Ионизирующие излучения, их характеристики и методы измерений

метки: Излучение, Ионизировать, Энергия, Измерение, Обнаружение, Вещество, Частица, Биологический

Краткая характеристика ионизирующих излучений , Ионизирующее излучение (ИИ) –

Радиоволны, световые волны, тепловая энергия Солнца не относятся к ионизирующим излучениям, так как они не вызывают повреждения организма путем ионизации.

Корпускулярное –

Фотонное – это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение, Бета-излучение, Протонное излучение, Нейтронное излучение, Гамма-излучение, Тормозное излучение, Характеристическое излучение, Аннигиляционное излучение, Рентгеновское излучение

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Альфа-частицы, бета-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном, в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии, вызывая ионизацию или возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту).

Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, последние можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

• заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;
• при взаимодействии с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ;
• в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы;

— при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Рентгеновское излучение

... курсовой работы является изучение явления рентгеновского излучения, истории открытия, свойств и выявление сферы его применения. Вильгельм Конрад Рентген ... свой путь рентгенодиагностика. "Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, ... назвал их "лучистой материей”-веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. ... тела”. Описывая результаты опытов по прохождению катодных лучей через ...

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией. Рассмотрим взаимодействие различных видов излучений с веществом.

Гамма-излучение

фотоэффектом

Е_к = hν – Е_и

где: h – постоянная Планка; ν – частота излучения; Е_и – энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (энергия связи выбитого электрона из атома).

Фотоэффект

электрон Оже

Комптон эффект., Комптоновским рассеиванием

Энергия комптоновского электрона равна:

Е = hν – hν

Образование электронно-позитронных пар

Следует отметить, что позитрон нестабилен в присутствии электронов среды. Он быстро исчезает за счет аннигиляции с одним из электронов. В этом случае испускается 2 фотона с энергией по 0,511 МэВ.

Рассмотрим, проникающую способность гамма-квантов.

Как уже отмечалось, гамма-квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Не имея массы, они не могут замедляться в среде, а лишь поглощаются или рассеиваются.

• При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность излучения

I = I _о е^–-

I = Е _γ n/t; n/t

В формуле (2) величину µ можно найти в таблицах, но она не несет прямой информации о степени поглощения гамма лучей веществом.

В практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя половинного ослабления». Толщина слоя половинного ослабления – это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гамма-квантов уменьшается в 2 раза. Запишем уравнение (2) в виде:

I _о /I = е^{– µх}

Полагая I _о /I = 2 и логарифмируя правую и левую части уравнения (3), получим: ln2 = md, d = 0,693/m.

Тогда, формула (3) примет вид:

I = I _о е^{– 0,693х/ d}

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц, но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала ρ : d = 13/r, (5) где: 13 см – слой воды, ослабляющий гамма-излучение в 2 раза; r – плотность материала, г/см³ . Для некоторых материалов величины d представлены в таблицах.

Рис. 6. К оценке ослабления гамма-излучений веществом

Выражение (4) можно преобразовать следующим образом:

К _осл = I₀ /I = ехр (0,693х/d),

К _осл

К _осл = 2^{х/ d}

Расчеты показывают, что проникающая способность гамма-излучения в воздухе – десятки и сотни метров, в твердых телах – многие сантиметры, в биологической ткани человека часть гамма-квантов проходят через человека насквозь, другие поглощаются.

Бета-излучение

В отличие от фотонов заряженные частицы теряют свою энергию в конденсированной фазе сравнительно небольшими порциями в результате многократных столкновений с электронами среды.

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Е _β < 0,5 МэВ (

При энергии бета-частиц выше энергии связи электрона c ядром (до ≈ 1 МэВ) основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов (рис.10).

При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение, при котором возникает тормозное излучение.

Одним из вариантов неупругого взаимодействия является К–захват.

Таким образом, процессы взаимодействия бета-частиц со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления их движения в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка бета-частиц уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х , т.е. для бета-частиц справедлива формула (3).

Путь бета-частиц в веществе представляет ломаную линию, а пробег бета-частиц одинаковых энергий имеет значительный разброс. Это связано с тем, что масса бета-частиц крайне мала, поэтому вероятность упругого рассеяния на ядрах больше, чем у тяжелых частиц. В таблице 2 показана средняя глубина пробега бета-частиц в воздухе, биологической ткани и для примера в алюминии.

• Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бета-частиц пользуются приближенными формулами. Одна из них:

R _ср /R_возд = r_возд /r_ср

где: R _ср – длина пробега в среде; R_возд – длина пробега в воздухе, R_возд = 450 E_b ; r_возд и r_ср – плотность воздуха и среды соответственно; E_b – энергия бета-частиц.

Таблица 2 Пробеги бета-частиц

Максимальная энергия бета-частиц, Е, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мм	Алюминий, мм
0,01	0,13	0,002	0,0006
0,02	0,52	0,008	0,0026
0,03	1,12	0,018	0,0056
0.04	1,94	0,030	0,0096
0,05	2,91	0,046	0,0144
0,06	4,03	0,063	0.0200
0.07	5,29	0,083	0,0263
0,08	6,93	0,109	0,0344
0,09	8,20	0,129	0,0407
0,1	10,1	0,158	0,050
0,5	119	1,87	0,593
1,0	306	4,80	1,52
1,5	494	7,80	2,47
2,0	710	11,1	3,51
2,5	910	14,3	4,52
3,0	1100	17,4	5,50
5,0	29,8	9,42
10	3900	60,8	19,2

Удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тысяч пар ионов на 1 см пути в воздухе. Удельная ионизация увеличивается к концу пробега альфа-частиц. Это связано с тем, что при прохождении через вещество энергия альфа-частицы, а значит, и ее скорость уменьшается. В результате увеличивается вероятность ее взаимодействия с электронами атома. Это приводит к увеличению ионизации вещества, достигая максимума в конце пробега.

Альфа-частицы, имея двойной электрический заряд и большую массу буквально «продираются» через атомы вещества. Вследствие сильных потерь энергии альфа-частицы проникают на незначительную глубину.

формуле Гейгера

R _a = (E_a ^2/3 ) /3, (см)

R _α

R _a = 0,318 E_a ^2/3 , (см) – если Ea = (4–7) МэВ

R _a = 0,56 E_a ^2/3 , (см) – если Ea < 4 МэВ

где: E _a – энергия альфа-частиц.

формуле Брэгга

R _a = 10^–4 (M E_a ³ )^1/2 /r, см

где : М – атомная масса; r – плотность вещества, г/см³ .

Расчет по приведенным формулам показывает, что пробег альфа-частиц в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани 120 мкм, т.е. реальную опасность альфа частицы представляют при попадании их во внутрь организма.

В таблице 3 показана длина пробега альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии. Алюминий взят в качестве примера, так как именно металлы чаще всего применяются для защиты человека и электронных схем от ионизирующих излучений.

— Сравнительная характеристика способности проникновения излучений через различные вещества с учетом толщины преграды поясняется рис.11.

Таблица 3 Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии

Энергия альфа частиц Е α, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мкм	Алюминий, мкм
4,0	2,5	31	16
4,5	3,0	37	20
5,0	3,5	43	23
6,0	4,6	56	30
7,0	5,9	72	38
8,0	7,4	91	48
9,0	8,9	110	58
10	10,6	130	69

Характеристики ионизирующих излучений. Единицы измерения

Для установления закономерностей распространения и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс-частиц (фотонов), поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.

Рассмотрим только некоторые характеристики, которые будут использованы на практических занятиях.

Энергия

1эВ = 1,6.10 ^–19 Дж

где: 1эВ – это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1В.

Плотность потока частиц

Флюенс

Ф = jt (13)

Единица измерения флюенса – частица/м ² .

• Исторически получилось так, что сначала были открыты гамма-лучи. Было замечено, что они имеют свойство ионизировать воздух. Поэтому для характеристики поля было введено понятие экспозиционная доза.

Экспозиционная доза

Х = d Q/dm

1 Рентген

Доза в 1Р накапливается за 1 час на расстоянии 1м от источника радия массой в 1г, т.е. активностью в 1Ки.

1Р = 2,58·10 ^–4 Кл/кг

Учитывая, что экспозиционная доза накапливается во времени, на практике используется и понятие мощность экспозиционной дозы или уровень радиации.

Мощность экспозиционной дозы

= d х/dt

ч, мР/ч, мкР/ч

— После того, как были открыты бета-излучение и альфа-излучение, стал вопрос оценки этих излучений при взаимодействии с окружающей средой. Экспозиционная доза для оценки оказалась непригодной. Поэтому была предложена, казалось бы, универсальная характеристика – поглощенная доза.

Поглощенная доза

D = dE /dm , (Дж/кг).

1Дж/кг = 1Грей.

Доза в органе или биологической ткани (D _T ) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

D _T = W_Т /m _T

W _Т

Вредное воздействие ионизирующих излучений на человека зависит не только от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена, поэтому введено понятие мощность поглощенной дозы.

Мощность поглощенной дозы

= Р = d D/dt

Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.

Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную или изменяющуюся по экспоненте, т.е.:

Р = соnst или Р = Р _о е ^{– 0,693 t/T}

— Замечено, что при облучении одной и той же энергией биологической ткани человека, (т.е. при получении одной и той же дозы), но различными видами лучей последствия для здоровья будут разными. Например, если при облучении альфа частицами вероятность заболеть раком очень высокая, то при облучении бета- частицами значительно меньше, а при облучении гамма-лучами еще меньше. Поэтому для биологической ткани была введена характеристика – эквивалентная доза.

Эквивалентная доза

Н_{T . R} = D_{T . R}

• W_R , (20)

: D _{T . R} –

Н _Т = Σ Н_{Т. R}

• Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности по тока излучения.

Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ: Зиверт (Зв).

Зиверт – единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского и гамма-излучения.

Существует и внесистемная единица – бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования. 1 Зв = 100 бэр.

Таблица 4 Коэффициенты качества излучения

Вид излучения и диапазон энергии	Коэффициенты качества W R
Фотоны всех энергий	1
Электроны всех энергий	1
Альфа-частицы	20
Нейтроны с энергией:
< 10 кэВ	5
от 10 кэВ до 100 кэВ	10
> 100 кэВ до 2 Мэв	20
> 2 МэВ до 20 МэВ	10
> 20 МэВ	5
Протоны с энергией более 2МэВ, кроме протонов отдачи	5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра	20
Примечание . Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении.

Мощность эквивалентной дозы –

= d H/dt

м Зв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с

В случае неравномерного облучения тела человека формула (20) не может быть использована, так как биологический эффект может оказаться другим. Поэтому введена «эффективная доза».

Эффективная доза (Е)

Учет неравномерного облучения производится с помощью коэффициента радиационного риска (взвешивающий коэффициент), который учитывает радио чувствительность различных органов человека:

Е = SH _i W_Ti

Н _i —

W _Ti

Таблица 5 Взвешивающие коэффициенты W _T ^*

Ткань или орган	Коэффициент W TI
Половые железы	0,20
Красный костный мозг	0,12	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Молочные железы	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа, клетки костных поверхностей	0,01
Остальные органы	0,05

Подчеркнем, что и эквивалентная и эффективная доза являются величинами, которые предназначены для применения в радиационной безопасности для оценки вероятности стохастических эффектов.

Отметим, что 1Р соответствует 0,873 рада в воздухе и 1Р соответствует0,95 рада в биологической ткани.

Полувековая эквивалентная доза

Полувековая эффективная доза

Коллективная эквивалентная доза (S_т )

Коллективная эффективная доза (S)

Основные способы обнаружения и измерения ионизирующих излучений

Для решения задач радиационной безопасности необходимо знать основные характеристики ионизирующих излучений. Известно, что все ионизирующие излучения взаимодействуют со средой и вызывают изменения ее физических и химических свойств. Это и используется для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений.

Наиболее распространенные способы регистрации: фотографический, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, биологический, ионизационный.

Фотографический –, Химический, Полупроводниковый, Сцинтилляционный –, Биологический, Ионизационный –