Исследование основных методов защиты от действия внешнего ионизирующего излучения

Цель работы - установить зависимость мощности экспозиционной дозы α- излучения, действующего на детектор, от расстояния между источником α- излучения и детектором и исследовать зависимость мощности экспозиционной дозы γ- излучения от материала защитного экрана, а также величину естественного радиационного фона.

Ионизирующие излучения получили свое название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Элементарный акт взаимодействия излучения с веществом- поглощение энергии кванта валентным электроном, приводящее к переходу атома или молекулы в возбужденное состояние вплоть до высвобождения электрона. При освобождении электрона оставшаяся часть атома или молекулы, приобретая положительный заряд, становится положительным ионом. При возврате возбужденного атома или молекулы в исходное состояние без освобождения электрона выделяется излучение определенной энергии.

Все ионизирующие излучения по своей физической природе подразделяются на электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные излучения- это рентгеновское излучение, γ- излучение радиоактивных элементов итормозное излучение. Рентгеновское излучение возникает при воздействии на вещество сильного электростатического поля (при разности потенциалов более 10-12 кВ). Взаимные превращения и распады радиоактивных элементов сопровождаются появлением γ- излучения. Тормозное излучение возникает при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. Видимый свет и радиоволны- тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длиной волны (то есть малой энергией) или, как принято говорить, меньшей жесткостью.

Все остальные виды тонизирующих излучений можно рассматривать как пучки элементарных ядерных частиц, ядер элементов или ионов- корпускулярные излучения. Большинство из них-заряженные частицы: β- частицы (электроны, позитроны), протоны- ядра атомов водорода, дейтроны (ядра атомов тяжелого водорода-дейтерия), α-частицы (ядра атомов гелия), тяжелые ионы (ионы и ядра атомов других химических элементов).

Кроме того, к корпускулярным излучениям относят и не имеющие заряда ядерные частицы- нейтроны.

Наряду с ионизирующей способностью характерным свойством ионизирующих излучений является их проникающая способность в облучаемое вещество. Глубина проникновения ионизирующих излучений в вещество зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц и их энергии, а с другой стороны,- от состава и плотности облучаемого вещества.

Электромагнитное ионизирующее излучение обладает большой проникающей способностью, так как поглощается в веществе незначительно. Поглощение электромагнитного пучка одной энергии в стае описывает зависимость

где Iи I(х)- интенсивности, соответственно, падающего излучения и излучения, прошедшего через вещество толщиной х;

μ- линейный коэффициент поглощения, который характеризует поглощающую способность вещества.

 

Для корпускулярных ионизирующих излучений проникающая способность значительно меньше. Это можно объяснить либо наличием у частиц, ионизирующих веществ, электрического заряда, либо при его отсутствии наличием значительной массы частиц (нейронов). Проникающую способность корпускулярных ионизирующих излучений удобно характеризовать величиной пробега частиц в веществе.

При облучении биологических объектов разными видами ионизирующей радиации в одинаковых условиях возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, что связано с пространственным распределением проникающей радиации в биологическом объекте. Это приводит к ионизации атомов и молекул не только на внешней поверхности объекта, но и во внутренних органах и тканях или исключительно во внутренних органах и тканях.

Каждому биологическому объекту свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующей радиация, своя радиочувствительность. Например, в канале ядерного реактора обнаружены бактерии, названные микрококк радиорезистентный, которые не только не погибают, но живут и размножаются в этих условиях. Степень радиочувствительности сильно варьируется и в пределах одного биологического вида, а для определенного индивидуума зависит также от возраста и пола. Кроме того, даже в одно организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности и наряду с чувствительными (кроветворные ткани, эпителий слизистой тонкого кишечника), имеются радиационно- устойчивые ткани (мышечные, нервные, костные). Хотя обычно ткани, относящиеся к радиорезистивным по непосредственным лучевым реакциям, оказываются весьма радиочувствительны по отдаленным последствиям.

Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы излучения.

Общее представление о количестве падающей на объект энергии излучения за время облучения может быть получено измерением так называемой экспозиционной дозы Х, определяемой как

Х=dQ/ dm

гдеdQ- полный заряд ионов одного знака, возникающей в воздухе;

dm- масса воздуха в данном объекте.

Экспозиционная доза-это доза излучения в воздухе. Она характеризует потенциальную опасность воздействия ионизирующих излучений при общем и равномерном облучении тела человека Экспозиционная доза в системе единиц СИ измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей экспозиционной дозы излучения является рентген (Р).

Рентген -это доза гамма- излучения, под действием которого в l кубическом см сухого воздуха при нормальных условиях (температура 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.) создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Дозе в 1Р соответствует образование 2,08х10⁹ пар ионов в 1 кубическом см воздуха. Как видно из определения, экспозиционную дозу удобнее всего использовать для характеристики электромагнитных ионизирующих излучений.

Эффект от воздействий ионизирующих излучений на объект при прочих равных условиях прежде всего определяется величиной энергии ионизирующей излучения, переданной веществу поглощенной дозой D.

Поглощенная доза более точно характеризует воздействие ионизирующих излучений га биологические ткани. В системе СИ она измеряется в греях (Гр). 1Гр- это такая поглощенная доза, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 Дж, следовательно, 1 Гр= 1 Дж/кг. Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.

Доза в органе или ткани (D_т)- средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела

,

где m- масса органа или ткани,

D- поглощенная доза в элементе Т массы dm.

Для сравнительной оценки биологического действия разных видов излучения или смешанных излучений при равных поглощенных дозах используется понятие эквивалентной дозы H_T.R.

H_T,R=W_R*D_T,R

гдеD_T,R- средняя поглощенная доза в органе или ткани Т;

W_R взвешивающий коэффициент для излучения R.

В качестве единицы эквивалентной дозы в системе СИ используется зиверт (Зв), используемая ранее внесистемная единица- биологический эквивалент- рада (бэр) равна 0, 01 Зв.

Единицами измерения мощности дозы являются: Кулон на килограмм в секунду (Кл/кг*с), рентген в час (Р/ч); Грей в секунду (Гр/с), рад в час (рад/ч); Зиверт в секунду (Зв/с), бэр в час (бэр/ч).

Основными документами, регламентирующими действие ионизирующих излучений в РФ, являются "Нормы радиационной безопасности" (НРБ- 99) и "Санитарные правила" (СП 2.6.1.758- 99). Эти документы регламентируют основные требования по обеспечению радиационной безопасности и распространяются на предприятия, учреждения, лаборатории и другие организации всех министерств и ведомств, которые производят, обрабатывают, применяют хранят или транспортируют естественные и искусственны радиоактивные вещества, другие источники ионизирующих излучений.

НРБ устанавливают следующие категории облучаемых лиц:

- персонал группы А и Б (профессиональные работники);

- все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Устанавливаются также три группы критических органов в порядкеубывания радиочувствительности:

1 группа- все тело, гонады и костный мозг;

2 группа-мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, исключая относящиеся к 1 и 3 группам;

3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, лодыжки и стопы.

Для каждой категории облучаемых лиц устанавливаются два класса нормативов: основные розовые и допустимые уровни.

Основное внимание уделяется ограничению воздействия на население облучения с медицинскими целями и от использования строительных материалов с повышенным содержанием радионуклидов.

Как же экспериментально измеряют характеристики ионизирую и излучений? Можно выделить шесть основных методов дозиметрии ионизирующих излучений: ионизационные камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционный метод, люминесцентный детектор, фотографический и химический методы.

Далее рассмотрим сцинтилляционный метод, так как в лабораторных работах используются детекторы, основанные на этом методе. Схема работы сцинтилляционного дозиметра- излучение взаимодействия с веществом сцинтиллятора (например, кристаллы NaI- йодида натрия),образует в нем электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света. Свет через световод направляется на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Из фото катода выбиваются фотоэлектроны, и усиленный электронный ток попадает на анод. Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе, соответствует импульс тока в анодной цепи фотоэлектронного умножителя, следовательно, измерению может подлежать как среднее значение анодного тока, так и число импульсов тока в единицу времени. В соответствии с этим различают токовый (интегрирующий) и счетчиковый режимы сцинтилляционного дозиметра.

Большинство методов защиты от воздействия внешних ионизирующих излучений основано на трех способах уменьшения влияния ионизирующего излучения на биологические объекты:

- увеличение расстояния между источником излучения и объектом;

- установка защитных экранов между источником излучения и объектом;

- уменьшение времени воздействия излучения на объект.

Целью исследования данной работы является:

- исследование зависимости мощности экспозиционной дозы γ-излучения, действующего на детектор, от расстояния между источником γ-излучения и детектором;

- исследование зависимости мощности экспозиционной дозы γ-излучения, действующего на детектор, от материала защитного экрана при фиксированном расстоянии между источником и детектором;

- исследование зависимости эквивалентной дозы, полученной биологическим объектом, от времени воздействия гамма-излучения на объект.

 

 

Оборудование

Оборудование для исследования основных методов защиты от действий внешнего ионизирующего излучения:

- блок питания Б5- 47;

- дозиметр СРП- 68- 01

- детектор дозиметра

- измерительная линейка

- источник γ- излучения в предохранительном кожухе

- защитные экраны.

Блок питания представляет собой источник импульсного тока. Рабочий режим: напряжение 7,8 В, максимальный потребляемый ток 0,2 А.

Дозиметр- это интегрирующий радиометр, работающий со сцинтиллятором NAI в режиме тока.

Порядок работы:

1. Включить блок питания тумблером «Вкл.» и радиометр переключателем рода работы «в положении «Пит.»). Если показания радиометра равны 15±1, то переключатель пределов измерения переводим в положение «1000 мкР/ч», а переключатель рода работы в положение «5».

2. Установим расстояние между источником и детектором не менее 80 см, снимем суммарное значение фона, обусловленного несовершенством конструкции радиометра и естественного радиационного фона. Измерение повторим не менее 5 раз.

3. Снимем предохранительную крышку с источника, установим расстояние между источником и детектором равным 0 см и снимем зависимость мощности экспозиционной дозы от расстояния между детектором и источником (до 80 см включ.), по мере необходимости увеличивая чувствительность радиометра переключением пределов измерения.

4. Установим защитный экран вплотную между источником излучения и детектором и снимем значение мощности экспозиционной дозы в веществе экрана на расстоянии, равном толщине защитного экрана. Повторим измерение для всех трех защитных экранов.

5. Закроем источник излучения предохранительной крышкой, переведем переключатель рода работы в положение «Выкл.» и выключим источник питания.

Исследование радиационного фона

Целью является исследование радиационного фона естественных источников излучения. К естественным источникам ионизирующих излучений относятся космическое излучение и естественные радиоактивные вещества, распределенные на поверхности и в недрах Земли, в атмосфере, воде, растениях и организмах всех живых существ, населяющих нашу планету.

Источниками образования космического излучения являются звездные взрывы в Галактике и солнечные вспышки. Солнечное космическое излучение не привадит к заметному увеличению мощности дозы излучения на поверхности Земли. Земными источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов.

При непосредственном измерении значения величины мощности дозы за счет естественного фона в большинстве районов земного шара колеблются в пределах от 4 до 12 мкРч.

Оборудование для исследований радиационного фона

- радиометр;

- детектор радиометра;

- исследуемые образцы.

Радиометр работает в счетчиковом режиме с детектором на основе сцинтилляционного кристалла NaI- йодида натрия.

Порядок работы:

1. Включим радиометр (кнопка «Вкл.» в утопленном положении). Установим время измерения, равным 4 секунды. Нажмем кнопку «Сброс» и произведем измерение значения радиационного фона нажатием кнопки «Пуск». Признаком окончания измерения является отображение времени измерения, установленного переключателем пределов времени измерения, на индикаторе времени измерения. Повторим измерения не менее трех раз. Найдем среднее значение мощности экспозиционной дозы от радиационного фона.

2. Установим исследуемые образцы в непосредственной близости от детектора радиометра и произведем измерения мощности экспозиционной дозы, создаваемой ими. Измерения произведем не менее трех раз.

3. Выключим радиометр нажатием кнопки «Выкл.».

Обработка результатов

1. Результаты измерений занесем в таблицу. Определим среднее значение мощности экспозиционной дозы радиационного фона и значения мощности экспозиционной дозы, создаваемой исследуемыми образцами. Вычитая значение среднего фона из полученных значений, определим абсолютное значение мощности экспозиционной дозы, создаваемой исследуемым образцом.

2. Сделаем вывод.

Вывод: В ходе работы установили зависимость мощности экспозиционной дозы α- излучения, действующего на детектор.