§5.2. Методы регистрации радиоактивных излучений. Идеи.Принципы.

При регистрации радиоактивных излучений решаются задачи: экспериментального обнаружения частиц,фиксация плотности потока частиц,определения их физических характеристик (энергии, заряда, массы и т.д.). Решение этих задач составляет раздел — радиометрию. Система регистрации излучения принципиально включает два устройства: детектор и измерительную аппаратуру. В детекторе происходит взаимодействие частицы с веществом, создается сигнал. Измерительная аппаратура воспринимает сигнал и переводит его в удобную форму для отождествления.

В большинстве детекторов сигнал образуется за счет ионизации атомов вещества при движении в нем радиоактивной частицы,что ведет к появлению свободных зарядов. Детекторами такого типа выступают:

• ионизационная камера, камера Вильсона;

• счетчики газовые (пропорциональные, Гейгера —Мюллера);

• кристаллические (полупроводниковые) счетчики.

В детекторах другого типа используется тот факт, что при прохождении частицы через вещество происходит возбуждение атомов и их последующее высвечивание в оптическом спектре (сцинтилляционные счетчики). В качестве сцинтиллятора используются сернистый цинк гпБ.иодистый натрий Nal, некоторые жидкости,пластмассы и т.д.При движении быстрых частиц (чаще электронов) со скоростью большей,чем фазовая скорость света в данной среде, в узком конусе около направления движения частицы возбуждается направленное видимое свечение — излучение Черенкова. Еще одним видом детекторов является фотоэмульсия. Частица, попадающая в эмульсию, приводит к образованию в ней скрытого изображеиии.

Сигнал, если это ток, непосредственно усиливается электронной аппаратурой; если это свет, то вначале свет преобразуется в ток с помощью фотоэлементов (фотоумножителей) и затем ток усиливается или подвергается последующим преобразованиям в удобную для регистрации форму.На рис.У.З.приведена принципиальная схема счетчика Гейгера — Мюллера, широко используемого в практической дозиметрии. Между анодом (вольфрамовая нить) и катодом (цилиндр из меди или алюминия) поддерживается разность потенциалов. Частица,влетевшая в счетчик,ионизирует газ,создавая в нем свободные заряды —электроны и ионы, что приводит к возникновению в детекторе тока.

Рис V.3 Принципиальная схема газового счетчика измерений-(а); вид электрического поля в пространстве а-к * (б).

Специальная "структура" электрического поля в счетчике (рис.У.Зб) создает условия для предварительного усиления первичного импульса тока в детекторе за счет вторичной ионизаций газа в прианодном пространстве.

§5.3. Действие радиации на человека. Дозы радиационного облучения.

Биологическое действие радиоактивности впервые обнаружил А.Беккерель — "ожог" кожи от пробирки с радиоактивным препаратом, которую он носил в нагрудном кармане. М.Кюри и ее дочь И.Кюри умерли вследствие радиоактивного облучения. Считают, что до полного осознания опасности радиоактивности для человека умерли не менее 336 человек.

Биологический эффект от радиоактивных частиц обусловлен их большой начальной энергией и электрическим зарядом у а и () —

частиц. Попадание частиц в живую ткань ведет к возбуждению и ионизации атомов, выбиванию атомов из молекул, "сшиванию" отдельных молекул в одно целое или "разрыву" молекул белка на части и т.д. Захват электронов другими атомами приводит к появлению в биологической ткани ионов (положительных и отрицательных), электронов. Последующее взаимодействие заряженных частиц между собой и с нейтральными, через цепочку не до конца изученных реакций, ведет к образованию новых структурных единиц. Все это в конечном итоге приводит к нарушению протекания нормальных функциональных процессов в организме. Радиационные излучения могут приводить к повреждению генетического кода. Эффективность воздействия различных видов радиоактивных частиц не одинакова.

Поток а —частиц обладает большой ионизирующей способностью (q *= + 2е) и малой проникающей способностью. Одежда, верхний отмерший слой кожи полностью задерживают а—частицы. Поэтому а—частицы, не попавшие внутрь организма через рану,с пищей или с вдыхаемым воздухом, не опасны. В воздухе а — частицы проходят путь до нескольких десятков сантиметров, в тканях человека 1 — 2 см.

Поток (3 — частиц обладает меньшей степенью ионизации (q = — е), но большой проникающей способностью.

Поток у— квантов обладает наибольшей проникающей способностью (в биологической ткани — 10—15 см), но их ионизирующая способность ниже, чем у 0 — частиц. Количество энергии излучения,поглощенное единицей массы материала (физического тела, тканями организма) называется поглощенной дозой. Единица поглощенной дозы в СИ —Грей (Гр ) [ Дж/кг ].

где N_a,Np,N₇ — числа, е_а,е_р,е_т— энергии частиц;

М — масса облученного тела.

Примечание 1.

Доза радиации,получаемая любым организмом, обусловленная радиационным фоном Земли — 10~³ Гр/год [ 4 ].Считается, что эта доза не вызывает видимых биологических эффектов.

Биологические повреждения, вызываемые различными видами радиоактивных излучений, неравнозначны, так, a — излучение — в 20 раз опаснее других видов излучения. Для биологической характеристики а, (3, у излучений вводят коэффициенты качества излучений к, причем считают к_а = 20, к_р= к_у = 1. Поглощенная доза, пересчитанная с учетом такого вида коэффициентов для биологических организмов называется эквивалентной дозой Н.

Н = D к

Единицей эквивалентной дозы Н в СИ является Зиверт.

Н = (k_aN_ae_a + kpNpBp + k_yN_y£_y) х i/M

Облучение различных частей тела человека (животного) также неравнозначно для последующей жизни организма. Поэтому для характеристики облученности организма вводят числа — коэф­фициентов радиационного риска W_T для разных частей организма при равномерном облучении всего тела. Научный Комитет по действию атомной радиации при ООН (НКДАР — 1955г.) рекомендует следующие коэффициенты (рис.У.4).

Критический орган	Заболевании
Красный костный мозг Щитовидная железа -0.03 Костная ткань - 0.03 Легкие Молочная железа Яичники или семенники Другие ткани Все тело - 1.0	Лейкемия Рак щитовидной железы Опухоли костной ткани Опухоли легких Рак молочной железы Наследственные дефекты Опухоли, лейкемия

Рис.\Л4 Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов человека).

Дозы облучения отдельных органов живого организма следует учитывать с поправкой на коэффициенты радиационного риска. Суммой произведений эквивалентных доз,полученных различными органами тела (Н_т), на соответствующие коэффициенты радиационного риска (W_t) — получают эффективную эквивалентную дозу Н^ Последняя более полно отражает суммарный эффект облучения биологического организма, она также измеряется в Зивертах.

Н = Н W ,

эфф. т т

где Н_т — среднее значение эквивалентной дозы в органе, ткани; W_t — коэффициент радиационного риска.Летальные дозы: 100 Гр — смерть через несколько часов или дней; 10 — 50 Гр — смерть наступает через 1 — 2 недели; 3 — 5 Гр. — 50% умирает в течение 1—2 месяцев.

Примечание 3.

В справочной и другой литературе можно встретить единицы, используемые ранее, и ныне исключенные из СИ:

• единица активности Кюри,

0. Ки = 3,700 • 10¹⁰ Бк (точно, не подлежит уточнению);

• единица поглощенной дозы излучения рад,

0. рад = 1 • 10~² Дж/кг = 0,01 Гр;

• единица экспозиционной дозы для характеристики действия (х— лучей или у — квантов) — Рентген,

1. Р = 2,58 • 10~⁴, Кл/кг (заряд,созданный в единице массы). Экспозиционная доза 1 Р соответствует образованию 2,082 ■ 10⁹ пар ионов в одном кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях или иначе 1,61 • 10'² пар ионов в одном грамме.

Биологический эквивалент рентгена — бэр (геш). Бэр соответствует поглощенной дозе излучения 1 рад при коэффициенте качества излучения k = 1. При действии других видов излучения к > 1

,._6эр * А5

к кг. биол. ткани

\ ЗМООБэр

0. I ИЗМС» (jit"] |ПОПйСТМТ<4Ь j

   У * ' '

   

Ьк-'Жи. Е«(Ки

)

(р

3t 1Гг100г&$

Pnc.V.5 Единицы радиактивности источника, измерителя, поглотителя и соотношение между ними

.В дозиметрической практике и литературе часто используют еще понятие мощности дозы: Гр/год, Зв/час, Бэр/час, экспозиционной дозы mP/час. Использование последней обусловлено применением прямопоказывающих измерительных приборов. Произведение мощности дозы на время действия позволяет рассчитать и саму дозу.

На рис.У.5 для наглядности сведены вместе используемые в дозиметрической практике единицы для характеристики источника радиоактивных излучений, измерителя и объекта, на который падает излучение (биологическая ткань,материал).