Лекция ИИ2 (Электронные лекции)

§3. Дозиметрические приборы.

Дозиметрами называют устройства для измерения доз ИИ или величин, связанных с дозами. Дозиметры состоят из детектора ядерных излучений и измерительного устройства. Обычно проградуированы в единицах дозы или мощности дозы. В некоторых случаях предусмотрена сигнализация о превышении заданного значения мощности дозы.

В зависимости от используемого детектора различают дозиметры ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры и др.

Дозиметры могут быть рассчитаны на измерение доз какого-либо определенного вида излучения или регистрацию смешанного излучения.

Дозиметры для измерения экспозиционной дозы РИ и -излучения или ее мощности называются рентгенметрами. В качестве детектора у них обычно применяется ионизационная камера. Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объём, в котором помещены положительный и отрицательный электроды. Анодом в ней служит токопроводящий слой, катодом – металлический стержень. К электродам подводится напряжение от источника питания, создающего в камере электрическое поле. Если радиоактивных излучений нет, то воздух в камере не ионизирован и не проводит электрический ток. Под воздействием излучений воздух ионизируется, цепь замыкается и по ней проходит ионизационный ток. Он поступает в электрическую схему прибора, усиливается, преобразуется и измеряется миллиамперметром, шкала которого отградуирована в рентгенах в час или миллирентгенах в час. Заряд, протекающий в цепи камеры, пропорционален экспозиционной дозе, а сила тока – ее мощности. Существуют дозиметры, детекторами которых являются газоразрядные счетчики.

Для измерения активности или концентрации радиоактивных изотопов применяют радиометры. Принцип их работы такой же, как у детекторов ИИ (камера Вильсона, фотопленки, счетчик Гейгера – Мюллера и т.п.).

Рассмотрим прибор контроля радиоактивного облучения – дозиметр ДКП-50А, предназначенный для измерения дозы внешнего облучения людей, находящихся на местности, заражённой радиоактивными веществами. Дозиметр ДКП-50А (рис.1.5) обеспечивает измерение доз γ-излучения в диапазоне от 2 до 50 Р при уровнях радиации от 0,5 до 200 Р/ч. Принцип его действия подобен принципу действия простейшего электроскопа и основан на том же свойстве ионизации среды. Ионизационную камеру и конденсатор перед работой заряжают от зарядного устройства. Поскольку визирная нить и центральный электрод соединены друг с другом, они получают одноимённый заряд , и нить под влиянием сил электростатического отталкивания отклоняется от центрального электрода. Размер отклонения нити зависит от величины приложенного напряжения, и путём его изменения нить при зарядке необходимо установить на ноль. При воздействии радиоактивного излучения в камере возникает ионизационный ток, в результате чего заряд дозиметра уменьшается пропорционально полученной дозе облучения и нить движется по шкале, указывая полученную дозу. Дозиметр во время работы носят в кармане одежды в вертикальном положении (как авторучку). Периодически наблюдая в окуляр дозиметра за положением нити на шкале, определяют дозу облучения, полученную во время работы на заражённой местности. Отсчёт проводится при вертикальном положении изображения нити.

Рис. 1.5. Дозиметр ДПК-50А: а – общий вид; б – шкала.

§4. Вклад различных источников ИИ в облучение населения.

Рассмотрим вклад различных источников в облучение населения¹ [1, 6, 8, 10, 17, 18].

1) Космическое излучение. Суммарно: эффективная эквивалентная доза 0.3 мЗв,

0.28 мГр/год – ионизирующий компонент;

3.5·10^-3мГр/год – нейтронный компонент;

2) Естественные радионуклиды: типичный диапазон мощности поглощенной дозы по всему миру – 14 – 90 нГр/час,

⁴⁰К – 120 мкЗв/год, ряды ²³⁸U и ²³²Th – 230 мкЗв/год,

внутреннее облучение организма за счет собственных радионуклидов, попавших внутрь вместе с пищей, водой, курением и т.д. (мкЗв/год).Внутри помещений: мощность поглощенной дозы на 1 этаже деревянного дома составляет  75 % мощности дозы вне помещения, на 2 этаже мощность дозы падает еще на 10-20%. Мощность дозы на всех этажах каменного здания примерно одинакова, т.е. излучение практически полностью поглощается в стенах этого здания.

Ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся при ядерных взрывах в атмосфере, проведенных по 1980 г. включительно, для северного полушария (мкГр): гонады 1500; костный мозг 2700; костные поверхности 3900; легкие 2600.

Ожидаемые коллективные дозы на единицу производимой электроэнергии вследствие выбросов в атмосферу работающих на угле электростанций (10^-3 чел.·Гр на ГВт·год):

140 – ингаляционное поступление во время прохождения шлейфа;

90 – внешнее и внутреннее облучение в результате отложения радионуклида на Земле.

3) Естественный радиационный фон (все источники радиации)  0,2 бэр /год (2 мЗв/год). Радиационный фон меняется в зависимости от местоположения, времени года, наличия промышленной зоны и др. В городах мощность дозы фонового излучения составляет около 20 мкР/час.

4) Вклад атомной энергетики 0.001 мЗв/год.

5) Ядерная энергетика  10^-4 мЗв/год.

6) Перелет самолетом на расстояние 2400 км 0.01 мЗв.

7) Ежедневный трёхчасовой просмотр телепередач в течение года – 0,005 мЗв.

8) Медицина  1.45 мЗв/год (см.табл. 4). Примером отрицательных последствий медицинского облучения является маммография: значительная доза облучения – около 1 рад – уже сама по себе может вызвать развитие злокачественной опухоли. Такое облучение увеличивает риск развития рака на 1%, а при ежегодной маммографии 1 миллиона женщин возможно получить до 6700 случаев рака, вызванных исключительно самим обследованием.

Риск, связанный с использованием ИИ можно разделить на риск получение генетических и соматических изменений в организме, которые должны рассматриваться по отдельности. Соматические эффекты проявляются в индивидууме, непосредственно подвергшемуся облучению. Генетические эффекты проявляются в следующем поколении. Генетический ущерб зависит от дозы, полученной гонадами, а также от числа детей, зачатых после рентгеновского облучения (это в значительной мере определяется возрастом облучённого человека). Наиболее существенным соматическим воздействием излучения на организм человека является возникновение разного рода опухолей.

Генетически значимая доза (доза облучения, наносящая генетический ущерб) от рентгеноскопии (РС), ренгенографии (РГ) и флюорографии (ФГ) составляет 77;149 и 1 мкГр/год соответственно.

В СССР соответствующие величины при обследованиях составляли: РС 413; РГ 74.3; ФГ 230 мкГр/год.

Таблица 4

Поглощенная доза в гонадах человека при одном сеансе рентгенографии, мГр:

в среднем по органам от 10^-4 до 20;

максимальная у мужчин – уретроцистография 172;

максимальная у женщин – сальпинография 67.

Количественную оценку воздействия ИИ в конкретной ситуации можно получить из следующих соображений:

1) средняя вероятность возникновения необратимых злокачественных новообразований в тканях человека, который получил дозу 10 мЗв, имеет величину порядка 10^-4;

2) суммарный риск, связанный с получением тканями эмбриона или плода на ранних стадиях их развития дозы 10 мЗв, лежит в пределах от 0 до 1000 случаев для всех видов последствий, включая возникновение как серьёзных отклонений, так и рака. Поэтому в процессе облучения должен быть обеспечен минимально возможный уровень дозы (принцип минимального воздействия) [9].

Таким образом, процентная доза облучения тела человека дозами ИИ составляет (в %):

Известно, что в условиях естественного радиоактивного фона, составляющего 2 мЗв/год, человечество жило и живёт, постоянно развиваясь и прогрессируя. Можно утверждать, что доза естественного фонового облучения безопасна.

§5. Взаимодействие РИ с веществом.

Регистрация и использование РИ, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновских фотонов с электронами атомов и молекул вещества.

п.1. Стадии взаимодействия РИ с веществом и каналы перераспределения энергии РИ.

Различают 3 стадии взаимодействия РИ с веществом:

1. возбуждение – физический процесс;

2. химические процессы;

3. физиологические процессы.

При этом различают три канала перераспределения энергии:

1. вторичное излучение с изменением частоты (длины волны) – излучательный канал;

2. безызлучательный канал – частицы успели столкнуться и передать энергию (тепло, акустика);

3. фотохимические процессы – ионизация, фотохимическая реакция и т.д. Соответственно доля поглощённой энергии состоит из трёх частей:

I_погл = I_изл + I_б/изл + I_фх.

1 = _изл+_б/изл+_фх

 - квантовый выход канала: какая часть квантов преобразуется в энергию:

 = (I_i)/(I_погл)

Канал перераспределения энергии зависит от кинетики этих процессов, т.е. времени их протекания (_изл, _б/изл, _фх). В зависимости от соотношения времен доминирует тот или иной процесс. Например, если _б/изл << {_изл, _фх}, то безызлучательный процесс будет преобладать.

п.2. Физическая стадия: первичные и вторичные процессы

взаимодействия РИ с веществом.

Преобразование энергии электромагнитного излучения в веществе происходит в элементарных актах взаимодействия фотонов с атомами и электронами среды. В зависимости от соотношения энергии h фотона и энергии ионизации A_и можно выделить следующие основные первичные процессы:

1) классическое рассеяние. Это рассеяние длинноволнового РИ; происходит без изменения длины волны. Оно возникает, если энергия фотона меньше работы по ионизации молекул: h < A_и. В поле электромагнитной волны возникают вынужденные колебания электронов с последующим переизлучением кванта той же частоты. Поэтому классическое рассеяние не несет биологического действия, однако, его следует учитывать при дозиметрии, поскольку в конечном итоге квант может поглотиться веществом, что будет приводить к накоплению дозы. Этот вид взаимодействия имеет значение при рентгеноструктурном анализе (см. гл.2 §2).