ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского Кафедра экспериментальной физики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТИКУМА ПО ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ Симферополь 2011 ОГЛАВЛЕНИЕ КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.. 3 α- Излучение. 3 β- Излучение. 4 γ- Излучение. 5 Нейтронное излучение. 6 ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ 7 Активность источника. 7 Поглощенная доза. 8 Экспозиционная доза. 9 Эквивалентная доза. 9 Мощность дозы. 10 ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.. 11 Дозиметры ионизирующих излучений.. 11 Радиометры... 11 ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ОБЛУЧЕНИЯ, НОРМЫ И ПРАВИЛА РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.. 12 ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ.. 13 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.. 14 Особенности действия ионизирующего излучения на живой организм. 14 Приложение 1. ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.. 18 Приложение 2. ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ 20
ИНСТРУКЦИИ
По технике безопасности при работе с источниками ионизирующих излучений
ИОНИЗАЦИЯ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ.
Энергия заряженной частицы рассеивается в среде главным образом в результате потерь на соударения, которые приводят к ионизации атомов и возбуждению молекул. Только при очень высоких энергиях частиц (для электронов 5 МэВ и выше) становятся заметными потери на излучение. В жидких средах (тело человека в первом приближении можно считать жидкой средой) энергия, которая теряется вторичными электронами в процессах соударения, делится приблизительно поровну между ионизацией и возбуждением. Однако эти две формы рассеяния энергии могут быть неравноценными с точки зрения химического и биологического воздействия. В настоящее время считается, что биологическое воздействие почти полностью обусловлено ионизацией.
|
|
|
Методы дозиметрии основаны на измерении ионизации газа (обычно воздуха) под воздействием ионизирующего излучения, поскольку ионизация является важнейшей величиной в медицинской радиологии. Воздух (смесь газов N2-75%; O2 -23%; СО2-0,05%; Ar, Ne, Xe, Кг, Н20-1,85%) и мягкие ткани человеческого тела состоят главным образом из элементов с малыми атомными массами. Поэтому эффективные средние атомные массы воздуха, воды и человеческого тела мало отличаются, и поглощение ионизирующего излучения на единицу массы воздуха в весьма широких пределах значений энергии почти такое же, как в единице массы ткани и воды. Ионизацию воздуха можно достаточно точно и просто измерить с помощью ионизационной камеры. Научные исследования показывают возможность имитации ткани человеческого тела (тканевый эквивалент) с помощью пластических сцинтилляторов. Оказалось возможным создать пластмассовые и жидкостные сцинтилляторы, имитирующие поглощающую способность тканей различных органов (почки, печень, желудок и т. д.).
|
|
|
КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Радиоактивность – самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.), приводящие к изменению их атомного номера и массового числа.
Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. времен, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть оставлен или ускорен каким-либо способом.
Если поместить радий в свинцовую коробку с узкой щелью, то с помощью приборов можно определить, что через нее выходит пучок излучений, который разделяется в магнитном поле. Излучение, отклоняющееся в сторону северного полюса магнита, называется α-излучением, южного – β – излучением. Излучение, не отклоняющееся магнитным полем, называется γ – излучением (оно не имеет электрического заряда).
|
|
|
α- Излучение.
α- излучение представляет собой поток α- частиц (ядер атома гелия 
), движущихся со скоростью около 20000 км/с. Альфа-распад характерен для тяжелых элементов с Z >83 (уран, торий, полоний, плутоний и др.). В результате α-распада «материнское» ядро с атомным с атомным номером Z и массовым числом А переходит в ядро с атомным номером Z – 2 и массовым числом A – 4. в качестве примера α -распада можно привести распад плутония:
В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных α- активных ядер. Каждый α - активный изотоп испускает α- частицы, имеющие определенные энергии в диапазоне от 4 до 11 МэВ.
Пробег α- частиц в воздухе составляет 3-11 см, в алюминии 0,08-0,4 мм. Сложенный пополам обычный лист писчей бумаги полностью поглощает α- частицы с энергией 5 МэВ (он эквивалентен 5 см воздуха). Внешний покров тела человека также полностью поглощает α- частицы, и внешнее облучение α- частицами не представляет опасности для внутренних органов человека. В воздухе при 15° C и давлении 760 мм рт. ст. α- частица образует 1,5×104-2,5×104 пар ионов (в зависимости от начальной энергии α- частицы). Плотность ионизации, создаваемая α- частицей, велика (примерно 3×103 пар ионов на каждый сантиметр пути), поэтому α- частицы активных веществ весьма опасны при попадании их внутрь организма, вызывают долго незаживающие ожоги на поверхности тела при непосредственном контакте с мощными α- источниками.
|
|
|
β- Излучение.
Бета-излучение состоит из β-частиц (электронов 
или позитронов 
), которые испускаются при β -распаде радиоактивных изотопов. К β - распаду относятся:
1. Электронный β - распад - происходит превращение нейтрона в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного β -распада может служить распад стронция:
2. Позитронный β -распад - происходит превращение протона в нейтрон, которое сопровождается образованием и выбросом из ядра позитрона. Заряд ядро и его порядковый номер уменьшаются на единицу. Позитронный β - распад наблюдается в случае неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.
Примером позитронного β- распада может служить распад радионуклида натрия по реакции:
3. Электронный захват - захват атомным ядром одного из внутренних электронов окружающей ядро электронной оболочки. Массовое число ядра при β - распаде не изменяется. При электронном захвате один из протонов ядра превращается в нейтрон, в результате чего заряд ядра уменьшается на единицу:
Слой вещества, равный длине пробега β -частиц, имеющих максимальную энергию, полностью затормозит все β -частицы, испускаемые данными радионуклидами.
В результате значительного отклонения β- частиц под влиянием электрических полей, создаваемых атомами, электронами ядрами, фактический путь β- частиц (14 м) значительно превышает зону действия излучения (1-3 м).
Взаимодействуя с веществом среды, β -частицы часто проходят вблизи атомных ядер. Под влиянием положительного заряда ядра отрицательного заряженная β -частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии. Энергия, потерянная β -частицей при торможении, излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии β -частиц и среднего атомного номера среды тормозное рентгеновское излучение возрастает.
Проникающая способность β- излучения значительно больше, чем α- частиц. Пробег β- частиц в воздухе зависит от их энергии и для частиц, обладающих энергией 3 МэВ, составляет около 3 м. Наиболее высокоэнергетические β -частицы могут пройти слой алюминия толщиной до 5мм. Полное поглощение β- частиц с энергией 1 МэВ происходит в слое алюминия ~ 1.5 мм. Одежда и кожный покров человеческого тела поглощает примерно 75% β- частиц и только 20 - 25% проникает внутрь человеческого организма на глубину 2 мм. Наибольшую опасность представляет попадание β- частиц в глаза, так как внешняя поверхность глаза не имеет защитного покрова,
γ- Излучение.
Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей энергией и обладает наибольшей проникающей способностью по сравнению с α- и β- излучениями. Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Распространяется оно, как и рентгеновские излучения, в воздухе со скоростью света. В воздухе γ- излучение может преодолевать значительные расстояния, не испытывая существенного ослабления. Свинец, сталь, бетон, грунт, вода и другие плотные материалы при определенных толщинах вызывают существенное ослабление γ- излучения. Большая проникающая способность делает γ- излучение особенно опасным при внешних облучениях. Никакой защитный костюм не может ослабить γ- излучение.
Например, чтобы ослабить действие γ- излучения на человека только в 2 раза, потребовался бы свинцовый комбинезон массой 130 кг. Линейная плотность ионизации, создаваемая γ- излучением, значительно меньше, чем при облучении α- и β- частицами. На 1 см пути в воздухе γ- кванты создают несколько пар ионов с учетом как первичного [1], так и вторичного[2] излучений.
Нейтронное излучение.
Нейтроны, как правило, не испускаются при распаде радиоактивных изотопов, но очень часто возникают при ядерных реакциях. На практике нейтронное излучение сопровождает работу ускоряющих и энергетических ядерных установок. Не имеющие заряда нейтроны не вызывают непосредственного биологического эффекта. При прохождении пучка нейтронов через вещество могут проявиться два взаимодействия с ядрами веществами. Во-первых, в результате соударения нейтронов с ядрами возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов и, во-вторых, возникновения ядерных реакций типа (n, α), (n,p), (n, 2p) и деление тяжелых ядер.
При соударениях с легкими ядрами (типа ядер водорода) нейтроны высоких энергий передают последним часть своей кинетической энергии, при этом атомы теряют свои орбитальные электроны и при движении в среде вызывают ее ионизацию.
Медленные нейтроны вызывают активацию ядер окружающей среды, беспрепятственно проникая сквозь кулоновский барьер. Ядро, поглотившее нейтрон, увеличивает на единицу свое массовое число, т. е. становится новым изотопом элемента и при том, как правило, неустойчивым. Его распад сопровождается испусканием заряженной частицы и иногда γ- квантами, которые опять-таки вызывают ионизацию.
Коэффициент пропорциональности σ, характеризующий вероятность взаимодействия нейтрона с атомами вещества, имеет размерность квадратный сантиметр ( см2 ) и называется микроскопическим эффективным поперечным сечением ядра.
Сущность понятия эффективного поперечного сечения заключается в следующем. Пусть тепловые нейтроны проходят 1 см3 азота (в 1 см3 азота при нормальных условиях содержится 1018 атомов), эффективное микроскопическое сечение реакции (n, p) при 106 падающих тепловых нейтронов и соответствующем им одном ядерном превращении будет равно:
σ = 1 / (106 + 1018) = 10-24 см2 (6)
По своему воздействию на человеческий организм нейтроны делятся на 5 энергетических групп:
1. Холодные нейтроны с энергией менее 0,025 эВ;
2. Тепловые нейтроны с энергией от 0,0025 до 0,05 эВ. В поглощающей среде обычно наблюдается реакция захвата холодных и тепловых нейтронов.
3. Промежуточные нейтроны с энергией от 0,05 эВ до 0,2 МэВ. Для нейтронов этой группы наиболее типичным процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.
4. Быстрые нейтроны с энергией от 0,2 до 20 МэВ. Эти нейтроны характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением ядерных реакции.
5. Сверхбыстрые нейтроны с энергией 20-300 МэВ отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.
Защита от нейтронного излучения осуществляется в два этапа.
1 этап. Замедление нейтронов до энергий 0,1- 0,01 эВ (тепловые нейтроны). В качестве замедлителей используются водородосодержащие вещества (парафин, вода, бетон, органические пластмассы и т. д.) и графит.
2 этап. Поглощение тепловых нейтронов. В качестве поглотителей можно выбрать любое вещество с большим сечением захвата (чаще всего используется кадмий, бор, сплав кадмия со свинцом и их химические соединения).
Проникающая способность потока нейтронов сравнима с характерной для γ -излучения способностью.
ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Активность источника.
Активностью радиоактивного препарата называется число актов распада ядер данного препарата в единицу времени. Активность измеряется в единицах, именуемых кюри (Ки). Кюри–активность одного грамма радиоактивного свежеприготовленного препарата радия, в котором происходит 3,7×1010 расп./с. Единица активности соответствующая 1 расп./с в системе СИ получила название беккерель (Бк).
Для определения активности γ – излучения применяется своя единица активности – миллиграмм-эквивалент радия (мг-экв Ra). 1 мг-экв. Ra - активность такого количества радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг радия, заключенный в платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.
Между активностью (Бк) и массой радиоактивных веществ (г) существует определенная связь. Если во взятом количестве радиоактивного вещества будет происходить в каждую секунду 3,7*1010 распадов, то общее число атомов N, дающее эту активность, будет равно активности вещества (3,7*1010 Бк), деленной на постоянную распада λ, 1/с, т.е. N= A/λ:
Активность источника не может прямо характеризовать ионизирующее действие излучения, испускаемого источником. При одной и той же активности источника ионизирующее действие излучения зависит от таких факторов как вид и энергия излучения, физическая природа облучаемой среды и др. Поэтому кроме измерения активности источника излучения требуется измерять и ионизирующее действие излучения.
Поглощенная доза.
Степень и глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощенной энергии излучения. Для характеристики этого показателя используется понятие поглощенной дозы.
Согласно определению Международной комиссии по радиологическим измерениям (мкре) поглощенная доза какого-либо ионизирующего излучения есть энергия, которая передается ионизирующими частицами единице массы облучаемого вещества.
. (12)
Единицей поглощенной дозы может быть любая величина, имеющая размерность [энергия/масса]. В системе единиц СИ поглощенная доза измеряется в греях [3] (Гр):
1Гр = 1Дж/кг.
По рекомендации мкре единицей поглощенной дозы является рад:
1 рад=100 эрг/г=10-2 Гр.
Экспозиционная доза.
Для оценки биологического действия облучения решающую роль играет количество энергии, поглощенной организмом. Однако существующие дозиметрические приборы позволяют измерить не поглощенную дозу, а лишь дозу излучения по ионизирующему эффекту, производимому данными излучениями в воздушной среде. Поэтому все расчеты, связанные с защитой человека от действия излучения, приходится производить на основании не фактически поглощенной дозы, а дозы излучений, показывающей ионизирующее действие излучения в воздухе.
Экспозиционная доза – это количественная характеристика взаимодействия рентгеновского или γ- излучения с веществом, равная суммарному электрическому заряду ионов одного знака, образованному излучением, в единице массы вещества.
(13)
Единицей экспозиционной дозы облучения в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг). Чаще всего используется внесистемная единица рентген ( Р ).
Рентген - такая доза, при которой под действием облучения рентгеновскими или γ- лучами в 1 см3 воздуха при нормальных условиях создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Масса 1 см3 сухого атмосферного воздуха при 0°C и давлении 760 мм рт. ст. равна 0,001293 г.
Для воздуха 1 Р соответствует 0.88 рад, для биологической ткани 0.93 рад.
Эквивалентная доза.
Воздействие излучения на организм человека определяется не только количеством поглощенной энергии или числом пар, образованных ионов, но и плотностью ионизации, т. е. количеством пар ионов, образованных на единице пути ионизирующей частицы в тканях. Выше указывалось, что наибольшую плотность ионизации создают α- частицы, поэтому поражающее действие их в несколько раз больше, чем β– частиц или γ - излучения, даже при равном количестве поглощенной энергии.
Для сравнительной оценки биологического действия различных видов излучения используются коэффициенты качества (КК) и величины линейной потери энергии (ЛПЭ), показывающие во сколько раз биологическое действие данного вида излучения сильнее биологического действия γ- излучения при равных величинах поглощенной энергии.
Доза, получаемая объектом с учетом КК, называется эквивалентной (Dэкв). Эта величина, введенная для оценки радиационной опасности хронического облучения человека в поле ионизирующих излучений произвольного состава, определяется суммой произведений поглощенных доз Di отдельных видов излучений и их соответствующих коэффициентов качества Кi, т. е.
. (14)
Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв).
Зиверт - это количество энергии, поглощенное живой тканью при облучении любым видом ионизирующей радиации и вызывающее такой же биологический эффект как и поглощенная доза в 1 Грей рентгеновского или γ- излучения с энергией 200 кэВ.
Внесистемной единицей Dэкв. является биологический эквивалент рада (Бэр).
1 бэр = 10-2 Зв.
Втаблице 1 приведены данные, позволяющие определить биологическую эквивалентную дозу.
Соотношение между поглощенной дозой излучения, выраженной в радах, и экспози-ционной дозой рентгеновского и γ – излучений, выраженной в рентгенах, для воздуха имеет вид:
Dэксп. = 0,877 ∙ D погл.
Таблица 1.
| Виды излучения | КК |
| γ – излучение | 1 |
| Рентгеновское излучение | 1 |
| β – излучение | 1 |
| α – излучение (≤10 МэВ) | 20 |
| Протоны (≤10 МэВ) | 10 |
| Тяжелые ядра отдачи | 20 |
| Нейтроны тепловые [4] | 3 |
| Нейтроны с энергией 5 кэВ | 2,5 |
| Нейтроны с энергией 20 кэВ | 5 |
| Нейтроны с энергией 500 кэВ | 10 |
| Нейтроны с энергией 5 МэВ | 7 |
| Нейтроны с энергией 10 МэВ | 6,5 |
Мощность дозы.
Мощность дозы – это доза, получаемая объектом в единицу времени. Она характеризует скорость накопления дозы и может увеличиваться или уменьшаться со временем. Если за некоторый промежуток времени ∆t приращение дозы равно ∆D, то среднее значение мощности дозы:
(14)
В системе Си мощности поглощенной, экспозиционной и эквивалентной доз измеряются соответственно в Гр/с, А/кг и Зв/с. В тоже время применяются множество внесистемных единиц – рад/час, мкР/с бэр/год и другие.
Мощность экспозиционной дозы γ –излучений можно определить, если известна ионизационная γ – постоянная, характеризующая данный радионуклид. Различают дифференциальные и полные γ – постоянные. Дифференциальная γ – постоянная относится к определенной моноэнергетической линии γ -спектра изотопа. Полная γ – постоянная (Кγ) равна сумме дифференциальных γ – постоянных.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 462; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!