока ее остаток, близкий по значе-
нию к энергии связи электрона в атоме, не будет передан электрону
путем фотоэффекта.
Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимо-
действии с веществом γ-квантов большой энергии (>1,02 МэВ). Этот
процесс наблюдается при прохождении γ-кванта вблизи атомного ядра,
в поле которого и образуется пара заряженных частиц электрон и
позитрон. Вероятность такого типа размена энергии больше для тяже-
лых элементов, чем для легких.
Данный эффект может быть объяснен только с помощью представ-
лений квантовой механики. Из закона сохранения энергии следует,
что энергия кванта должна быть более суммы энергии покоя частиц
(2.0,511 МэВ), из чего вытекает, что 1,022 МэВ расходуется на образо-
вание «массы покоя» электрона и позитрона, а остаток энергии кванта
переходит в их кинетическую энергию:
Å
= hv ≥ 2m
γ
2
c
≈ 1,022 ÌýÂ; Å
e
= Åγ 2mec2 = hv 1,022 ÌýÂ.
ê
Позитрон, встретившись с любым свободным или орбитальным
электроном (вероятность этого возрастает с уменьшением кинетичес-
кой энергии позитрона) взаимодействует с ним, что приводит к воз-
никновению аннигиляционного
1
γ-излучения. В этом процессе, кото-
1
Столкновение частицы и античастицы (в данном случае электрона и позитрона
соответственно) приводит к их исчезновению (аннигиляции), превращению в два
фотона (кванта) электромагнитного излучения.
33
рому, в конце концов, подвергаются все позитроны, энергия массы
покоя частицы сообщается образовавшимся двум квантам аннигиляци-
онного излучения. Следовательно, энергия каждого вторичного γ-кванта
вдвое меньше энергии исходного γ-кванта, но не менее 0,511 МэВ.
Аннигиляционное γ-излучение поглощается в веществе путем компто-
новского рассеяния и затем фотоэффекта.
Таким образом, в зависимости от энергии падающего электромаг-
нитного излучения преобладает один из трех видов его взаимодействия
с веществом. В веществах, в состав которых входят атомы элементов с
низкими массовыми числами, что характерно для низкомолекулярных
органических веществ и биополимеров, при энергии электромагнит-
ного ИИ 0,1520 МэВ наибольшее значение в поглощении энергии
имеет упругое рассеяние, при меньших энергиях квантов фотоэф-
фект и соответственно при больших преобладает образование элект-
рон-позитронных пар.
При всех трех видах первичного взаимодействия электромагнитного
ИИ происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул веще-
ства, появляются несущие разную энергию быстрые электроны, кото-
рые в свою очередь, взаимодействуют с веществом, также ионизируя
и возбуждая атомы и молекулы.
Механизмы передачи энергии корпускулярных ИИ
Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц (корпус-
кул), характеризующихся массой, зарядом и скоростью, в соответ-
ствии с чем они подразделяются на легкие и тяжелые, заряженные и
незаряженные, быстрые и медленные.
При взаимодействии заряженных частиц с веществом выделяют
упругое и неупругое взаимодействие.
При упругом взаимодействии суммарная кинетическая энергия час-
тиц до взаимодействия равна суммарной кинетической энергии после
их взаимодействия. Следствие такого взаимодействия лишь измене-
ние направления движения частиц.
W1 + W2 = W1' + W2', где W1 и W2 кинетическая энергия до
взаимодействия, W1' и W2' кинетическая энергия после взаимодей-
ствия.
Неупругое взаимодействие это процесс, при котором часть кине-
тической энергии частиц расходуется на ионизацию и возбуждение
атомов, возбуждение ядер, расщепление ядер или тормозное излуче-
ние. При таком взаимодействии суммарная кинетическая энергия час-
34
тиц до взаимодействия будет равна суммарной кинетической энергии
частиц после взаимодействия плюс энергия Е, затраченная на иониза-
цию и возбуждение атомов, возбуждение и расщепление ядер или тор-
мозное излучение:
W1 + W2 = W1' + W2' + Å.
Взаимодействие заряженных частиц с веществом
Механизм передачи энергии при взаимодействии с веществом для
всех заряженных частиц одинаков. При прохождении через вещество
заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и
ядрами атомов. В результате взаимодействия с быстрой заряженной ча-
стицей электрон получает дополнительную энергию и переходит на
более отдаленный от ядра энергетический уровень, либо совсем поки-
дает атом. В первом случае происходит возбуждение, а во втором
ионизация атома. Этот процесс продолжается до тех пор, пока запас
энергии частицы не уменьшится настолько, что она потеряет ионизи-
рующую способность.
В зависимости от знака заряда при прохождении частицы через ве-
щество она испытывает электростатическое взаимодействие, то есть
притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер
атомов. Поскольку
взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы, и частица от-
талкивается, изменяя направление своего движения. Неупругое взаимо-
действие с атомными ядрами наблюдается, если α-частица обладает
достаточной энергией для преодоления кулоновских сил взаимодей-
ствия (тогда она проникает в ядро). При этом образуется промежуточ-
ное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, ней-
тронов или γ-квантов.
Упругое взаимодействие
трическом взаимодействии β-частиц с орбитальными электронами. β-
частица отталкивается от отрицательно заряженных электронов, изме-
няя направление своего движения. Упругое взаимодействие β-частиц с
атомными ядрами наблюдается в результате притяжения β-частиц к
положительно заряженным ядрам атомов (электрическое взаимодей-
ствие). Следствие такого взаимодействия изменение направления дви-
жения частиц.
При неупругом взаимодействии β-частиц с орбитальными электро-
нами происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул среды.
β-частицы расходуют свою энергию до тех пор, пока общий запас
энергии не уменьшится до такой степени, что частица теряет иониза-
αα
α
-частица положительно заряжена, то при упругом
αα
ββ
β
-частиц с веществом наблюдается при элек-
ββ
35
ционную способность. Неупругое рассеяние β-частиц на атомных ядрах
наблюдается, если β-частица имеет высокую энергию, а поглотителем
служит материал большой плотности. При этом β-частица тормозится в
электрическом поле ядра атома и теряет часть своей энергии. Следствие
такого взаимодействия возникновение тормозного (электромагнит-
ного) излучения. Интенсивность тормозного излучения определяется
энергией β-частиц и атомным номером поглотителя.
Траектория движения заряженных частиц зависит от их массы
чем больше масса летящей частицы, тем менее она отклоняется от
первоначального направления. Поэтому протоны, дейтроны, β-части-
цы и более тяжелые ядерные частицы двигаются практически прямо-
линейно, а траектория электронов (β-частиц) сильно изломана в ре-
зультате рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов.
Взаимодействие незаряженных частиц с веществом
Вследствие того, что нейтроны не имеют заряда, а их масса много
больше массы электронов, они обладают большой проникающей спо-
собностью и теряют свою энергию практически только при соударе-
нии с ядрами атомов. При этом возможно упругое и неупругое рассея-
ние нейтронов на ядрах.
В зависимости от энергии различают сверхбыстрые, быстрые, про-
межуточные, медленные и тепловые нейтроны.
Сверхбыстрые нейтроны (1050 МэВ). Их получают в ядерных реак-
торах, они возникают при ядерных взрывах. При взаимодействии с
тяжелыми элементами сверхбыстрые нейтроны вызывают деление их
ядер на 23 осколка. Во время каждого акта деления высвобождается
колоссальная энергия (около 200 МэВ) и вылетает 23 свободных
нейтрона, которые способны вызвать деление других ядер (цепная ре-
акция). Ядерные реакции сопровождаются возникновением α-излучения или заряженных частиц (α-частиц и др.), в результате чего могут
образовываться радиоактивные изотопы элементов и появиться наве-
денная радиоактивность.
Быстрые нейтроны (>100 кэВ). Образуются в результате ядерных
реакций. При соударении с ядрами атомов быстрые нейтроны передают
им часть своей энергии, образуя быстролетящие ядра (ядра отдачи).
Ядра отдачи, как и все заряженные частицы, тратят свою энергию на
ионизацию среды. Доля передаваемой ядру энергии возрастает с умень-
шением массы ядра. Так, при соударении нейтронов с ядрами водорода
(протонами) им передается до 60 % энергии нейтрона, так как массы
36
этих частиц практически равны. Быстрые нейтроны хорошо замедля-
ются легкими веществами, содержащими много атомов водорода: вода,
парафин, ткань, и свободно проходят через большие толщи тяжелых
веществ (свинец). При взаимодействии с ядрами нейтроны постепенно
замедляются вплоть до тепловых скоростей.
Промежуточные нейтроны (100эВ-1кэВ). Они чаще взаимодейству-
ют с веществом по типу упругого рассеяния.
Медленные (не более 1кэВ) и тепловые нейтроны (0,025 эВ). Медлен-
ные нейтроны захватываются ядрами атомов, в результате образуются
новые стабильные или радиоактивные изотопы. В водородсодержащих
веществах ядра водорода захватывают медленные нейтроны и превра-
щаются в ядра тяжелого водорода дейтерия. Радиационный захват
нейтронов сопровождается испусканием жестких γ-квантов с энерги-
ей, равной 2,18 МэВ. Для защиты от нейтронов с низкой энергией
необходимо использовать, кроме поглотителя (вода, бор или кадмий),
и экран из тяжелого материала (свинец, барий) для ослабления γ-
излучения.
В результате различных типов взаимодействия нейтронов с веще-
ством образуются протоны, α-частицы, ядра отдачи, γ-кванты, спо-
собные ионизировать и возбуждать атомы и молекулы. Следовательно,
конечный биологический эффект при нейтронном облучении связан с
ионизацией, производимой опосредованно вторичными заряженными
частицами и фотонами. Вклад того или иного вида ядерного взаимо-
действия зависит от энергии нейтронов и состава облучаемого веще-
ñòâà.
Контрольные вопросы:
1. Какие существуют виды ионизирующих излучений и в чем их
принципиальное отличие?
2. От чего зависят проникающая способность и плотность иониза-
ции ионизирующих излучений?
3. Какие выделяют виды взаимодействия электромагнитных иони-
зирующих излучений с веществом?
4. Какие выделяют виды взаимодействия корпускулярных ионизи-
рующих излучений с веществом?
37
Òåìà 2.
ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
И МЕТОДЫ ИХ РЕГИСТРАЦИИ
Лекция 4.
Дозы излучения
и их биологические эквиваленты
1. Дозы ионизирующих излучений и единицы их измерения
2. Линейная передача энергии и относительная биологическая
эффективность
3. Виды облучения
4. Понятие «малые дозы» и их биологическое действие на живые
организмы
5. Радиационный гормезис
Для оценки радиационного эффекта необходимо знать как количе-
ственную сторону процесса величину поглощенной энергии, так и
качественную его сторону распределение этой энергии в простран-
стве и времени.
1. Дозы ионизирующих излучений и единицы их измерения
Доза количество поглощенной энергии излучения от ионизации
в рассматриваемом объеме (массе) вещества.
Так как имеются существенные различия между действием радиа-
ции на неживое и живое вещество, а также реакциями различных
органов и тканей на разные виды излучения, то принято различать
несколько разновидностей доз: экспозиционная, поглощенная, экви-
валентная, эффективная и др.
Экспозиционная доза (Dэ) служит количественной мерой действия
ионизирующего излучения падающего на объект. Она характеризует
ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе.
Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию кван-
38
тового излучения в определенной массе воздуха и только при значени-
ях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков кэВ
äî 3 ÌýÂ.
Физическое воздействие любого ионизирующего излучения на ве-
щество связано, прежде всего, с ионизацией атомов и молекул. Исходя
из этого экспозиционная доза равна отношению электрического заря-
да ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе, при его облу-
чении фотонами, к массе воздуха:
Dý = q/Ì.
За единицу экспозиционной дозы в Международной системе еди-
ниц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг). 1 Кл/кг равен экспо-
зиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в
1 кг сухого атмосферного воздуха создаются ионы, несущие электри-
ческий заряд каждого знака, равный 1 Кл.
До настоящего времени используется внесистемная единица экспо-
зиционной дозы рентген (Р).
1Ð = 2,58.10
4
Êë/êã.
1 рентген равен экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-
излучения, при которой в 1 см3 воздуха (0,001293 г сухого воздуха)
при нормальных условиях (t = 0 °С и р = 1013 ГПа) в результате
завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излуче-
нием, образуется 2,08.109 пар ионов. Такая доза накапливается за 1 ч на
расстоянии 1 м от радиоактивного препарата радия массой 1 г.
Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем
затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см
9
воздуха составляет 2,08.10
.
34 = 7,08.104 ÌýÂ = 0,114 ýðã/ñì3, èëè â 1 ã
воздуха 88 эрг (0,114/0,001293 г = 88 эрг).
Производные единицы рентгена: килорентген (1кР = 103Р), милли-
рентген (1 мР = 103Р), микрорентген (1мкР = 106Р).
Для измерения экспозиционной дозы существует простой физичес-
кий метод, заключающийся в измерении суммарного заряда ионов,
образовавшихся под действием радиации в воздушной ионизационной
камере.
В биологическом отношении очень важно знать не просто дозу излу-
чения, которую получил объект, а дозу, полученную в единицу вре-
мени. Скорость приращения экспозиционной дозы (накопление дозы в
единицу времени) в поле излучения называется мощностью экспози-
ционной дозы (Рэ):
3
39
Ðý = Dý/t.
Единицей мощности экспозиционной дозы в СИ служит ампер на
килограмм (А/кг), внесистемная единица рентген в час (Р/ч) или
рентген в минуту (Р/мин) и т. д. Часто используют мР/ч, мкР/ч. Иног-
да в качестве единицы мощности экспозиционной дозы используют
кулон на килограмм в секунду (Кл/кг.с1). Так, если в облученном
воздухе измерен ток в 1 мкА/кг, это соответствует 1 мкКл/кг.с1.
Для оценки действия излучения на конкретный объект гораздо важнее
определить энергию, поглощенную им, чем энергию, падающую на
объект или прошедшую через него. В данном случае универсальной
мерой воздействия любого вида излучения на вещество является по-
глощенная доза.
Поглощенная доза (Dп) энергия ионизирующего излучения, пере-
данная массе вещества:
Dï = Å/m.
Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей (Гр).
Один грей соответствует поглощению 1 джоуля энергии (Дж) в кило-
грамме поглощенного вещества:
1 Ãð = 1 Äæ/êã.
Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. Один рад
соответствует поглощенной веществом энергии любого ионизирующе-
го излучения, равной 100 эрг/г:
1 ðàä = 2,39.106 êàë/ã = 0,01 Äæ/êã.
Соотношение новой единицы к старой выражается так:
1 Ãð = 100 ðàä (1 ðàä = 0,01 Ãð).
Поглощенная доза несомненно зависит от экспозиционной дозы.
Если известны величины экспозиционной дозы и коэффициента по-
глощения ткани, то можно рассчитать поглощенную дозу. Экспери-
ментально установить величину поглощенной дозы сложно. Выполнить
это можно, если тканеэквивалентные дозиметры с детекторами уста-
новить в полости тела или в его модели фантоме.
Мощность поглощенной дозы определяется как приращение дозы в
единицу времени и рассчитывается по отношению поглощенной дозы
излучения ко времени облучения:
Ðï = Dï/t.
Единица мощности поглощенной дозы грей в секунду (Гр/с), а
внесистемная единица рад в секунду (рад/с).
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]