Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы радиационной безопасности. Пособие для студентов инженерно-технических специальностей
.pdf
СС нашли широкое применение благодаря следующим преимуществам по сравнению с другими детекторами:
– возможность регистрации ионизирующих излучений любых видов;
– возможность измерения энергии исследуемых частиц или квантов;
– высокая разрешающая способность;
– высокая эффективность регистрации γ-излучения.
СС обладают более высокой эффективностью счета (до 100 %) и
разрешающей способностью по сравнению с газоразрядными. Разрешающая способность сцинтилляционных счетчиков достигает 10–5 с
при регистрации α-частиц и 10–8 с – при регистрации β-частиц и γ-
квантов. СС применяют также для регистрации нейтронного излучения. Однако указанные характеристики зависят от примененного
сцинтиллятора.
По составу сцинтилляторы делятся на неорганические и органические, а по агрегатному состоянию — на твердые, пластические, жидкие и газовые.
Из неорганических сцинтилляторов для регистрации β- и γ-излучений удобно использовать йодистый натрий (цезий),
активированный талием NaI(Tl), а также вольфрам кальция – CaWo4,
поскольку они могут быть получены в виде больших прозрачных монокристаллов. Для регистрации нейтронов применяют сцинтилляторы из йодистого лития – LiI(Sn), а тяжелых частиц (α-частиц, осколков деления) – сцинтилляторы на основе сернистого цинка (кадмия),
активированного серебром ZnS (Ag). Неорганические сцинтилляторы обладают довольно большим временем высвечивания (большое
мертвое время) –10–6 с.
Основные характеристики твердых сцинтилляторов:
– конверсионная эффективность, т. е. высокая общая энергия фотонов относительно потери энергии частицей в сцинтилляторе;
– спектральный состав световой вспышки, излучаемой сцинтиллятором. Характеризует интервал длин волн и определяется спектральной характеристикой;
– длительность световой вспышки. Определяется постоянной высвечивания и характеризует разрешающую способность счетчика.
Из органических сцинтилляторов используют монокристаллы антрацена (С14Н10), стильбена (C14H12), паратерфинила
(С13Н14), пластмассы (твердые растворы сцинтилляторов на основе
полистирола и поливинилтолуола), жидкие фосфоры (например,
раствор терфинила) и инертные газы – гелий, аргон, неон и др. Органические и газовые сцинтилляторы характеризуются очень малым
временем высвечивания (10–8–10–9 с).
51
Весь сцинтилляционный счетчик (сцинтиллятор и ФЭУ) 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.
4.2. Дозиметрические приборы
Большинство современных дозиметрических приборов работает
на основе ионизационного метода. Основными узлами приборов являются: детекторы излучения; электрическая схема преобразования
импульсов; измерительные или регистрирующие устройства.
Дозиметрические приборы классифицируются по назначению,
типу датчиков, измеряемому виду излучения, характеру преобразуемых электрических сигналов.
По классификации ОСТ 95357-75 в обозначении прибора первая
буква обозначает: Д – дозиметрический, Р – радиометрический,
С – спектрометрический прибор, вторая – вид контроля (РК – радиометр комбинированный, РЗ – радиометр для определения загрязнения, СЭ – спектрометр для определения распределения по энергиям),
а третья – вид излучения: А – α, Б – β, Г – γ, Н – нейтронное, П – протонное, Т – тяжелые частицы, С – смешанное. Цифрами обозначают
номер модели и номер модификации. С практической точки зрения
наибольший интерес представляет первый признак.
По назначению приборы разделяют на следующие группы.
Индикаторы – простейшие приборы радиационной разведки,
предназначенные для обнаружения излучения и ориентировочной
оценки мощности дозы β- и γ-излучений. Датчики – газоразрядные
счетчики. К этой группе относятся индикаторы ДП-63, ДП-64.
Рентгенметры служат для измерения мощности дозы рентгеновского и γ-излучений. Диапазон измерений – от сотых долей до нескольких сотен рентген в час. В качестве датчиков используются ионизационные камеры и газоразрядные счетчики. Такими приборами
являются ДП-2, ДП-3, ДП-5 (А, Б и В), «Кактус».
Радиометры применяются для обнаружения и определения степени радиоактивного заражения поверхностей, одежды, воздуха,
главным образом α- и β-частицами. Возможно измерение небольших
уровней γ-излучения. Датчики – газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. Такими приборами являются ДП-12, β-γ-радиометр "Луч
А", радиометры "Тисс", БЕТА, КРБ-1, установки ДП-100М, СРП-88Н.
Дозиметры предназначены для определения суммарной дозы,
главным образом γ-излучения, получаемой человеком в зоне радиационного воздействия. Индивидуальные дозиметры (комплекты ДК-02,
ДП-22В, ДП-24, ИД-1, ИД-11 и др.) представляют собой малогаба-
52
ритные ионизационные камеры или фотокассеты с пленкой. Бытовые дозиметры регистрируют мощность эквивалентной дозы («РАТОН 901») и экспозиционной дозы γ-излучения («СОСНА»).
Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных дозиметрических приборов.
Индикатор-сигнализатор ДП-64 применяется для постоянного
радиационного наблюдения и оповещения о радиоактивной зараженности местности. Детектор – газоразрядный счетчик СТС-5. Прибор дает звуковой и световой сигналы при достижении на местности
мощности дозы излучения 0,0143 мкА/с (200 мР/ч).
Измеритель мощности дозы ИМД-21 измеряет мощность экспозиционной дозы γ-излучения от 0,072 до720 мкА/с (1–104 Р/ч) в
энергетическом диапазоне от 80 кэВ до 2,6 МэВ.
Радиометр-рентгенметр ДП-5А служит для измерения мощности экспозиционной дозы γ-излучения в диапазоне от 0,00358 до
14,4 мкА/с (0,05 мР/ч –200 Р/ч) (шесть поддиапазонов). Детекторы – галогенные ГРС типа СТС-5 и СИ-ЗБГ.
Радиометр БЕТА предназначен для измерения плотности потока β-час тиц с энергией более 0,156 МэВ в диапазоне 10–1500 частиц/(мин · см2). Детектор – торцовый галогенный счетчик Гейгера
марки СБТ-10А.
Бытовой радиометр-дозиметр АНРИ-01 «СОСНА» регистрирует γ-излучение с Е = 0,06…1,5 МэВ и β-излучением с Е = 0,5…3 МэВ.
В радиометрическом режиме измеряет плотность потока β-частиц в
диапазоне 10–5000 частиц/(мин·см2).
Комплект индивидуальных дозиметров ИД-1 предназначен для
измерения поглощенных доз γ-излучения в диапазоне 0,2–5 Гр (20–
500 рад) с мощностью дозы от 0,1 до 366000 Гр/ч (10–3660 рад/ч).
Детектор – ионизационная камера.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие существуют методы регистрации ионизирующих излучений?
2. Как работает ионизационная камера?
3. Какие известны химические детекторы ионизирующих излучений?
4. Как устроен сцинтилляционный детектор?
5. На какие группы разделяются дозиметрические приборы?
53
5. ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИАЦИЯ
Основную часть облучения население земного шара получает от
естественных источников радиации, к которым относятся:
− космическое излучение;
− космогенные радионуклиды;
− земная радиация.
5.1. Космическое излучение
Космическое излучение, которое образуется в мировом пространстве и на Солнце, до попадания в атмосферу Земли называется
первичным космическим излучением. Оно складывается из частиц,
захваченных магнитным полем Земли, галактического космического
излучения и корпускулярного излучения Солнца и состоит главным
образом из протонов (92 %) и альфа-частиц (6 %). Небольшая доля
(2 %) приходится на более тяжелые ядра, электроны, нейтроны и фотоны. Следовательно, основная компонента первичного космического излучения – ядерная. Частицы первичного космического излучения имеют очень большую энергию в диапазоне от 106 до 1020 эВ.
В земной атмосфере энергия первичного космического излучения
растрачивается на взаимодействие с атомами воздуха и рождение нового излучения. В результате на уровне моря космическое излучение
состоит почти полностью из мюонов, нейтронов, β-частиц и γ-квантов, также обладающих высокой энергий и скоростью. Это вторичное
космическое излучение.
В результате ядерных реакций, идущих в атмосфере под влиянием
космических лучей, образуются радиоактивные ядра – к о с м о г е н ные радионуклиды. Например,
n + N14 → H3 + C12 ; p + N14 → n + C14.
Это в основном 1H3, 4Be7, 4Be10, 6C14, 15P32, 15P33, 16S32, 16S35, 17Cl36,
Cl39. Эти радионуклиды называются космогенными, так как образо-
17
вались под действием первичного космического излучения.
Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерно. Интенсивность
космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем
моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно – в экваториальных областях. Причина этого – магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического
излучения, т. н. широтный эффект, который открыл А. Комптон. Наибольший эффект действия космического внешнего облучения свя-
54
зан с зависимостью космического излучения от высоты. На больших
высотах интенсивность этого излучения больше (табл. 5.1)
Таблица 5.1
Возрастание с высотой мощности эквивалентной дозы облучения за счет
космических лучей
Высота над уровнем моря, м
0
2000
4000
8000
10000
12000
20000
Мощность дозы,
мкЗв/ч
0,03 0,30
0,1 0,90
0,2 1,75
1,0 8,00
2,9
5,0
12,7
Среднегодовая доза,
мЗв/год
Люди, живущие на территории, расположенной на уровне моря,
получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу 300 мкЗв/год. На высоте 2000 м эта величина в несколько раз больше. Еще более интенсивному облучению подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. Так, примерная доза за перелет
Нью-Йорк – Париж составляет 50 мкЗв. Всего за счет использования
воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу 2000 чел.Зв.
Мощность поглощенной дозы космического излучения в воздухе
на уровне моря равна 32 нГр/ч и формируется в основном мюонами.
Для нейтронов на уровне моря мощность поглощенной дозы составляет 0,8 нГр/ч, а мощность эквивалентной дозы – 2,4 нЗв/ч. За счет
космического излучения большинство населения получает дозу, равную около 0,35 мЗв в год.
В величину дозы наибольший «вклад» вносят H3, Be7, C14, Na22, которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм
человека
Радионуклид Поступление, Бк/год
3
Ве
C
Na
H
7
14
22
250
50
20000
50
Годовая эффективная доза,
мкЗв
0,004
0,002
12,000
0,150
Тритий Н3 (период полураспада – ППР – 12,34 г.). Он превращается в атмосфере в третированную воду, с осадками выпадает на зем-
55
ную поверхность и участвует в круговороте воды. Его содержание в
континентальных водах – 200–9000 Бк/м
3
, океанических – 100 Бк/м3 .
Общий запас трития в биосфере – 1,3 · 1018 Бк.
Be7 (ППР – 53,6 суток, вид распада – бета) – короткоживущий
радионуклид. Концентрация в приземном воздухе – 3 · 10–3 Бк/м3. С
дождевой водой он поступает в растения, с зелеными овощами – в
организмы животных и человека.
14
(ППР – 5730 лет, вид распада – бета) – окисляется и вместе
С
с обычным газом вовлекается в биотический круговорот. Средняя
концентрация в растительных и животных тканях – 27 Бк/кг. Общее
содержание С14 – 8,5 · 1018 Бк.
Na22 (ППР – 2,62 г.) присутствует в биосфере в значительно меньшем объеме. Его общее содержание на планете – 4 · 10
рых на биосферу приходится 8 · 10
13
Бк.
14
Бк, из кото-
Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при
средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/г.
5.2. Земная радиация
В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада ≥107 лет. Эти естественные излучатели присутствуют на нашей планете с момента ее возникновения и рассеяны преимущественно в горных породах земной
коры. Наиболее распространенными представителями этой группы являются следующие радионуклиды: 19K40, 23V50, 37Rb87, 49In
123
Te
52
, 57La
138
, 71Lu
176
, 75Re
187
, 60Nd
144
, 62Sm
147
, 90Th
232
, 92U
232
Период полураспада этих изотопов настолько велик, что за время существования Земли (≈ 109 лет) они еще не распались.
Вторую группу радионуклидов, присутствующих в земной коре,
составляют члены радиоактивных семейств. В трех радиоактивных
семействах: урана (U
238
), тория (Th
232
) и актиния (Ас
235
) – в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Концентрация их в породах земной коры различна и в
среднем составляет: уран – 2,5–3, торий – 10–13, калий – 16–25, рубидий – 40 г/т. В результате присутствия этих элементов за каждую
минуту в 1 кг вещества земной коры распадается в среднем 60 тыс.
ядер К40, 15000 ядер Rb87, 2400 ядер Th
232
, 2200 ядер U
238
.
Третью группу радионуклидов, присутствующих в земной коре,
образуют космогенные радионуклиды, опустившиеся на землю из атмосферы, где они возникли под действием космического излучения.
Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения,
которую человек получает за год от земных источников, составляет
56
, 92U
115
238
,
.
около 0,35 мЗв, т. е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.
Уровень земной радиации неодинаков для различных мест земного шара. Примерно 95 % населения проживает в местностях, где
мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 мЗв/год.
Но есть места с очень высоким уровнем земной радиации. Например,
необитаемая возвышенность у города Пасус-ди-Калдас (Бразилия,
200 км от Сан-Паулу) – до 250 мЗв/г. Гуарапари (Бразилия, город
с населением 12000 человек, и летом там бывает 30000 туристов) –
на пляжах до 175 мЗв/г (стоит на песках, богатых торием). Рамсер
(Иран) – до 400 мЗв/г (бьют ключи, богатые радием).
Человеческий организм подвергается облучению двумя путями:
внешним облучением и внутренним за счет радиоактивных веществ,
попадающих в организм с воздухом и пищей, водой.
Внешнее облучение человека формируется из нескольких источников:
1. Космическое излучение.
2. Радионуклиды земной коры.
3. Искусственные источники радиации в промышленности, меди-
цине, бытовой технике.
4. Облучение человека за счет радиоактивных загрязнений, вызванных хозяйственной или, точнее, бесхозяйственной деятельностью человека (АЭС, ядерные испытания, отработка использованного
ядерного топлива и т. д.), т. е. техногенный радиационный фон.
Земные источники радиации ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 80 % годовой эффективной
эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном, вследствие
внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи,
главным образом, путем внешнего облучения (табл. 5.3).
Внутреннее облучение обусловлено радионуклидами, попадающими в организм человека с воздухом (ингаляционный путь), пищей
(пероральный путь) и через кожу (перкутанный путь).
Облучение может происходить за счет радионуклидов, содержащихся в земной коре. Они поступают в организм с пищей и ингаляционным путем. Содержание радионуклидов земной коры в организме
выше, чем космогенных радионуклидов. Главным дозообразующим
радионуклидом является K40. Концентрация его в организме у мужчин выше, чем у женщин, что обусловлено большей мышечной массой. Содержание калия в организме человека нарастает от рождения
в течение 20 лет, а концентрация растет у девочек до 10 лет и у юношей до 18 лет и затем медленно убывает. Аналог K40 по химическим
свойствам рубидий (Rb87) дает вклад существенно меньше. Годовая
эквивалентная доза, создаваемая Rb87, составляет 4 мкЗв, в то время
как создаваемая K40 – 170 мкЗв.
57
Средние годовые эффективные эквивалентные дозы облучения от естест-
венных источников радиации (в миллизивертах в год)
Таблица 5.3
Источник излучения
Космические лучи 0,355 0,015 0,37
Радиоизотопы земной коры:
калий-40
ряд урана-238
(включая радон-222)
ряд тория-232
(включая радон-220)
Доза естественного фона 0,80 1,60 2,40
Внешнее
облучение
0,15 0,18 0,33
0,10 1,24 1,34
0,16 0,18 0,34
Внутреннее
облучение
Полная
доза
Следующим источником радиоактивного влияния на человека
являются члены радиоактивных семейств U
232
Th
238
U
рез органы пищеварения, для Th
208
– Pb
. Так, поступление в организм радионуклидов семейства
составляет в среднем 5 Бк ингаляционным путем и 115 Бк – че-
232
– 0,4 и 45 Бк соответственно.
238
Кроме того, в цепочке распадов присутствуют радиоактивные Ra
228
Ra
. Здесь поступление через легкие составляет около 0,01 Бк в год
– Pb
206
, U
235
– Pb
207
226
и
и
и через пищеварительный тракт с водой и продуктами питания – 15 Бк в
год каждого изотопа. Основная часть дозы формируется при ингаляционном поступлении радионуклидов изотопов радона и его дочерних продуктов распада.
Вклад космогенных нуклидов в суммарную дозу, обусловленную
естественным радиационным фоном, невелик. Среди большого числа
космогенных радионуклидов, которые образуются в результате взаимодействия космического излучения с ядрами земной атмосферы,
только четыре радионуклида вносят существенный вклад: H3, Be7,
C14 и Na22 (см. табл. 5.2).
В Беларуси типичная мощность экспозиционой дозы от естественных γ-источников – 0,7–1,0 А/кг воздуха (10–15 мкР/ч), что близко
соответствует указанному в таблице 5.1 значению дозы внешнего облучения (2,4 мЗв/год).
Наибольшую дозу внутреннего облучения человек получает от
нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от
нуклидов ряда тория-232. Некоторые из них, например нуклиды
свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе, моллюсках, мясе. Дозы внутреннего облучения
от полония-210 в этих случаях могут в 30–70 раз превышать средний
уровень.
58
5.2.1. Радон
Относительно недавно ученые установили, что наиболее весомым
из всех естественных источников радиации является радон.
Изотопы радона-222, 220 и 219 являются членами соответствующих радиоактивных семейств U
, Th
232
и U
235
. Так как период по-
238
лураспада радона-220 равен всего 54,5 с, а радона-219 – 3,9 с, то в атмосферу поступает преимущественно радон-222, у которого период
полураспада составляет 3,82 суток. Поэтому вклад в суммарную дозу
облучения радона-222 примерно в 20 раз больше, чем остальных его
изотопов.
Если распад урана или тория происходит не в монолитной, а в измельченной породе, то на этапе образования радона он может переместиться в атмосферу. Радон – это тяжелый газ, в 7,5 раза тяжелее
воздуха, не имеющий цвета, вкуса и запаха. Попадая в атмосферу, радон переносится воздушными массами, продолжая распадаться, что
сопровождается образованием новых радиоактивных изотопов и радиоактивных излучений:
α α β β α
222
Rn
86
→ 84Po
3,82 дня 3,05 мин 26,8 мин 19,7 мин 1,6·10–4 с
β β α
→ 82Pb
210
218
→ 82Pb
→ 83Bi
22,3 года 5,01 сут 138,4 сут
210
214
→ 83Bi
→ 84Po
214
210
→ 82Pb
→ 84Po
206
(стаб.).
214
→
При распаде радона в воздухе появляются электрически заряженные коротко- и долгоживущие α- и β-активные аэрозоли Ро, Bi, Рb,
которые оседают на частички атмосферной пыли и переносятся вместе с ней, попадая в органы дыхания. Следовательно, радиоактивность
воздуха обусловлена радоном и дочерними продуктами его распада.
β-активность воздуха обусловлена преимущественно генетически
связанными изотопами свинца-214 и висмута-214, α-активность –
изотопами радона и полония.
Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара. При среднем уровне концентрации радона примерно
2 Бк/м3 есть регионы с более высокой и более низкой концентрацией,
например на юге Франции – 9,3, Маршалловых островах – 0,2 Бк/м3.
Согласно текущей оценке Научной комиссии по действию атомной радиации (НКДАР) ООН, радон вместе со своими дочерними
продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4
годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, полученной населением от земных источников радиации, и
примерно за половину этой дозы от всех естественных источников
радиации (рис. 5.1)
59
Рис. 5.1. Дозы облучения, получаемые человеком в обычных условиях за год от
(под обычными условиями понимается проживание на незагрязненной террито-
природных источников радиации
рии и отсутствие аварийного облучения)
В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых
помещениях примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Главный источник радона в закрытых помещениях – это грунт, строительные материалы, вода и природный газ, которые добываются из недр
Земли (табл. 5.4). Например, в домах с земляными подвалами концентрация радона может в 100 раз превышать его средний уровень в
наружном воздухе. В многоэтажных домах концентрация радона значительно ниже на верхних этажах.
Самые распространенные материалы – дерево, кирпич – выделяют относительно немного радона. Гораздо большей радиоактивностью обладают гранит, пемза, глинозем, фосфогипс.
Менее важный источник поступления радона в жилые помещения
представляют собой вода и природный газ. Вода из некоторых глубинных источников содержит очень много радона. Наибольшая зарегистрированная удельная радиоактивность воды составляет 100 млн Бк/м3, а
наименьшая равна нулю. В среднем, по оценкам НКДАР ООН, среди
Мощность излучения различных источников радона
(в килобеккерелях в сутки)
Источник радона Мощность излучения
Природный газ 3
Вода 4
Наружный воздух 10
Стройматериалы и грунт под зданием 60
60
Таблица 5.4
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]