Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
методичка_дозиметрия_12_мар.doc
Скачиваний:
28
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.46 Mб
Скачать

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Национальный исследовательский университет

Естественный радиационный фон. Определение мощности дозы естественного радиационного фона и искусственного источника радиации

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методической комиссией химического факультета для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальностям 020101 «Химия», 020801 «Экология», 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»

Нижний Новгород

2013

УДК 541.15

ББК Г13

О – 60

О – 60 ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ДОЗЫ ЕСТЕСТВЕННОГО РАДИАЦИОННОГО ФОНА И ИСКУССТВЕННОГО ИСТОЧНИКА РАДИАЦИИ: Составитель: Учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2013. – 32 с.

Рецензент:

В настоящем учебно-методическом пособии изложены основы дозиметрии ионизирующих излучений. Описаны составляющие естественного радиационного фона. При выполнении лабораторной работы студент знакомится с дозиметрическими приборами и определяет мощности доз, создаваемых естественным радиационным фоном и искусственными источниками излучения, использует компьютерные технологии для определения дозиметрических характеристик.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальностям 020101 «Химия», 020801 «Экология», 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники», изучающих курс «Радиохимия и радиоэкология».

Ответственный за выпуск

заместитель председателя методической комиссии

химического факультета ННГУ

...........................

УДК 541.15

ББК Г 13

© Нижегородский государственный университет

им. Н.И. Лобачевского, 2013

Цель работы: определить при помощи дозиметрического прибора мощность дозы, создаваемой естественным радиационным фоном, в том числе его радоновой составляющей, природными объектами и искусственным источником излучения. Рассчитать мощность дозы от источника Cs-137 и сравнить с экспериментально найденной (по показаниям дозиметра).

  1. Основные понятия дозиметрии

Дозиметрия (ионизирующих излучений) - это раздел прикладной ядерной физики. Предметом ее исследования является определение физических величин, характеризующих воздействие ионизирующих излучений на среду. Она имеет дело с физическими величинами, которые связаны с ожидаемым радиационным риском. Такие характеристики называют обычно дозиметрическими. Установленная связь между измеряемой физической величиной и ожидаемым радиационным эффектом - важнейшее свойство дозиметрических величин.

Задачей дозиметрии является разработка методов и средств измерения дозиметрических величин, измерение и расчет доз в полях источников излучений и в биологических объектах.

Различные виды излучения оказывают разное химическое, биохимическое и биологическое действие. Эффект облучения ионизирующими излучениями зависит от поглощенной энергии. Мерой поглощенной энергии является доза облучения.

Количественное определение дозы облучения, действующей на живой организм, необходимо, прежде всего, для выявления, оценки и предупреждения возможной радиационной опасности для человека. В этой связи насущным является вопрос об уровне профессиональной культуры, необходимым элементом которой должно быть понимание природы опасных факторов, сопутствующим развитию новых технологий, и тех реальных последствий, которые они могут вызвать.

Дозиметрия основывается на законах прохождения заряженных частиц, нейтронов, γ- и рентгеновских лучей через вещество. Все эти процессы сопровождаются поглощением энергии излучения в ионизируемой среде.

Важный аспект приложения дозиметрии – охрана окружающей природной среды, неотъемлемым компонентом которой являются радиационные поля и рассеянные радионуклиды естественного и искусственного происхождения.

Основные понятия дозиметрии: активность, доза поглощенная (D), мощность дозы (p), доза в органе или ткани (DT), доза эквивалентная (HT,R), доза эффективная (E), доза эквивалентная (HT(τ)) или эффективная (E(τ)) ожидаемая при внутреннем облучении, доза эффективная (эквивалентная) годовая, доза эффективная коллективная, доза предотвращаемая, доза экспозиционная (X).

Активность. Количество ядер dN, испытывающих превращения в единицу времени dt, характеризует активность A или скорость радиоактивного распада dN/dt. Скорость радиоактивного распада A зависит от числа радиоактивных ядер N и их природы:

A = dN/dt = -λN,

где λ - радиоактивная постоянная, связанная с периодом полураспада T1/2 соотношением:

λ = (ln 2)/T1/2.

Единица активности в системе СИ – беккерель (Бк), названная в честь Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивного распада, соответствует одному распаду в секунду:

1 Бк = 1 распад/с.

Внесистемная единица активности кюри (Ки) названа по имени Марии Кюри, известного ученого-радиохимика, основоположника учения о радиоактивности:

1 Ки = 3,7 ·1010 Бк.

Активность, равная 1 кюри, соответствует активности 1 г изотопа Ra-226.

Доза поглощенная (D) – величина энергии излучения, переданная веществу:

D = de/dm,

где de – средняя энергия, переданная веществу, находящемуся в элементарном объеме, dm – масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленному на массу этого объема. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название – грей (Гр) (Льюис Харольд Грей – ученый, внесший большой вклад в становление радиационной дозиметрии). Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад (radiation absorbed dose) равна 0,01 Гр.

Мощность дозы. Доза облучения, отнесенная к единице времени, называется мощностью дозы p. Мощность дозы в общем случае может быть непостоянной во времени. Если p1 – мощность дозы в момент времени t, то доза за интервал времени от t1 до t2 составляет величину:

.

Если p = const, то

D = (t2 – t1)p.

Доза в органе или ткани (DT) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

,

где mT - масса органа или ткани, а D – поглощенная доза в элементе массы dm.

Эквивалентная доза (HT,R).

Разные типы излучения оказывают неодинаковое биологическое действие. Если плотность ионизации при передаче энергии велика, как это имеет место, например, при облучении альфа-частицами или протонами, то молекулы белка могут быть разорваны в нескольких местах и их повреждения становятся необратимыми, так как защитные механизмы организма не могут их восстановить. Образующиеся свободные радикалы весьма токсичны и могут нанести дополнительный вред организму. При облучении электронами или рентгеновскими и гамма-лучами степень разрушения молекул белка, как правило, значительно меньше, что позволяет защитным силам организма в какой-то мере восстановить молекулы. Для учета особенностей воздействия различных типов излучения на биологические объекты необходимо рассматривать величину линейной плотности ионизации и линейной передачи энергии для различных видов излучения с различной энергией. Исходя из этих величин, определяют значения коэффициентов, которые необходимо учитывать при оценке воздействия тех или иных видов излучения на биологические объекты. Эти коэффициенты называются взвешивающими. Их значения для ряда излучений приведены в табл. 1 (взяты из Норм радиационной безопасности).

Таблица 1. Взвешивающие коэффициенты WR для отдельных видов излучения

Вид излучения

WR

Фотоны любых энергий

1

Электроны и мюоны любых энергий

1

Нейтроны с энергий менее 10 кэВ

5

от 10 кэВ до 100 кэВ

10

от 100 кэВ до 2 МэВ

20

от 2 МэВ до 20 МэВ

10

более 20 МэВ

5

Протоны с энергией более 2 МэВ

5

Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

20

Доза эквивалентная (HT,R) – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, WR:

HT,R = WRDT,

где DT – средняя поглощенная доза в органе или ткани T, а WR – взвешивающий коэффициент для излучения R (Табл. 1).

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

Hm = ΣHT,R.

Единицей эквивалентной дозы является Зиверт (Зв) (Рольф Зиверт – первый председатель Международной комиссии по радиологической защите, созданной в 1928 г). Иногда в литературе встречается старая внесистемная единица эквивалентной дозы бэр (в иностранной литературе rem).

1 бэр = 1 · 10-2 Зв.

Доза эффективная (E) – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

E = Σ WT · HT,

где HT – эквивалентная доза в ткани T или органе, а WT – взвешивающий коэффициент для органа или ткани T.

Наиболее чувствительными к радиации являются кроветворные органы, гонады, легкие, щитовидная железа, желудок. Соответствующие взвешивающие коэффициенты приведены в таблице 2.

Таблица 2. Взвешивающие коэффициенты WT для тканей и органов

Тип ткани или органа

WT

Гонады

0.2

Костный мозг (красный)

0.12

Легкие

0.12

Желудок

0.12

Щитовидная железа

0.05

Кожа

0.01

Единица эффективной дозы – зиверт (Зв).

Именно величина эффективной дозы характеризует воздействие излучения на человека, поэтому предельно допустимые уровни облучения выражаются в единицах эффективной дозы. В табл. 3 приведены пределы годовой эффективной дозы, установленные Нормами радиационной безопасности НРБ-99.

Персонал группы А – это лица, работающие с источниками техногенных ионизирующих излучений. Персонал группы Б – это лица, которые могут находиться по условиям работы в сфере воздействия источников. Нормы для персонала группы Б не должны превышать 25% от норм для персонала группы А.

Таблица 3. Основные годовые дозовые пределы.

Лица из персонала (группа А)

Эффективная доза за год

Лица из населения

Эффективная доза за год

20 мЗв (2 бэр) в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв (5 бэр) в год

1 мЗв (0.1 бэр) в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв (0.5 бэр) в год

Доза эквивалентная HT(τ) или эффективная E(τ) ожидаемая при внутреннем облучении – это доза за время τ, прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм:

,

где τ0 – момент поступления, а HT(τ) – мощность эквивалентной дозы к моменту времени τ в органе или ткани T. Когда τ не определено, то его следует принять равным 50 годам для взрослых и (70 - τ0) для детей.

Доза эффективная (эквивалентная) годовая – сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за тот же год.

Доза эффективная коллективная – мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единицей эффективной коллективной дозы является человеко-зиверт (чел-Зв).

Доза предотвращаемая – прогнозируемая доза вследствие радиационной аварии, которая может быть предотвращена защитными мероприятиями.

Доза экспозиционная (Х) является специфической дозой фотонного излучения: рентгеновского и γ - излучения.

Экспозиционная доза X равна абсолютному значению полного заряда ионов одного знака, которые образуются в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонным излучением в единице массы воздуха dm:

X = dQ/dm,

где dQ – суммарный заряд всех ионов одного знака, созданный в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами в массе воздуха dm.

Единицей экспозиционной дозы является Кл/кг. Значение 1 Кл/кг соответствует экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в воздухе массой 1 кг, производят ионы, несущие электрический заряд 1 Кл каждого знака. В практике и научной литературе распространена также единица экспозиционной дозы рентген (P). Ее название дано по имени немецкого ученого В.К.Рентгена, открывшего X-лучи (рентгеновское излучение).

1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг,

1 Кл/кг = 3,88 · 103 Р.

Следует отметить, что хотя экспозиционная доза относится к сухому воздуху при нормальных условиях, тем не менее ее применение для биологических объектов оправдано, так как воздух (смесь газов N2 – 75%, O2 – 23%, CO2 – 0.05%, Ar, Ne, Xe, Kr, H2O – 1.85%) и мягкие ткани человеческого тела состоят из элементов с близкими атомными номерами Z.

В последних нормативных документах понятие экспозиционной дозы не приводится.

Экспериментальная техника дозиметрии связана с применением ионизационных камер, ионизационных счетчиков заряженных частиц, полупроводниковых и сцинтилляционных счетчиков. Для относительных измерений используются также фотоэлектрические, фотографические фотохимические методы. Абсолютные измерения энергии производят калориметрически. Шкала прибора калибруется либо в значениях мощности дозы либо в единицах скорости счета.

Иногда оценивают мощность дозы γ - излучения, не прибегая к измерениям. Если имеется точечный источник γ - излучения с известной активностью A (так называемый образцовый источник), в котором распад каждого ядра сопровождается испусканием одного или нескольких γ - квантов nγ с энергией Eγ, то в некотором участке пространства, находящемся на расстоянии R от источника, мощности дозы p будет соответствовать величина, рассчитанная по формуле:

p = (AnγKγ)/R2,

(1)

где Kγ - γ-ионизационная постоянная, определяющая зависимость мощности дозы от энергии фотона.

Если измерять мощность дозы в Р/ч, активность в мКи и расстояние в см, то γ-ионизационная постоянная Kγ в этом случае будет равна мощности дозы излучения, создаваемой источником активностью 1 мКи при nγ = 1 в точке пространства, удаленной от источника на расстояние R = 1 см. Размерность Kγ в этом случае будет (Р·см2)/(мКи·ч).

  1. Радиационный фон