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 – основан на потемнении фотоэмульсии под воздействием ионизирующих излучений (разновидность химического).

Химический – основан на измерении концентрации ионов воды, которые появились в результате ее облучения ионизирующими излучениями. Можно использовать свойство некоторых веществ изменять свой цвет под воздействием излучений.

Полупроводниковый – основан на том, что некоторые полупроводники изменяют свое сопротивление под воздействием ионизирующих излучений.

Сцинтилляционный – основан на том, что некоторые вещества под воздействием ионизирующих излучений испускают фотоны видимого света.

Биологический – основан на исследовании состава крови и структуры зубов.

Ионизационный – основан на ионизации газов.

Контрольные вопросы к лекции №2

1. Что такое экспозиционная доза, и в каких единицах измеряется?

2. Что такое поглощенная доза, и в каких единицах она измеряется?

3. Что такое эквивалентная доза, и в каких единицах она измеряется?

4. Что такое эффективная эквивалентная доза, и в каких единицах она измеряется?

5. Что такое мощности доз, и в каких единицах они измеряются?

6. Краткая характеристика ионизирующих излучений.

7. Ионизирующая способность гамма-излучения.

8. Ионизирующая способность бета-частиц.

9. Ионизирующая способность альфа-частиц.

10. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом.

11. Проникающая способность гамма-излучения.

12. Проникающая способность бета-излучения.

13. Проникающая способность альфа-излучения.

Лекция 3. Источники ионизирующих излучений

Различают естественные и искусственные источники ионизирующих излучений. К естественным источникам относят космическое излучение, излучение от природных радионуклидов земного происхождения. К искусственным источникам ионизирующих излучений относят антропогенный радиационный фон, радиоактивное загрязнение местности и воздушной среды при авариях на радиационных объектах, заражение местности и атмосферы при взрывах ядерных боеприпасов.

Космическое излучение

Космическое излучение делят на галактическое, межгалактическое и солнечное. Их также делят на первичное и вторичное излучение.

Галактическое и межгалактическое космическое излучение – это поток протонов (92%) альфа-частиц (7%). Остальное (около 1%) – это в основном, ядра легких элементов: лития, бериллия, азота, углерода, кислорода, фтора и др. Средний возраст галактического излучения от 1 млн. до 10 млн. лет, а плотность потока частиц величина постоянная и составляет 1–2 частицы/см²с.

Низкое содержание нейтронов в космических лучах объясняется тем, что нейтрон в свободном состоянии неустойчив и распадается на протон и электрон. Время его «жизни» составляет около16 минут. Считается, что электроны, позитроны и гамма-лучи поглощены космической пылью, поэтому их очень мало в составе космического излучения.

Галактическое излучение обладает очень высокой энер-
гией – 10¹² – 10¹⁵ МэВ. Считается, что такая большая энергия объясняется разгоном частиц магнитными полями звезд.

Такое излучение губительно для всего живого. К счастью, протоны задерживаются радиационными поясами Земли, их энергия несколько уменьшается.

Существование поясов связано с наличием магнитного поля Земли. Заряженные частицы обычно движутся вдоль магнитных силовых линий по спирали. Имеется два радиационных пояса. Внешний радиационный пояс находится на расстоянии от 1 до 8 радиусов Земли, внутренний на расстоянии 400–10000 км. Наибольший прорыв космического излучения на полюсах, поэтому Северный и Южный полюса получают больше космической радиации.

Частично потерявшие энергию космические лучи попадают в атмосферу и ею поглощаются, вызывая вторичное излучение, представляющее почти все известные частицы и фотоны.

Первичное излучение преобладает на высотах 45 км и выше, а вторичное излучение достигает максимальной величины на высотах 20–25 км. На широте г. Минска человек получает на Земле 50 мрад/год, но с ростом высоты интенсивность облучения с каждым километром увеличивается вдвое.

Космические лучи, проходя через атмосферу, вызывают появление космогенных радионуклидов, которых насчитывается около 20. Наиболее значительные из них тритий, углерод-14, берилий-7, сера-32, натрий-22, 24. Эти радионуклиды, распадаясь, испускают бета-частицы. Наиболее опасными из них являются тритий (период полураспада 12,3 года) и углерод-14 (период полураспада – 5730 лет). Оба радионуклида непрерывно возникают и непрерывно распадаются. Существует определенное равновесие в природе и всегда имеется некоторый его запас. Смешиваясь с углеродом и водородом, тритий и углерод-14 попадают в воду, в человека, в животных, в растения и представляют определенную угрозу для жизни и здоровья человека.

Углерод-14 поступает в организм человека через желудочно-кишечный тракт и через легкие. В организме распределяется равномерно. Период биологического полувыведения из организма - около 200 суток. Он вызывает трансмутационный эффект: встраиваясь в азотистые основания нуклеиновых кислот, углерод при распаде превращается в стабильный азот-14, что вызывает изменение структуры азотистых оснований ДНК, в результате чего меняется смысл генетического кода. Эти изменения не поддаются репарации, и их доля от всех мутаций составляет около 10%.

Наша справка. С помощью углерода-14 можно определить по останкам людей или животных время их смерти. Пока человек или животное живые, то идет постоянный процесс обновления углерода. После смерти этот процесс прекращается и начинается процесс распада углерода-14. Зная начальное количество и период полураспада можно определить время, прошедшее после смерти животного или человека.

· Вклад в космическое излучение вносят и вспышки на Солнце. В этом случае происходит выброс в космическое пространство протонов с энергией до 40 МэВ, иногда энергия достигает и 100 МэВ. Однако, по сравнению с галактическим излучением эта энергия незначительна.

Человек, живущий на уровне моря, получает в среднем от космического облучения 0,315 мЗв/год, в том числе за счет внешнего облучения – 0,3 мЗв/год и за счет внутреннего облучения 0,015 мЗв/год.

Земная радиация

По мнению большинства ученых Солнечная система и планета Земля образовались в результате космического взрыва.
В начале практически все химические элементы Земли были радиоактивными, так как в ядрах атомов был избыток протонов или нейтронов. Почему так произошло науке точно неизвестно.
С тех пор на планете Земля идет процесс распада радионуклидов.

Поэтому, в любой почве, в воздухе, в воде, в живых организмах всегда имеются в незначительных количествах радионуклиды, но больше всего их в гранитах, в глиноземах, в песчаниках, в известняках. Возраст Земли 5,3 млрд. лет, поэтому на Земле сохранились только радионуклиды с большим периодом полураспада, остальные распались.

Радионуклиды земного происхождения подразделяются на радионуклиды средней части Периодической таблицы Д.И.Менделеева и на радиоактивные семейства тяжелых элементов.

Родоначальником семейства урана является уран-238 с периодом полураспада 4,5 млрд. лет.

Родоначальником семейства тория является торий-232 с периодом полураспада 10 млрд. лет.

Родоначальником семейства актиния является уран-235 с периодом полураспада 700 лет.

Конечный продукт распада всех семейств – свинец.

Во всех трех семействах один из продуктов распада – газ. В семействе урана это радон, в семействе тория – торон, в семействе актиния – актион. Последние два изотопы радона. Именно газ попадает в воздух, почву, растворяется в воде и попадает, наконец, в организм человека.

В Республике Беларусь таким газом является радон. Человек половину земной радиации получает именно от радона. Радон повсеместно выделяется из земли, воды, стройматериалов.

Анализ показывает, что в типичный дом поступает радона: из почвы – 70%, из внешнего воздуха – 13%, из стройматериа-
лов – 7%, из воды – 5–10%, из природного газа – 4%, от других источников – 2%.

Это бесцветный инертный газ, не имеющий вкуса и запаха, тяжелее воздуха примерно в 7,5 раз. Являясь альфа-излучателем, радон является причиной заболеваний раком легких, желудка и других органов. Особенно опасен радон для легких, надпочечников, гонад и костного мозга.

Следует помнить, что концентрация радона в закрытых помещениях летом выше не менее чем в 8 раз, а в зимнее время выше в 5000 раз по сравнению с минимальным фоном. Обычно концентрация радона на кухне примерно в 40 раз выше, чем в жилой ком нате. Высокое содержание радона в ванне, в спальных помещениях. Исследования в квартирах жителей г.Минска и некоторых других городов показали, что в ванной комнате объемная активность составила 8,5–9 кБк/м³, на кухне – 3–3,5 кБк/м³, в жилых помещениях 0,2 кБк/м³.

С геологической точки зрения около 40% территории Республики Беларусь являются потенциально радоноопасными. Исследования содержания радона в квартирах в летнее время показали, что оно по Минску и в большинстве городов составляет
30–35 Бк/м³, но в Дзержинском районе Минской области оно достигало 400 Бк/м³. Имеются требования НРБ-2000 по содержанию радиоактивности в строительных материалах.

Для ослабления воздействия радона на организм человека необходимо проветривать помещения не менее 5 часов в сутки, во время кипения воды в чайнике или другой закрытой посуде необходимо открывать на несколько секунд крышку, чтобы радон испарился из воды. Сушка белья должна быть вне помещений, а после стирки ванна должна быть хорошо проветрена. Следует помнить, что и при сжигании газа на кухне также необходимо проветривать помещение, так как из природного газа также выделяется радон. Так как, радон является альфа-излучателем и выделяется, в том числе и из стен, то их рекомендуется или красить или оклеивать обоями.

Справка. Ученые обнаружили и следующие противоречия: в зонах с высокими уровнями радиации заболеваемость раком иногда наблюдается даже меньше, чем в зонах с минимальным радиационным фоном. Одновременно в зонах с повышенным радиационным фоном рождаемость в 2 раза меньше.

· Как уже отмечалось, в средней части таблицы Менделеева находятся 12 радионуклидов с большим периодом полураспада, это: калий-40, кальций-28, церий-132, индий-115, лантан-138, рубидий-87 и другие. Однако, только калий-40 и рубидий-87 оказывают существенное влияние на здоровье человека, так как являются элементами биологической ткани.

В Республике Беларусь радионуклиды находятся, в основном, в верхнем 30-сантиметровом слое почвы. На некоторых участках, например активность калия-40 достигает 1–2 Кu/км².

По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет 0,35 мЗв.

Таким образом, от естественного радиационного фона человек получает дозу: от радона – около 55%, от калия-40 – около 13%, от космических лучей – 15–16%, от других естественных источников около 15%.