основы радиации

1

Т ем а1: Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы Р А Д И А Ц И О Н Н О Й Г И ГИ Е Н Ы

Р а д и о актив н о сть - самопроизвольное превращение ядер атомов , сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

Различают следующие виды радиоактивных превращений:

на 4. При распаде могут возникать возбужденные ядра, которые, переходя основное состояние, испускают гамма- кванты.

2.Электронны й бе та- распадХарактерен. как для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. При этом виде распада ядро испуска электрон, в результате заряд его увеличивается на единицу при неизменно массовом числе. Ядра возникших атомов могут находиться в возбужденно состоянии, переход их в невозбужденное состояние сопровождается испускание гамма- квантов.

3.Позитронны й б ета- распаНаблюдается. у некоторых искусственных радиоизотопов. При этом порядковый номер атома уменьшается на единицу, масса не изменяется.

4.К-захват (захват орбитального электрона ядром ) - ядро захватывает электрон с К- оболочки и имеет место такое же превращение ядра, как и пр позитронном бета- распаде. Из ядра при -К захвате выбрасывается нейтрино имеет место характеристическое рентгеновское излучение.

5.Самопроизвольное деление ядер.Наблюдается у радиоактивных элементов с большим атомным номером( уран-235, плутоний) при захвате и ядрами медленных нейтронов. При делении образуется пара осколков с выбросо нейтронов. Осколки, как правило, ядра элементов средних массовых чисе которые претерпевают несколько последовательных бета- распадов.

Количественной характеристикой радиоактивности являетсяАКТИ В НО С ТЬ, единицей измерения которой принят беккерель( Бк). Беккерель соответству активности, равной одному ядерному превращению в секунду. Специально (внесистемной) единицей является кюри (Ки). 1 Ки соответствует такое количеств

препарата, в котором за1 сек происходит3,7×10ядерных превращений, т.е. 1 Ки =

3,7×1010 Бк. Кюри — очень большая величина. В практической работе использую производные единицы: милликюри( мКи), миккюрои( мкКи). Таким образом, можно записать:

В качестве единицы активности веществ- гамма- излучателей нередк используют миллиграмм- эквивалент радия ( мг/ экв), представляющий собо количество препарата, создающего такую же мощность дозы, как и1 мг радия тождественных условиях измерения.

Законом ерностьюрадиоактивного распада является то, что в единицу времени распадается определенная, строго постоянная доля атомов каждо радионуклида( независимо от их количества), которая и определяет его перио

2

полураспада( Т ) - промежуток времени , в течение которого распадается

1/2

половина всех атомов данного радионуклида.

Период полураспада указывает на степень устойчивости ядра атома. Единиц измерения: с, ч, день и .т д.

Период полураспада и постоянная распада связаны между собо соотношением:

T1/2=0,693/λ,

Отсюда видно, что чем меньше значение постоянной распада, тем больш значение периода полураспада( распад идет медленнее) и, наоборот, чем больш значение постоянной распада, тем меньше значение периода полураспад Следует отметить, что значения периода полураспада и постоянной распада н зависят от внешних условий и определяются лишь свойствами само радиоактивного ядра. Естественно, каждый радиоактивный изотоп имеет сво значение периода полураспада и постоянной распада. Численные значения этих величин определяются экспериментально.

Число ядер радиоактивного изотопа уменьшается со временем п экспоненциальному закону. Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой( рис.1).

Видно, что с увеличением числа периодов полураспада количеств нераспавшихся атомов убывает, приближаясь к нулю. Распад любо радиоактивного элемента подчиняется статистическим закономерностям и нос вероятностны й хара кте.р

Рис. 1. Экспоненциальная кривая радиоактивного распада ВИ Д Ы И О Н И ЗИ РУЮ Щ И Х ИЗЛУЧ ЕН И Й

1.Корпускулярные

2.Электромагнитные( фотонные).

4

костной ткани, алюминии - 5,5 мм. При взаимодействии бета- излучения с веществом возникает тормозное электромагнитное излучение. Выход е пропорционален атомному номеру и плотности вещества, поэтому для защит используют вещества с малым атомным номером- алюминий, органическо стекло, воду. При высокой активности бета- источника тормозное излучение мож быть настолько интенсивным, что требуется защита и от него, т. е. к легком материалу защиты от бета- излучения необходимо добавить еще один слой тяжелых материалов, например, свинца.

Рентгеновское и гамм-а излучениотносятся к электромагнитным . Рентгеновское представляет собой совокупность характеристического тормозного излучений( характеристическое излучение испускается при изменени энергетического состояния атома, тормозное- при изменении кинетическо энергии заряженных частиц). Возникает в защите источников бета- излучени рентгеновских трубках, ускорителях электронов и.т .д

R-излучение получают в рентгеновской трубке при торможении электроно Катод с нитью накала испускает электроны, которые ускоряясь в электрическо поле, тормозятся на аноде. При торможении происходит преобразование энерги причем 98-99% ее переходит в тепловую ( нагрев анода), а 1-2% преобразуется тормозное излучение ( в данном случае - рентгеновское). Мощность доз тормозногоR- излучения зависит от:

∙силы тока

∙материала анода( атомного номера)

∙напряжения на трубке

ИсточникамиR- излучения являются все электровакуумные приборы высоки напряжений, телевизионные трубки, мониторы, усилительные лампы, прибор СВЧ- диапазона, электронно- лучевые установки для резки и сварки металлов вакууме ( неиспользуемое R- излучение), а также ускорительные устройств работающие на тормозный пучок, микротроны, линейные ускорители ,и конечн рентгеновские трубки( используемоеR- излучение).

Гамма- излучение испускается при ядерных превращениях:

∙радиоактивном распаде( бета- и альфа- распады);

∙аннигиляции электронов и позитронов;

∙делении ядер- при этом осколки находятся в возбужденном состоянии, следствием чего является испускание гамма- квантов;

∙взаимодействии нейтронов с веществом.

Принципы взаимодействия рентгеновского и гамма- излучений с вещество идентичны. Эти излучения называюткосвенноионизирующими, т.к. процесс ионизации опосредован через ряд первичных эффектов, основными из которы являются:

1. Ф отоэф ф ект- вместо фотона после его взаимодействия с веществом излучается электрон( принизкойэнергии (1 – 500 КэВ) кванта). Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободны электроны, обладающие определенной кинетической энергией, величина которо равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрон Свободный электрон, ассоциируясь с нейтральным атомом, порожда отрицательный ион.

5

Рис. 2.Схема фотоэффекта

Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновског излучения. Его вклад во взаимодействие пропорционаленZ ядер атомов (~Z3).

Ком птоновский эф ф ект– энергия кванта частично поглощаются веществом, в результате образуется электрон и рассеянное излучение, энергия которо всегда меньше энергии первичного излучения. При этом эффекте происход рассеяние падающего фотона излучения электроном атома, которому передаетс лишь часть энергии фотона.

Рис. 3.Схема Комптон- эффекта

Так как направление движения фотона отличается от первоначального, т говорят о рассеянии фотона на электроне. В дальнейшем фотон может внов претерпевать Комптон- эффект и.т .д

Поэтому в отличие от фотоэлектронов энергия электронов отдач образующихся при эффекте Комптона, изменяется в широких пределах( от нуля д некоторого максимального значения). Средняя их энергия возрастает увеличением энергии падающего излучения. Доля энергии, поглощенно комптоновскими электронами, в общем количестве поглощенной энерги увеличивается с жесткостью излучения.

3. Наконец , третий вид взаимодействия излучения с веществом- эф ф ект о б разования заряженны х п-ахарактеризуетсяр возможностью превращения

γ-квантабольшой энергии (>1,02 Мэв) в пару частицэлектрон- и позитрон. Энергия гамма- кванта преобразуется в энергию заряженных частиц- электрона и позитрон

(прибольшойэнергии гамма-кванта). Этот процесс вызывается столкновениемγ- кванта с какой- либо заряженной частицей, например атомным ядром, в пол которой и образуется электронно- позитронная пара. Относительный вклад это вида взаимодействия изменяется пропорциональноZ3 поэтому для тяжелых элементов он больше, чем для легких.

6

Основа регистрации любого вида излучения— его взаимодействие с веществом детектора. Детектор при этом рассматривается как устройство, на вход которо поступают ионизирующие частицы и на выходе появляются сигналы. зависимости от типа детектора сигналом могут быть вспышки све (сцинтилляционный детектор), импульсы тока (ионизационный детектор пузырьки пара ( пузырьковая камера), капельки жидкости ( камера Вильсона) Вторая часть регистрирующей системы- это измерительный комплекс, назначени которого состоит в преобразовании поступающего с детектора сигнала к вид приводящему в действие регистрирующее устройство( стрелочный прибо, цифровой дисплей, самописец, механический счетчик и т. п.).

И онизационны й м е тод регистрации и дозим етрии

При прохождении любого ионизирующего излучения в газах в результат ионизации образуются электроны и положительные ионы. Если ионизаци происходит в слое газа между двумя электродами, имеющими различны потенциалы, то электроны и ионы будутгатьсядви к соответствующим электродам и в цепи возникнет ток. Газовые ионизационные детекторы представляют собо

конденсаторы, заполненные каким- либо газом, и называются ионизационными камерами.

Ионизационные камеры подразделяются по следующим основным признака: принцип действия( токовые, импульсные); конструктивное оформление( плоски

цилиндрические, сферические); назначение( регистрацияγ--α,излучения-β, ) и др. Регистрация ион изи рую щ их излучений полупроводниковы м

дете кто рам и

7

Полупроводниковый детектор является аналогом ионизационной камеры с твердотельным чувствительным объемом. Плотность вещества чувствительно объема в полупроводнике примерно на три порядка выше плотности газа ионизационной камере, а энергия образования пары носителей на порядок ниж, что дает увеличение поглощенной энергии в единице объема полупроводника4 в1 раз. Высокая чувствительность при небольших размерах — основно преимущество полупроводниковых детекторов.

С цинтилляционны й метод дозиметрии Физическая основа сцинтилляционного метода- возбуждение и ионизаци

атомов и молекул вещества при прохождении через него заряженных части Через короткое время они переходят в основное состояние, испуская светово излучение, спектр которого зависит от структуры энергетических уровней атомов молекул вещества. Вспышка света может появиться также и при прохождени через сцинтиллятор косвенно ионизирующего излучения фотонов и нейтронов счет вторичных частиц.

Л ю м инесцентные методы дозим етрии Под люминесцентными методами в основном понимаются методы, основанны

только на радиофотолюминесценции и радиотермолюминесценции.

Сущность метода заключается в том, что образованные в люминофорепод действием ионизирующего излучения исхпродит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительно возбуждении, которое может быть вызвано либо освещением люминофор ультрафиолетовым излучением определенной длины волны, либо нагрево. Наблюдаемые при этом оптические эффекты могут служить мерой поглощени энергии.

Ф отограф ический м етод дозим етрии Воздействие ионизирующего излучения на фотоэмульсию приводит к эффект,

аналогичному воздействию видимого света. В процессе проявления происход восстановление металлического серебра в тех кристаллах, в которы образовались центры скрытого изображения, что приводит к почернени фотоэмульсии.

Фотографический метод регистрации ионизирующих излучений имеет ря преимуществ по сравнению с другими методами: дешевизна, документальнос (обработанные пленки можно хранить), возможность массового применения, невосприимчивость к ударам, изменению температуры и др.

К недостаткам метода следует отнести: относительно невысоку чувствительность, невозможность измерения эквивалентной дозы- н посредственно в процессе облучения, зависимость показаний отвийусло обработки пленки.

П риборы дл я радиационного контроля Классификация аппаратуры для радиационного контроля.

Существует много признаков, по которым можно классифицировать аппаратур, используемую в области радиационной безопасности. новимсяОста на наиболее важных из них.

поглощенной дозы ионизирующего излучения.

8

Радиометры служат для измерения плотности потока ионизирующих излучений, активности радионуклидов.

С пектром етры служат для измерения распределения ионизирующих излучений по энергии частиц или фотонов.

Конструктивны е особенности приб о ров и ха рактер п роведени контролярадиационной обстановки. По этому признаку приборы делят на четыре группы:

1)приборы для индивидуального дозиметрического контроля;

2)носимые приборы для группового дозиметрического контроля;

3)переносные приборы группового дозиметрического или ционногорадиа технологического контроля;

4)стационарные приборы и многоканальные установки для рывногонепре дистанционного дозиметрического и радиационного контроля.

всей длине стены, а также на стыке стен, против дверей, смотровых окон и т. д.

БИО ЛО ГИ ЧЕ СКО Е Д ЕЙ С ТВ И Е И О Н И ЗИ Р УЮ Щ ИХ И ЗЛ УЧ ЕН И Й

МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Биологическое действие ионизирующего излучения условно можно - подра делить на: 1) первичные физико- химические процессы, возникающие в молекула живых клеток и окружающего их субстрата; 2) нарушения функцийлого це организма как следствие первичных процессов.

Врезультате облучения в живой ткани, как и в любой среде, поглощается энерги

ивозникают возбуждение и ионизация атомов облучаемого вещества. Поскольку человека( и млекопитающих) основную часть массы тела составляетода( около 75%),первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водо клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическо

отношении свободных радикалов типа+ ОНили Н+ и последующими цепными каталитическими реакциями( в основном окислением этими радикалами молеку белка). Это есть косвенное ( непрямое) действие излучения через продукт радиолиза воды. Прямое действие ионизирующего излучения взывает деструкцию липидов, белков и других биомолекул, разрыв наименее прочных связей, отры радикалов и другие денатурационные изменения.

Необходимо заметить, что прямая ионизация и непосредственная передач энергии тканям тела не объясняют повреждающего действия излучения. Так, пр абсолютно смертельной дозе, равной для человека6 Гр на все тело,3 тканив1 см образуется1015 ионов, что составляет одну ионизационнуюлекулумо воды из10 млн. молекул.

9

В дальнейшем под действием первичных процессов в клетках возникают функциональные изменения, подчиняющиеся уже биологическим законам жизн клеток.

Наиболее важные изменения в клетках: а) повреждение механизма митоз (деления) и хромосомного аппарата облученной клетки; б) блокировани процессов обновления и дифференцировки клеток; в) блокирование процессо пролиферации и последующей физиологической регенерации тканей.

Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихс тканей и органов( костный мозг, половые железы, селезенка и т. п.). Изменения н клеточном уровне, гибель клеток приводят к таким нарушениям функци отдельных органов и межорганных взаимосвязанных процессов в организме, которые вызывают различные последствия для организма или гибель организма.

Таблица1

ОСНОВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИ НА ЧЕЛОВЕКА