Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом
В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов.
А). Электрон, получив дополнительную энергию, переходит на один из удалённых энергетических уровней или совсем покидает атом. Происходит возбуждение или ионизация атома.
Б). При прохождении вблизи атомного ядра быстрая заряженная частица испытывает торможение в его электрическом поле, которое сопровождается испусканием квантов тормозного рентгеновского излучения.
В). Возможно упругое и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами.
Длина пробега частицы зависит от:
– её заряда;
– массы;
– начальной энергии;
– свойств среды.
Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии, уменьшением плотности среды, с уменьшением массы частицы (при одинаковых энергиях массивные частицы имеют меньшую скорость и более эффективно взаимодействуют с атомами среды).
Проникающую способность β-частицобычно характеризуют толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все β-частицы. Пластина алюминия толщиной 3,5 мм полностью защищает от β-частиц с энергией Емакс = 2 МэВ.
α-частицы имеют малый пробег в веществе: ~ 2,5 см в воздухе и сотые доли мм в мягких тканях человека.
α- и β-излучения не представляют большой опасности при внешнем облучении, но могут причинить серьёзный вред здоровью при попадании внутрь человека с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивными веществами поверхности тела.
|
|
|
Нейтроны при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, но при столкновении с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.
γ-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам (явление фотоэффекта, эффекта Комптона или рождение электрон-позитронных пар). Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды.
Пробег γ-квантов и нейтронов в воздухе измеряется сотнями метров, а в твёрдом веществе от десятков см до нескольких метров.
Потоки γ-квантов и нейтронов представляют наибольшую опасность для человека при внешнем облучении.
| Энергия γ-квантов, МэВ | Толщина слоя вещества, ослабляющая поток γ-излучения в десять раз, см | ||
| вода | бетон | свинец | |
| 0,5 | 24 | 12 | 1,3 |
| 5,0 | 76 | 36 | 4,7 |
Детектирование различных излучений
Так как все виды элементарных частиц в конечном итоге приводят к ионизации атомов среды то приборы для регистрации этих частиц основаны на выявлении актов ионизации.
|
|
|
Первая группа приборов – устройства, регестрирующие факт пролёта частицы – ионизационные камеры, газоразрядные, сцинтилляционные, полупроводниковые и черенковские счётчики.
В сцинтилляционном счётчике заряженная частица вызывает возбуждение атомов, которые переходя в основное состояние дают заметную вспышку (сцинтилляцию). Счётчик состоит из датчика, светопровода и фотоумножителя. Импульсы с фотоумножителя подвергаются счёту.
Полупроводниковый счётчик – полупроводниковый диод. В нормальном состоянии диод заперт. При прохождении через переходный р-п-слой быстрая заряженная частица порождает электроны и дырки открывающие диод.
Счётчики часто объединяют в группы, чтобы зарегистрировать только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами.
Вторая группа приборов – трековые устройства – камеры Вильсона, диффузионные, пузырьковые, искровые и эмульсионные камеры.
В камере Вильсона дорожка из ионов становится видимой потому, что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой либо жидкости (обычно пары спирта в инертном газе). Прибор работает циклами (0,1 с через 100 с) так как пересыщение достигается быстрым адиабатическим расширением рабочей смеси.
|
|
|
В диффузионной камере пересыщение достигается в результате диффузии паров спирта от тёплой (t = 10oC) крышки камеры к охлаждаемому (t = – 70оС) дну. В отличие от камеры Вильсона диффузионная камера работает непрерывно.
В пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (давление жидкости ниже давления насыщенного пара).
Эмульсионная камера состоит из толстой пачки тонких фотопластин. После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.
Искровая камера состоит из системы плоских параллельных друг другу металлических электродов, которые соединены через один с заземлением. Если в момент подачи на незаземлённые электроды высоковольтного импульса через камеру пролетает ионизирующая частица, то её путь будет отмечен цепочкой искр.
Дозиметрия
Поглощённая доза излучения (ПДИ) – равна отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества
|
|
|
.
Единицей ПДИ в СИ является грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг.
На практике используется внесистемная единица – рад: 1 рад = 0,01 Гр.
Экспозиционная доза (ЭзД) – отношение электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе при его облучении фотонами, к массе воздуха:
.
В СИ единицей ЭзД является кулон/кг.
На практике употребляется внесистемная единица ЭзД – рентген (Р):
1 Р = 2,58 .10 –4 Кл/кг.
Доза в 1 рентген накапливается за 1 час на расстоянии 1 м от радиоактивного препарата радия массой 1 грамм.
При облучении мягких тканей организма человека экспозиционной дозе 1 Рсоответствует поглощённая доза 8,8 мГр
.
Коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества
К = 1 – для рентгеновского и γ-излучения
К = 3 – для тепловых нейтронов (ЕК ~ 0,5 МэВ)
К = 7 – для тепловых нейтронов (ЕК ~ 5 МэВ).
Эквивалентная доза (ЭД) – произведение ПДИ на коэффициент ОБЭ:
Н = D.K .
Единицей ЭД в СИ является зиверт (Зв): 1 Зв = 1 Гр при К = 1.
На практике используется внесистемная единица ЭД – биологический эквивалент рентгена (бэр):
1 бэр = 0.01 Зв .
Биологическое действие ионизирующих излучений на живые организмы – это ионизация атомов и молекул в клетках.
Первые признаки общего острого поражения организма взрослого человека обнаруживаются начиная с 0,5 
. При такой ЭД начинаются нарушения в работе кроветворной системы человека. При Н = ( 
) Зв около 50% облучённых умирает от лучевой болезни в течение 1 
мес. из-за поражения костного мозга.
Значительная часть повреждений, вызванных реакцией в живых клетках, является необратимыми.
Доза Н = 1 Зв приводит в среднем на 1000 облучённых к
2 случаям лейкоза,
10 случаям рака щитовидной железы,
10 случаям рака молочной железы у женщин,
5 случаям рака лёгких.
Естественный фон облучения
В любом месте на поверхности Земли, под землёй, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве существует ионизирующая радиация различных видов и разного происхождения.
Дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют сколько-нибудь серьёзной опасности для живых организмов.
Доза внешнего фонового гамма-излучения колеблется в большинстве мест от 0,3 до 0,6 мЗв за 1 год кроме мест, где почвы содержат большое количество урана и тория.
Под действием первичного космического излучения (потока протонов) возникает вторичное космическое излучение (поток γ-квантов и быстрых электронов и мюонов). Земная атмосфера надёжно защищает всё живое на Земле от его воздействия (0,3 мЗв за 1 год на уровне моря).
Кроме внешнего облучения, каждый живой организм подвергается внутреннему облучению. Воздействие β-частиц и γ-излучения радиоактивного калия и углерода обусловливает дозу ~ 0,2 мЗв за год.
Наиболее значительный вклад в дозу внутреннего облучения вносит радиоактивный газ – радон, попадающий в организм человека при дыхании. В большинстве помещений (особенно в подвалах и 1-ых этажах) удельная активность радона в 25 раз выше уровня вне зданий.
Среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленной естественным радиационным фоном, составляет около 2 мЗв за 1 год (1 мЗв за счёт радона).
Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком за год в промышленно развитых регионах от искусственных источников ионизирующей радиации 
~ 1 мЗв за год.
Биологическое влияние малых доз излучения – не будь радиоактивности и космического излучения, видимо, не было бы и человека на Земле. Небольшие дозы излучения, сравнимые с уровнем естественного фона, стимулируют развитие растений и организмов.
Предельно-допустимые дозы (ПДД)
Люди некоторых профессий подвергаются дополнительному облучению (врачи и инженеры рентгенологи, работники АЭС, физики экспериментаторы, космонавты, сотрудники аэрофлота, военные). Для этих профессий ПДД = 50 мЗв/год.
Допустимый уровень разового аварийного облучения для населения – 0,1 Зв.
При систематическом облучении населения установлена доза не более 0,1 ПДД (5 мЗв/год).
За всё время жизни человека допустимая доза для населения составляет 0,35 Зв = 35 бэр.
При ежедневном просмотре TV – программ по три-четыре часа в день за год будет получена доза ~ 10 – 5 Зв ( в 100 раз меньше уровня естественного фона).
Лекция 27
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 343; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!