Рек. Практика 1
РАДИАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПЕРСОНАЛА, НАСЕЛЕНИЯ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Радиационный эффект. Экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы облучения. Единицы измерений. Поле излучение. Облучение живых организмов и неживых объектов. Методы и приборы для регистрации излучений. Биологическое действие излучения. Внутреннее и внешнее облучение. Защита от излучения. Три принципа защиты. Контрольные вопросы.
1.Взаимодействие фотонного излучения с веществом.
Характер взаимодействия ионизирующего излучения с веществом в значительной степени зависит от компонентного и энергетического состава излучения, а также ядерно-физических свойств атомов, с которыми взаимодействует излучение. Понятие «взаимодействие излучения с веществом» относится ко всем процессам, при котором изменяются энергия, направление движения или вид излучения (при поглощении одного вида излучения может возникнуть другой вид вторичного излучения). В результате взаимодействия излучения с веществом среды ей передается часть энергии падающего излучения.
Главными видами взаимодействия ионизирующих излучений с веществом являются:
рассеяние—вид взаимодействия, в результате которого изменяются энергия частицы и направление ее движения;
поглощение—вид взаимодействия, в результате которого свободная частица перестает существовать, что сопровождается образованием или иного ядра, или другой частицы, или нескольких частиц и т.п.
Вероятность взаимодействия одной частицы с одним атомом характеризуется величиной сечения взаимодействия данной реакции, которое называется микроскопическим сечением и измеряется в барнах (1 барн=10-24 см2).Микроскопическое сечение взаимодействияменяется в зависимости от вида взаимодействующей частицы, ее энергии и вида атома (Н, О,Fe,Si, …), с которым взаимодействует частица.
В области энергий фотонного излучения от 20 кэВ до 10 МэВ, к которой относятся фотоны (гамма-кванты) изотопных и реакторных источников, основными процессами взаимодействия с веществом являются:
Фотоэлектрический эффект (фотоэффект), при котором атом поглощает фотон и испускает электрон. Находящийся в возбужденном состоянии атом при переходе в основное состояние испускает флуоресцентное излучение или электроны Оже. Эффект наиболее важен в области низких энергий фотонов (см. рис.2.1а).
Комптоновское рассеяниепри котором фотон в результате упругого взаимодействия с электроном передает ему часть энергии и изменяет направление своего движения, т.е фотон не исчезает. При этом электрон переводится из связанного состояния в несвязанное. Этот процесс является основным в области энергий фотонов от 200 кэВ до 5 МэВ (см. рис. 2.1б).
Образование электронно-позитронных парприводящее к поглощению фотона и образованию пары электрон-позитрон в поле ядра или в поле атомного электрона. Эффект образования пар имеет энергетический порог равный примерно 1.022 МэВ и характерен для энергий фотонов выше 5 –10 МэВ (см. рис. 2.1в).
В результате указанных процессов интенсивность первоначального потока фотонов, прошедшего через слой вещества (защитный экран, барьер) толщиной x, ослабляется по закону:
Jx=J0 e ( -μx ) , ( 2.1 )
где J0 – первоначальный (падающий) поток фотонного излучения;
Jx - поток фотонного излучения после защитного экрана;
x – толщина защитного экрана;
µ - полное сечение взаимодействия для фотонов, называемое коэффициентом ослабления.
Коэффициент ослабления m зависит от энергии излученияEи атомного номера среды Z. Различаютлинейный коэффициент ослабленияµ, имеющий размерность см-1 и характеризующий ослабление фотонного излучения на единице пути в среде имассовый коэффициент ослабления µρ, представляющий собой отношение линейного коэффициента к плотностиρ среды, через которую проходит фотонное излучениеµm=µ /ρ( гдеρ – плотность вещества, г/см3), имеющий размерность см2/г и характеризующий ослабление излучения единицей массы вещества. При использовании массового коэффициента ослабления толщина защитного экрана выражается в г/ см2.
В результате каждого из трех описанных процессов взаимодействия излучения с веществом в облучаемой среде возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощаемая при этом облучаемой средой, определяет радиационный эффект. К рассмотрению количественных величин, характеризующих этот эффект, мы теперь и приступим.
Первая характеристика из использовавшихся в практической дозиметрии, можно сказать, «лежит на поверхности» - это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с проникающим рентгеновским излучением, распространяющимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения многие годы применяли результат измерения ионизации воздуха вблизи рентгеновских трубок или аппаратов. Единицей таких измерений условились считать количество пар ионов, которые излучение образует в 1 см3 сухого воздуха, находящегося при атмосферном давлении и при обычной комнатной температуре (+18°С). Позднее было установлено, что такой единице экспозиционной дозы, названной рентгеном, соответствует 2,08-109 пар ионов, т. е. примерно два миллиарда пар ионов в, 1 см3 воздуха. Таким образом,
Экспозиционная доза фотонного излучения- отношение полного заряда в dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе dm воздуха в этом объеме:
Дэксп= dQ/dm
Единицей экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм (Кл/кг).
Внесистемная единица экспозиционной дозы - Рентген (Р): 1Р = 2,58×10-4Кл/кг.
Мощность зкспозиционной дозы определяется как экспозиционная доза в единицу времени.
Единицей мощности эквивалентной дозы является Кл/(кг с) (внесистемная единица Р/с).
Экспозиционная доза долгое время вполне корректно характеризовала радиационный эффектпоскольку эффективные атомные номера Z воздуха (7,64) и мягких тканей
человека (7,42) практически совпадают.
Поэтому, измеряя ионизационный эффект в воздухе и характеризуя таким образом поле рентгеновского излучения в интересующей нас зоне пространства, можно вполне корректно оценивать ионизацию мягкой ткани, помещенной в эту зону.
По мере включения в рассмотрение новых, в том числе и искусственных источников ионизирующего излучения было замечено, что, в одном и том же поле излучения радиационный эффект оказывался разным в мягкой и плотной (костной) тканях. Причина достаточно ясна — более высокое значение Zэфф костной ткани (13,8) в сравнении с мягкими тканями и воздухом вызывало образование большего числа фотоэлектронов и большую передачу энергии.
В качестве меры глубинных доз и радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом.
Поэтому было введено понятие поглощенная доза излучения
Поглощенная доза (Д) - отношение средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, и массе dm вещества в этом объеме Д=dw/dm
Единица поглощенной дозы - Грей, (Гр), 1Гр = Дж/кг.
Внесистемная единица - рад. 1 рад = 0,01 Дж/кг= 0,01 Гр
Мощность поглощенной дозы определяется как поглощенная доза в единицу времени.
Единицей мощности поглощенной дозы является Гр/с (внесистемная единица рад/с).
Из приведенных определений однозначно следует, что поглощенная доза — универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля ионизирующего излучения и среды, на которую оно воздействует, т. е. облучения. Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект.
К сожалению, действие ионизирующих излучений на живой организм оказалось сложнее, чем последствие облучения сравнительно простых и даже более сложных, но неживых веществ. Выяснилось это при трагических обстоятельствах: у значительной части физиков в течение ряда лет проводивших опыты на циклотроне было обнаружено профессиональное помутнение хрусталика. Эти лучевые катаракты развились у них в условиях умеренных поглощенных доз, не превышавших допустимых значений.
Для количественной оценки этого влияния потребовалось ввести понятие коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициента качества (К.К) излучения.
ОБЭ, или КК какого-либо излучения, — численный коэффициент, который равен отношению поглощенной дозы эталонного излучения, вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же биологический эффект.
Так, при изучении лучевых катаракт на кроликах показано, что доза, при которой катаракты развиваются при воздействии γ-излучения, — ~200 рад, a при воздействии быстрых нейтронов - 20 рад. Отсюда для быстрых нейтронов КК= 10.
Из приведенного частного примера ясно, что поглощенная доза нейтронов может быть эквивалентна поглощенной дозе γ -излучения только с учетом коэффициента ОБЭ (КК). Так в радиационной дозиметрии явилось новое понятие «эквивалентная доза»
Эквивалентная доза-поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент (коэффициент качества, к) для данного вида излучения
Единицей эквивалентной дозы является Зиверт (Зв), равный одному грэю деленному на коэффициент качества ( 1 Гр/К= ! (Дж/кг)/К. Для гамма-излучения коэффициент качества К=1..
Внесистемная единица бэр. 1 Зв = ! ГР/К=1 (Дж/кг)/К= 100 рад /К = 100 бэр
Мощность эквивалентной дозы определяется как эквивалентная доза в единицу времени.
Единицей мощности эквивалентной дозы является Зв/с (внесистемная единица бэр/с).
Коэффициент качества ионизирующего излучения (КК) по определению равен единице для γ –излучения, для β-излучения — 1, для протонов и быстрых нейтронов — от 3 до 10, для α-частиц— 20.
В заключение раздела резюмируем смысл каждого понятия и область его применения (рис. 2.4).
Радиационную опасность используемого радиоактивного вещества удобно оценивать по активности, выраженной в кюри или беккерелях.
Зная активность источника, можно рассчитать мощность экспозиционной дозы на разных расстояниях от него и таким образом определить, например, допустимое время пребывания в этом поле.
Экспозиционная доза характеризует поле излучения по его ионизирующей способности, которая обусловлена характером радиоактивного вещества или другого источника ионизирующего излучения.
Для перехода от экспозиционной дозы (характеристики поля) к поглощенной дозе (характеристике взаимодействия поля и облучаемой среды) необходимо знать свойства этой среды. При одной и той же экспозиционной дозе, т. е. одном и том же поле, воде будет передана меньшая энергия, чем веществу середины таблицы Менделеева и тем более тяжелым элементам. Поглощенная доза, т. е. энергия, поглощенная единицей массы вещества, на которое действует поле излучения, характеризует радиационный эффект для всех видов физических и химических тел, кроме живых организмов.
Для оценки действия излучения на живые организмы, в первую очередь человека, предложена и используется эквивалентная доза облучения.
Источник
Поле
Облучение
Активность
Кюри
а