Лабораторная работа
«Принцип действия и порядок использования приборов радиационного и дозиметрического контроля»
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом и способы регистрации этих излучений
Излучения, способные при взаимодействии с веществом создавать в нем ионы (заряженные атомы и молекулы), называются ионизирующими.
Ионизирующие излучения проявляются в виде: альфа- и бетачастиц, гамма-лучей, испускаемых радиоактивными изотопами при самопроизвольном их распаде; потоков электронов, протонов, дейтронов и др. заряженных частиц ускоренных до больших энергий в ускорителях; потоков рентгеновских и гамма-лучей, протонов, нейтронов и др. вторичных излучений, возникающих при взаимодействии искусственно заряженных частиц с веществом.
Альфа-излучение является потоком ядер гелия, испускаемых при радиоактивном распаде.
Бета-излучение состоит из потока электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде
Нейтронное излучение является потоком электронейтральных частиц ядра – нейтронов. Это излучение имеет большую проникающую способность и создает высокую степень ионизации.
Ионизирующие излучения, особенно нейтронное и гамма-излучение способны проникать через вещества.
Единицей измерения активности является беккерель (БК), который равен одному ядерному превращению в секунду.
Внесистемная единица активности – Кюри (Ки), причем 1 Ки = 3,7∙1010 БК. Активность А радиоактивного вещества – это число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток
Экспозиционная доза X (Ки/кг) оценивает эффект ионизации воздуха (р, γ) излучением
Внесистемная единица экспозиционной дозы – 1 рентген (1Р = 0,00026 Ки/кг).
Поглощенная доза D – это отношение энергии ионизирующего излучения Е (Дж) к массе вещества m (кг). Единица поглощенной дозы - 1 Грей (Гр) = 1 Дж/кг = 100 рад. Экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в ткани в радах можно считать совпадающими. Характер и тяжесть повреждений организма зависит от величины поглощенной дозы излучения - рад (Дж/кг).
Эквивалентная доза Нэ (зиверт, Зв) учитывает разный биологический эффект ионизирующих излучений. Она характеризуется произведением поглощенной дозы D на коэффициент качества излучения R
Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада), 1 бэр = 0,01 Зв 1 зв = 100 бэр.. Так как разные виды излучения при одинаковой поглощенной дозе вызывают различные последствия, для оценки радиационной опасности введено понятие бэр (биологический эквивалент рада)
Все эти излучения не воспринимаются органами чувств человека, но оказывают опасное воздействие на организм.
В результате воздействия ионизирующих излучений возникают лучевая болезнь, которая может быть острой и хронической, в виде общих и местных поражений. Общее действие вызывает лейкемию (белокровие), местные - ведут к заболеваниям кожи и злокачественным опухолям, возникают и наследственные заболевания, проявляющиеся в следующих поколениях.
Согласно Нормам радиационной безопасности (НРБ-96) для человека установлены предельно допустимые дозы облучения – ПДД, которые дифференцированы по отдельным органам и тканям человека.
ПДД - это наибольшая доза облучения, которую человек может ежедневно получать в течение многих лет без вреда для организма на всем протяжении его жизни.
Установлены различные ПДД в бэрах для трех категорий облучения:
А - профессиональное облучение лиц, работающих непосредственно с источником ионизирующих излучений;
Б - облучение лиц, работающих в помещениях, смежных с теми, в которых ведутся работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений;
В - облучение населения всех возрастов.
Санитарными нормами также нормируются другие мероприятия: сроки медицинских осмотров, перечень противопоказаний для работы с радиоактивными веществами и др.
Различают внешние и внутренние облучения.
Внешние - источник радиации располагается вне организма человекам (работа на рентгеновских аппаратах, ускорителях).
Внутренние - при попадании радиоактивного вещества внутрь организма.
Согласно нормам Всемирной организации здравоохранения допустимые дозы облучения человека не должны превышать: суточная 13 мкЗв (1,3 мбэр), годовая 4,75 мЗв (0,475 бэр). Эти дозы соответствуют среднему уровню радиации 0,54 мкЗв/ч (54 мкР/ч). На основной территории Российской Федерации естественный радиационный фон составляет 0,1¸0,2 мкЗв/ч (10¸20 мкР/ч).
Приборы радиационного контроля предназначены для определения уровней радиации и степени заражения радиоактивными веществами различных поверхностей, веществ, предметов и объектов. Приборы дозиметрического контроля используются для измерения доз радиоактивного облучения людей.
Важнейшим элементом любого дозиметрического прибора является детектор радиоактивных (ионизирующих) излучений. Как известно, радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра. Такие превращения сопровождаются радиоактивным излучением: испусканием альфа- или бета-частиц, нейтронов или гамма-квантов. Эти излучения обладают большой энергией, которую они могут передавать среде, в которой распространяются, вызывая ее ионизацию: при взаимодействии радиоактивных излучений с нейтральными атомами или молекулами вещества из них выбиваются свободные электроны и образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, в результате чего изменяются физико-химические свойства этого вещества. Детектор ионизирующих излучений преобразует поглощенную в нем энергию в какой-либо другой вид энергии, удобный для регистрации. В зависимости от природы процессов, протекающих в детекторе, различают фотографический, сцинтилляционный, химический, полупроводниковый и ионизационный методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений.
Фотографический метод основан на измерении степени почернения чувствительной фотоэмульсии под воздействием радиоактивных излучений. В состав эмульсии входят зерна бромистого или хлористого серебра, содержащие ионы серебра. Под воздействием излучения на поверхности этих зерен происходит восстановление ионов серебра до нейтральных атомов металлического серебра - образуются центры проявления и формируется так называемое скрытое изображение. При проявлении скрытого изображения происходит практически полное восстановление металлического серебра в зернах, содержащих центры проявления, что приводит к почернению чувствительного слоя. Зерна, не содержащие центры проявления, удаляются из эмульсии при проведении следующей операции - закрепления изображения. После этого эмульсия становится нечувствительной к действию излучений.
Плотность почернения пропорциональна поглощенной энергии излучения. Сравнивая плотность почернения образца с эталоном, определяют дозу излучения, полученную пленкой. На этом принципе основаны индивидуальные фотодозиметры.
Сцинтилляционный метод основан на способности некоторых веществ под воздействием радиоактивных излучений испускать видимое излучение. При взаимодействии ионизирующего излучения с атомами или молекулами детектора (кристалла сернистого цинка, йодистого натрия, антрацена, стильбена и др.) часть поглощенной ими энергии излучается в виде фотонов видимого света - вспышек (сцинтилляций). Фотоны, попадая затем на фотокатод фотоэлектронного умножителя, выбивают из него электроны, которые далее направляются на ряд последовательно расположенных управляющих электродов. Эти электроды изготовлены из веществ с малой работой выхода электрона, благодаря чему количество выбитых из каждого электрода вторичных электронов в несколько раз превышает количество бомбардировавших его первичных электронов. В результате такого “размножения” электронов на каждый попавший в умножитель фотон образуются миллиарды электронов и на выходе прибора возникает достаточно большой импульс тока. Обладающие высокой чувствительностью сцинтилляционные счетчики широко применяются при проведении научных исследований и лабораторных измерений.
Химический метод основан на количественной оценке радиационно-химических реакций, т.е. химических процессов, протекающих под воздействием ионизирующих излучений (например, окисление ионов двухвалентного железа до трехвалентного или восстановление нитрат-ионов до нитрит-ионов в водных растворах или образование соляной кислоты из хлороформа). Продукты этих реакций, взаимодействуя со специальными добавками, содержащимися в растворах (индикаторами), изменяют окраску растворов. Интенсивность окраски пропорциональна количеству образовавшихся продуктов, которое, в свою очередь, возрастает при увеличении поглощенной растворами энергии (дозы излучения). Сравнивая окраску исследуемого раствора с эталоном, делают вывод о дозе радиоактивного излучения, воздействовавшего на раствор. Основанные на этом принципе химические дозиметры используются при измерении больших доз ионизирующих излучений.
Полупроводниковый метод основан на ионизации твердых веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами. Полупроводники в обычных условиях являются изоляторами, а под воздействием радиоактивных излучений становятся проводниками, так как в них при этом образуются заряженные пары электрон-дырка (положительный ион). Следует отметить, что энергия образования пары электрон-дырка примерно в 10 раз меньше энергии образования ионной пары в газе. Поэтому при полном торможении частицы в полупроводнике образуется значительно больший электрический заряд того и другого знака, чем в газе. Удельная ионизация в полупроводнике примерно в 1000 раз больше удельной ионизации в газе, благодаря чему необходимый для торможения частиц объем полупроводника намного меньше объема ионизационной камеры (газоразрядной). Вследствие этого полупроводниковые детекторы обладают важными достоинствами: высокой эффективностью и компактностью.
Под действием мощного внешнего электрического поля (напряжением 200-1000 В, чтобы исключить рекомбинацию образовавшихся пар носителей заряда) электроны и дырки движутся в полупроводнике к соответствующим электродам и в нем протекает электрический ток. Так как подвижность электронов и дырок значительно больше подвижности ионов в газе, длительность импульса тока в полупроводниковых детекторах чрезвычайно мала (примерно 10-7 сек) и они обладают высокой разрешающей способностью.
Недостатком полупроводниковых детекторов является наличие темнового тока, вызванного движением собственных носителей заряда полупроводника. Величина темнового тока существенно зависит от температуры и становится пренебрежимо малой по сравнению с величиной ионизационного тока лишь при очень низких температурах (порядка –1500С), вследствие чего полупроводниковые детекторы используются в основном в научных исследованиях.
Ионизационный метод основан на том, что в детектор радиоактивных излучений, представляющий собой камеру, заполненную газовой смесью, вводятся электроды, к которым подается разность потенциалов от внешнего источника. В созданном таким образом электрическом поле образовавшиеся в результате ионизации вещества детектора заряженные частицы (положительные ионы и свободные электроны) движутся направленно и в цепи возникает ионизационный ток. В качестве детектора излучений в бытовых, промышленных и военных дозиметрических приборах, основанных на ионизационном методе, чаще всего используются газоразрядные счетчики.
Газоразрядный счетчик представляет собой герметичный металлический цилиндр, заполненный разреженными благородными газами неоном и аргоном с некоторыми добавками, улучшающими работу счетчика. Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута тонкая металлическая нить, изолированная от цилиндра. Нить подключена к положительному полюсу источника питания и служит анодом, а цилиндр - к отрицательному полюсу и служит катодом. Так как площадь поверхности анода значительно меньше площади поверхности катода, в счетчике создается неоднородное электрическое поле, напряженность которого максимальна у поверхности анода. Образовавшийся в результате взаимодействия радиоактивной частицы или кванта с нейтральным атомом благородного газа свободный электрон, называемый первичным, движется к аноду, причем скорость его движения растет, поскольку в этом же направлении увеличивается напряженность электрического поля. Вследствие такого ускорения электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для осуществления ударной ионизации: при столкновении первичного электрона с нейтральным атомом газа он выбивает из этого атома новый электрон, называемый вторичным. Вторичный электрон, ускоряясь, также производит ударную ионизацию, в результате чего к аноду приходит лавина электронов. В этот момент положительный потенциал анода резко уменьшается, и в цепи возникает электрический импульс. Регистрируя количество импульсов в единицу времени, судят об интенсивности ионизирующего излучения (мощности дозы).
В настоящее время ионизационный метод получил наиболее широкое распространение благодаря высокой чувствительности, простоте конструкции и удобству в эксплуатации основанных на нем приборов.