Ионизирующие излучения и дозы их

ПАМЯТКА

для студентов по подготовке к лабораторной работе, её выполнению и оформлению

Запрещается в лаборатории находиться в верхней одежде, пользоваться сотовым телефоном, курить в здании.

Обязательно ознакомьтесь с правилами безопасности и распишитесь в специальном лабораторном журнале.

Выполняйте лабораторную работу под руководством и наблюдением преподавателя или учебно-вспомогательного персонала.

Студент допускается к выполнению работы с приборами лишь после ознакомления с методическими указаниями по выполнению лабораторной работы и особенностями работы с прибором.

Перед каждым включением прибора необходимо убедиться в его исправности и в том, что пуск прибора безопасен.

Выполняйте только ту лабораторную работу, к которой допускает преподаватель. Аккуратно обращайтесь с исследуемыми пробами, не вскрывайте их упаковку.

Следите за порядком на лабораторном столе.

После окончания работы выключите прибор, приведите в порядок рабочее место, исследованные пробы аккуратно поставьте рядом с прибором, стул придвиньте к столу.

Доложите преподавателю об окончании работы с прибором и замеченных неисправностях.

Оформление работы и все расчёты лучше производить на рабочем месте вдали от радиоактивных проб и прибора.

В конце занятия учащийся должен сдать педагогу выполненную работу, о чём последний делает отметку в своём журнале и подписывает работу.

 

Лабораторная работа № 1

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ДОЗЫ ИХ

ИЗМЕРЕНИЯ

1. Цель работы — ознакомиться с основными понятиями радиационной безопасности: явление радиоактивности, физические единицы измерения радиоактивных излучений, дозы и мощность дозы облучения, виды излучения и их природа, дозовые нагрузками на человека.

2. Порядок выполнения работы:

2.1. Изучить настоящие методические материалы.

2.2. Законспектировать в рабочую тетрадь ответы на вопросы к зачёту.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

А. Беккерель (1852-1908)

В. К. Рентген (1845 - 1923)

3.1. Явление радиоактивности и естественная радиоактивность были открыты в мае 1896 г. французским ученым физиком Анри Беккерелем. За пол года до этого открытия (8 ноября 1895 г.) вюрцбургский (немецкий) физик Вильгельм Конрад Рентген открыл излучение (Х-лучи), обладающее большой энергией и проникающей способностью. Оно известно сегодня как рентгеновские лучи, которые возникают тогда, когда катодные лучи (электроны), испускаемые отрицательным электродом (катодом) электронно-вакуумной лампы, ударяют в другую часть лампы во время высоковольтного разряда. Анри Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, почернение фотографической пластинки. Загадочное излучение, которое совершенно очевидно являлось присущим урану свойством, стало известно как лучи Беккереля.

В 1898 г. этим явлением заинтересовались ученица Беккереля Мария Складовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри. Они обнаружили, что торий также испускает лучи Беккереля, и переименовала их в радиоактивность. После тщательных исследований они открыли

Мария Складовская-Кюри (1867 – 1934)

Пьер Кюри (1859 - 1906)

два новых радиоактивных элемента - полоний (названный так в честь родины Мари Складовской-Кюри - Польши) и радий («радий» в переводе с латинского – испускающий лучи, «излучающий»).

В 1911 г. английский ученый Эрнест Резерфорд, исследуя рассеяние α-частиц тонкой металлической фольгой, предположил, что внутри атома имеется ядро шарообразной формы размером около 10^-12 см. Позже (1919 г.), исследуя реакцию ₇¹⁴N+₂⁴He®₈¹⁷O+₁¹H (протон) он высказал гипотеза о существовании нейтрона ₀¹n.

Используя эту модель, великий датский физик-теоретик Нильс Бор в 1913 г. разработал первую теорию строения атома: атом имеет положительно заряженное ядро и окружающие его электроны (рис.

Э. Резерфорд (1871 – 1937)	Н. Бор (1885-1962)

1.1). В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер составляют 10^-10 - 10^-15 м.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик открыл нейтрон в реакции ₄⁹Be+₂⁴He® ¹²₆C+ ₀¹n. В этом же году немецкий ученый В. Гейзенберг и независимо от него отечественный физик Д.Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель строения атомного ядра. Согласно этой модели ядра атомов включают в себя два вида элементарных частиц протоны (р) и нейтроны (n). Связанное состояние в n-р –системе называется дейтроном. Сколько в ядре протонов, столько и электронов вращается вокруг ядра (рис. 1.1).

Количеству протонов в ядре соответствует номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Ядро любого элемента называется нукли
дом. Нуклид обозначается символом химического элемента с указанием атомного номера и массового числа в качестве нижнего и

Рис. 1.1. Схематическое изображение атома.

верхнего индекса соответственно (например, ₂⁴Не). В дальнейшем в ряде случаев для краткости изложения будет указываться только массовое число химического элемента.

Ядра с одним и тем же зарядом, но с разными массовыми числами (одинаковым количеством протонов и разным – нейтронов) называют изотопами. Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек и, следовательно, близкие химические свойства. Они занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Например, у первого элемента таблицы Менделеева - водорода существуют следующие изотопы:

- водород - ¹Н (стабильный),

- дейтерий - ²Н (стабильный),

- тритий - ³Н (радиоактивный элемент, период полураспада - 12 лет).

У цезия имеются 20, у йода – 19, у стронция – 12, у плутония – 7 изотопов и т.д.

В таблице Менделеева (см. приложение) более 100 химических элементов. Почти каждый из них представлен смесью стабильных и радиоактивных атомов - изотопами данного элемента. Известно почти 2000 изотопов, из которых почти 300 – природные, т. е. естественные (столько же и стабильных изотопов), остальные – получены искусственным путём. Продукты ядерного взрыва содержат более 100 нестабильных изотопов. Большое количество радиоактивных изотопов содержится в продуктах деления ядерного горючего в ядерных реакторах АЭС и др. Но среди них количество изотопов, имеющих практическое значение и играющих заметную роль в природе невелико - не более десятка.

Радиоактивность - свойство некоторых нестабильных атомов к самопроизвольным превращениям (распаду) и к изменению своего нуклонного состава (количество протонов и нейтронов в ядре) и (или) энергетического состояния с образованием новых атомов (стабильные или радиоактивные) и испусканием ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ с большей или меньшей ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ. Эти излучения и называются в обиходе радиацией («Radiation» в переводе с английского - "излучение"). Термин «радиоактивность» предложен Марией Склодовской Кюри в 1898 г. Позже был предложен знак: «Радиоактивность» для предупреждения работающих об опасности облучения.

Знак: «Радиоактивность»

Нестабильные изотопы, наряду с тяжелыми элементами с атомным номером выше 83, составляют многочисленное семейство нестабильных ядер нуклидов, претерпевающих радиоактивный распад и объединяемых единым понятием радионуклидов. Соотношение числа протонов и нейтронов в их ядрах превышает 1 и достигает 1,6.

Число ядер радионуклидов постоянно уменьшается во времени благодаря распаду. Скорость распада этих ядер принято характеризовать периодом полураспада (Т_½) - временем, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в 2 раза. У каждого радионуклида свой период полураспада, он может составлять как доли секунды, так и миллиарды лет. Период полураспада любого радионуклида постоянен, и изменить его невозможно. Чем больше период полураспада и массовое число радиоактивного элемента, тем большее его количество соответствует одному кюри (1 Ки). Например, 1 Ки соответствует: 1 мг ⁶⁰Со (Т_½ = 5 лет), 1 г ²²⁶Rа (Т_½ = 1590 лет), 16 г ²³⁹Рu (Т_½ = 2400 лет), 570 кг ²³⁵U (Т_½ = 880 млн. лет).

Рис. 1.2. Распад радионуклидов.

Убывание количества распадающихся ядер радионуклида происходит по экспоненте (рис. 1.2). Поэтому полностью радионуклид не исчезнет никогда. Так, например, для радионуклида с периодом полураспада 1 час количество его станет меньше первоначального в 2 раза через 1 ч, через 2 ч - в 4, через 3 ч - в 8 раз и т.д. Динамика распада описывается законом радиоактивного распада, устанавливающим, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля ядер данного радионуклида. Эта доля атомов, распадающихся в 1 секунду, называется радиоактивной постоянной распада (постоянная или константа распада) и обозначается λ. Величины λ и T_1/2 связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью: λ = ln 2 / T_1/2. Учитывая, что ln 2 = 0,693, данная формула может приобрести следующий вид: λ = 0,693 / Т_1/2 (сек^-1).

Из закона радиоактивного распада следует, что N_t = N₀•e^-λt, где N₀ - число радиоактивных атомов в начальный (нулевой) момент времени, N_t число атомов, оставшихся к моменту t (время в секундах), e – основание натурального логарифма (е - 2,718). Так как за время, равное одному периоду полураспада, число радиоактивных атомов уменьшается в два раза, то при t = T_1/2 имеем: N_t = N₀/2: e^-λt = 1/2; e^-λt = 2 (где t = T_1/2) и, в итоге, ln 2 = λ•Т_1/2.

Из указанного закона следует, что количество ядер, распадающихся за промежуток времени dt, прямо пропорционально количеству нераспавшихся ядер: dN/dt = λN. При этом N = N₀ e^-λt, или

N = N0е - 0,693^t^/^T,

где N₀ – количество ядер радионуклида в момент начала отсчёта времени (t = 0); λ – постоянная распада; N – количество ядер радионуклида спустя время t; e – основание натурального логарифма = 2,718.

Следует различать радиоактивность и радиацию. Радиоактивность – способность некоторых нестабильных атомов к самопроизвольному распаду или изменению своего нуклонного состава с испускание ионизирующих излучений. Источники ионизирующих излучений - радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.). Они могут существовать долгое время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе. Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций.

3.2. Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Это частицы или γ-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. Энергии ионизирующей радиации вполне хватает, чтобы выбить хотя бы один электрон из встречного атома По-

Рис. 1.3. Образование ионов, заряжённых положительно и отрицательно.

добные атомы без электрона называются ионами (рис. 1.3).

Рис. 1.4. Неоднородность проника- ющей радиации.

Самым известным видом ионизирующей радиации является рентгеновское излучение. При ядерном взрыве, авариях на АЭС, ядерных превращениях появляются и действуют другие невидимые и не ощущаемые человеком излучения. По своей природе они могут быть электромагнитными, как, например, гамма(γ)- и рентгеновское излучения (так называемое фотонное излучение), или представлять поток быстро движущихся элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета (β)- и альфа (α)-частиц (это корпускулярное излучение). Любые ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют их атомы и молекулы. ИОНИЗАЦИЯ среды тем сильнее, чем больше мощность дозы радиоактивного излучения и длительнее их воздействие.

На рис. 1.4 представлен классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу ионизирующего излучения. Вся установка размещалась в вакууме. Под действием магнитного поля пучок распадался на три потока.

Две составляющие потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Э. Резерфорд, обнаруживший в 1899 г. эти две составляющие излучения, назвал менее проникающую α-излучением и более проникающую - β-излучением. Третья составляющая урановой радиации, не отклонявшаяся магнитным полем и самая проникающая из всех, была открыта через год (1900 г.) Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом (α и β) третьей буквой греческого алфавита - γ-излучением. Следовательно, положительно заряженный компонент получил название α-лучей, отрицательно заряженный – β-лучей и нейтральный – γ-лучей.

Каждому виду излучения присущи свои ионизирующая и проникающая способности. Именно эти свойства лежат в основе повреждающего действия ионизирующих излучений на живые клетки человека или животного, что приводит к развитию заболевания, различной степени тяжести, а в некоторых случаях и к смерти. Рассмотрим эти две способности для различных излучений.

Альфа-излучение (α-излучение) представляет собой поток α-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца, элементов с № > 83 (например, урана, тория, радия, плутония, табл. 1.1), или образующихся в ходе ядерных реакций. α-частица фактически являются ядрами гелия (₂⁴Не), состоящими из двух протонов и двух нейтронов (статический электрический заряд равен +2, массовое число - 4). q = 2е. Скорость α-частицы при вылете из ядра - от 12 до 20 тыс. км/сек. В вакууме α-частица могла бы обогнуть земной шар по экватору за 2 с. Ионизирующая способность α-излучения в воздухе характеризуется образованием в сред-

Таблица 1.1.

Альфа-излучатели

Радионуклид Обозначение Годовая доза облучения человека при уровне радиоактивности пробы 0.1 Бк/кг, мЗв Полоний-210 ^210Po 0.045 Радий-224 ^224Ra 0.006 Радий-226 ^226Ra 0.016 Торий-232 ^232Th 0.130 Уран-234 ^234U 0.003 Уран-238 ^238U 0.003 Плутоний-239 ^239Pu 0.040

нем 30 тыс. пар ионов на 1 см пробега. Это очень много. Ионизирующая способность представляет главную опасность данного излучения. Проникающая способность, наоборот, невелика. Например, у α-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5 см, в воде или в мягких тканях животных и человека — сотые доли миллиметра. α-частицы задерживает обычный лист бумаги (0, 1 мм), магнитным полем они отклоняются слабо.

Бета-излучение (β-излучение) представляет собой поток электронов или позитронов с массой, равной 1/1837 массы протона, образующихся при β-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых (радий-228) - см. табл. 1.2. β-распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом β-частиц (позитрона или электрона). β-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений: электронный, позитронный распад и К-захват.

Отрицательно заряженные β-частицы – электроны или положительно заряженные – позитроны движутся со скоростью, близкой к скорости света (0, 999 скорости света, v = 10⁸м/с). Ионизирующая

Таблица 1.2.

Бета-излучатели

Радионуклид Обозначение Годовая доза облучения человека при уровне радиоактивности пробы 0.1 Бк/кг, мЗв Кобальт-60 ^60Co 0.005 Стронций-89 ^89Sr 0.003 Стронций-90 ^90Sr 0.020 Йод-129 ^129I 0.080 Йод-131 ^131I 0.016 Цезий-134 ^134Cs 0.014 Цезий-137 ^137Cs 0.009 Свинец-210 ^210Pb 0.950 Радий-228 ^228Ra 0.200 Калий-40 ^40К 0,085

способность их невелика и составляет в воздухе 40 – 150 пар ионов на 1 см пробега.

Проникающая способность β-частиц намного выше, чем у α-излучения. Она характеризуется минимальной толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все β-частицы. Например, от потока β-частиц с максимальной энергией 2 МэВ человека полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм. В воздухе их пробег достигает 20 м, магнитным полем β-частицы отклоняются сильно.

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение (длина волны 10^–10–10^–14 м), возникающее в некоторых случаях при α- и β-распаде, или аннигиляции частиц. Отдельно от других видов излучения оно не существует. γ-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение высокой энергии, распространяющееся со скоростью света. Ионизирующая способность его в воздухе – всего несколько пар ионов на 1 см пути, т.е. значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. А вот проникающая его способность очень велика – в 50 – 100 раз больше, чем у β-излучения - в воздухе она составляет сотни и тысячи метров. Большинство γ-квантов проходит через биологическую ткань и только незначительное их количество поглощается телом человека. Поэтому защита от внешнего γ-излучения представляет наибольшие проблемы. Защита осуществляется свинцом (рис. 1.5).

 

Рис. 1.5. Проникающая способность излучения.

На загрязненных радионуклидами в результате Чернобыльской катастрофы территориях в настоящее время присутствуют (исключая ¹³¹I* и ¹³⁴Cs*) следующие виды ионизирующих излучений (табл. 1.3):

Таблица 1.3.

Вид радиации	Йод-131*	Цезий-134*, 137	Стронций-90	Плутоний-238, 239, 240	Америций-241
Альфа	-	-	-	+	+
Бета	+	+	+	-	-
Гамма	+	+	-	-	-

Рентгеновское излучение подобно γ-излучению, но имеет большую, чем у γ-излучения, длину волны 10^-8 - 10^-11 м и меньшую, чем у γ-излучения, энергию. Состоит из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого в рентгеновских аппаратах рентгеновскими трубками, которые сами по себе не радиоактивны, т.е. рентгеновское излучение получается искусственно. Поскольку рентгеновская трубка питается электричеством, то испускание рентгеновских лучей может быть включено или выключено с помощью выключателя. Кстати, наше Солнце - один из основных естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту. Рентгеновское излучение широко используется в медицине для диагностики заболеваний. Медицинские рентгеновские снимки и т.п. вносят в дозу облучения дополнительно примерно 1,4 мЗв/год.

Нейтронное излучение – это поток нейтральных частиц, которые не обладают электрическим зарядом и летят со скоростью 20 – 40 тыс. км/с. Оно может создаваться источниками искусственной радиации, получившими название техногенных (специальные установки, взрыв нейтронного боеприпаса и т.д.). Проникающая способность нейтронов достигает в воздухе несколько километров. Они не взаимодействуют с электронами и не вызывают непосредственной ионизации. Вызываемая нейтронами ионизация называется косвенной, т.к. создаётся во время упругих столкновений, неупругого рассеяния, реакции захвата или процесса расщепления. Ионизирующая способность нейтронного излучения составляет несколько тысяч пар ионов на 1 см пути. Она приводит к образованию и испусканию γ-лучей, β-радиации и, иногда и большего количества нейтронов. Такое явление получило название наведенная радиация – способность атомов, подвергшихся воздействию нейтронов, самостоятельно испускать радиоактивное излучение.

Протонное излучение – поток протонов, составляющих основу космического излучения и ядерных взрывов. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между α- и β-излучением.

Следовательно, α-излучение обладает высокой ионизирующей и слабой проникающей способностью. Обыкновенная одежда полностью защищает человека от внешнего облучения. Самым опасным является попадание α-частиц внутрь организма с воздухом, водой и пищей. β-излучение имеет меньшую ионизирующую способность, чем α-излучение, но большую проникающую способность. Одежда уже не может полностью защитить человека, нужно использовать любое укрытие. γ- и нейтронное излучения обладают очень высокой проникающей способностью, защиту от них могут обеспечить только убежища, противорадиационные укрытия, надежные подвалы и погреба.

Ультрафиолетовое излучение и излучение лазеров в нашем руководстве не рассматриваются в качестве радиации.

ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ

1. Что такое активность радиоактивного препарата? Дайте определение удельной, объемной и поверхностной активности? Укажите единицы их измерения.

2. Какие существуют виды излучения? Какова их природа возникновения и основные свойства?

3. В какой последовательности по степени уменьшения располагаются γ-, α-, β- излучения по проникающей и ионизирующей способности?

4. В чем отличительная особенность γ-излучения от α- и β- излучения?

5. В чем отличие эквивалентной от экспозиционной доз? Какое соотношение единиц измерения их мощности?

6. Эквивалентная и эффективно эквивалентная дозы облучения (определение, сходства и различия).

7. Для чего используются величины ОБЭ и ЛПЭ?

8. О чём свидетельствуют взвешивающий радиационный коэффициент и взвешивающие коэффициенты для тканей и органов?

9. Укажите, какие правила необходимо соблюдать при выполнении лабораторной работы?

 

Лабораторная работа № 2

РАДИОАКТИВНОСТИ

Радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств. Они могут быть обнаружены (детектированы) при помощи приборов и приспособлений, работа которых основана на физико-химических эффектах, возникающих при взаимодействии излучении с веществом.

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с внешней средой происходит ионизация и возбуждение ее нейтральных атомов и молекул. Такое воздействие вызывает изменения физико-химических свойств облучаемой среды. Указанными свойствами являются: электропроводность веществ (газов, жидкостей, твердых материалов); люминесценция (свечение) некоторых веществ; засвечивание фотопленок; изменение цвета, окраски, прозрачности, сопротивления электрическому току химических растворов и др. Эти явления приняты за основу при разработке методов регистрации и измерения ионизирующих излучений – фотографический, сцинтилляционный, химический и ионизационный методы.

 

ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Это устройства для регистрации α- и β-частиц, рентгеновского и γ-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Они служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности, спектра энергии частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и распада нестабильных частиц.

Фотографический метод исторически был первым способом обнаружения ядерных излучений. Метод основан на почернении фотоэмульсии. Под воздействием ионизирующих излучений молекулы бромистого или хлористого серебра (АgВr или АgСl), содержащихся в фотоэмульсии, восстанавливают металлическое серебро подобно видимому свету, которое после проявления выявляется в виде почернения. Степень почернения фотоэмульсии (фотопластинки, плёнки) пропорциональна дозе излучения. Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу излучения (экспозиционную или поглощенную), полученную пленкой. В настоящее время фотографический метод широко применяется в ядерной физике при исследовании свойств самых различных заряженных частиц, их взаимодействий и ядерных реакций. На этом принципе основано использование индивидуальных фотодозиметров.

Химический метод. Некоторые химические вещества под воздействием ионизирующих излучений меняют свою структуру. Так, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем, добавленным к хлороформу. Двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под воздействием свободных радикалов Н⁺ и ОН^-, образующихся в воде при ее облучении. Трехвалентное железо с красителем дает цветную реакцию. По плотности окраски судят о дозе излучения (поглощенной энергии). На этом принципе основана работа химических дозиметров гамма- и нейтронного излучения ДП-70 и ДП-70М (МП).

Сцинтилляционный метод. Некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий, вольфрамат кальция и др.) светятся при воздействии на них ионизирующих излучений. Возникновение свечения является следствием возбуждения атомов под действием излучений. При возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны видимого света различной яркости (сцинтилляция). Количество вспышек пропорционально мощности дозы излучения.

Рис. 2.1. Фотоголовка сцинтилляционного детектора ионизирующей радиации.

Фотоны видимого света улавливаются специальным прибором – так называемым фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), способным регистрировать каждую вспышку (рис. 2.1). В основу работы индивидуального измерителя дозы (ИД-11) положен сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений. В современных дозиметрических приборах широкое распространение получил ионизационный метод обнаружения и измерения ионизирующих излучений.

Ионизационный метод. Сущность его заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений в изолированном объеме происходит ионизация газа: электрически нейтральные атомы (молекулы) газа разделяются на положительные и отрицательные ионы, в результате чего электропроводность среды увеличивается. Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т.е. возникает так называемый ионизационный ток. Измеряя ионизационный ток, можно судить об интенсивности ионизирующих излучений. Такие устройства называются детекторами излучений. В качестве детекторов в дозиметрических приборах используются ионизационные камеры и газоразрядные счетчики различных типов.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик), усилитель ионизационного тока.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик) 1, усилитель ионизационного тока (электрическая схема, включающая электрометрическую лампу 2, нагрузочное сопротивление 3 и другие элементы), регистрирующее устройство 4 (микроамперметр) и источник питания 5 (сухие элементы или аккумуляторы) (рис. 2.2).

 

 

 

 

 

Рис.2.2. Схема работы ионизационной камеры

 

Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объём, внутри которого находятся два изолированных друг от друга электрода (типа конденсатора). К электродам камеры прилагается напряжение от источника постоянного тока. При отсутствии ионизирующего излучения в цепи ионизационной камеры тока не будет, поскольку воздух является изолятором. При воздействии же излучений в ионизационной камере молекулы воздуха ионизируются. В электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к катоду, а отрицательные — к аноду. В цепи камеры возникает ионизационный ток, который регистрируется микроамперметром. Числовое значение ионизационного тока пропорционально мощности излучения. Следовательно, по ионизационному току можно судить о мощности дозы излучений, воздействующей на камеру.

Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конструкции могут работать в импульсном и токовым (интегральном) режимах. Импульсные камеры используют для регистрации отдельных тяжелых заряженных частиц (α-частицы, протоны и т.д.).

Удельная ионизация легких частиц (электроны, позитроны) сравнительно мала, поэтому регистрация их в импульсном режиме неэффективна. Токовые камеры применяют для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны среднему току, проходящему через камеру. Величина ионизационного тока пропорциональна энергии излучения, поэтому ионизационные камеры измеряют ток насыщения в единицу времени, т.е. мощность дозы данного излучения. Приборы градуируют в единицах мощности дозы. Значит, ионизационные камеры используют не только для измерения дозы излучения, но и ее мощности.

Пропорциональные счетчики выгодно отличаются от ионизационной камеры тем, что начальное усиление первичной ионизации происходит внутри самого счетчика (К_гу=10³ - 10⁴). Наличие пропорциональности усиления в счетчиках позволяет определить энергию ядерных частиц и изучить их природу. Пропорциональные счетчики бывают торцового типа, например САТ-7 и САТ-8 (счетчик α-частиц торцовый, СИ-3Б и др.). Чтобы обеспечить проникновение в плоскость счетчика α – частиц, входное слюдяное окно делают очень тонким (4-10 мкм). Наполняют счетчик смесью неона с аргоном почти до уровня атмосферного давления. В счетчиках открытого типа рабочая полость сообщается с внешним воздухом. Такие счетчики работают при атмосферном давлении, они допускают непрерывные протекание или циркуляцию наполняющего их газа и поэтому их часто используют для регистрации активности газовых проб.

Газоразрядный счетчик используется для измерения радиоактивных излучений малой интенсивности. Высокая чувствительность счетчика позволяет измерять интенсивность излучения в десятки тысяч раз меньше той, которую удается измерить ионизационной камерой. Счетчик представляет собой полый герметичный металлический или стеклянный цилиндр, заполненный разреженной смесью инертных газов (аргон, неон) с некоторыми добавками, улучшающими работу счётчика (пары спирта). Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута тонкая металлическая нить (анод), изолированная от цилиндра. Катодом служит металлический корпус или тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного корпуса счётчика. К металлической нити и токопроводящему слою (катоду) подают напряжение электрического тока.

В газоразрядных счетчиках используют принцип усиления газового разряда. При отсутствии радиоактивного излучения свободных ионов в объеме счетчика нет. Следовательно, в цепи счетчика электрического тока также нет. При воздействии радиоактивных излучений в рабочем объеме счетчика образуются заряженные частицы. Электроны, двигаясь в электрическом поле к аноду счетчика, площадь которого значительно меньше площади катода, приобретают кинетическую энергию, достаточную для дополнительной ионизации атомов газовой среды. Выбитые при этом электроны также производят ионизацию. Таким образом, одна частица радиоактивного излучения, попавшая в объем смеси газового счетчика, вызывает образование лавины, свободных электронов. На нити счетчика собирается большое количество электронов. В результате этого положительный потенциал резко уменьшается и возникает электрический импульс. Регистрируя количество импульсов тока, возникающих в единицу времени, можно судить об интенсивности радиоактивных излучений.

Счетчики Гейгера – Мюллера (газоразрядные счетчики) конструктивно почти не отличаются от пропорциональных счетчиков цилиндрического торцового типа. Основное отличие состоит в том, что внутренний объем счетчика Гейгера наполнен инертным газом

Рис. 2.3. Схема включения счётчика Гейгера-Мюллера.

при пониженном давлении (15-75 гПа), а работа осуществляется в области Гейгера, т.е. в режиме самостоятельного газового разряда (рис. 2.3).

Счетчики для регистрации γ– излучения имеют некоторую особенность в конструкции. Регистрация γ–излучения возможна в результате выбивания вторичных электронов из катода счетчика на основе известных трех механизмов взаимодействия этого излучения с веществом: фотоэффекта, комптонэффекта, образования электронно–позитронных пар.

Вторичные электроны (фотоэлектроны, электроны отдачи, электронно-позитронные пары), попадая в чувствительный объем счетчика, вызывают газовый разряд (ударную ионизацию), который и регистрируется радиометрическим устройством. Этот закон Брэгга-Грея используется также и для дозиметрии нейтронов. Ионизационный метод положен в основу работы таких дозиметрических приборов, как ДП-5А (Б, В), ДП-ЗБ, ДП-22В и ИД-1.