ЛЕКЦИЯ 6 б ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. МЕТОДЫ ИХ РЕГИСТРАЦИИ 1. Понятие радиационного фона. Естественный радиационный фон и его источники. 2. Искусственные источники ионизирующих излучений. 3. Способы обнаружения и измерения радиоактивных излучений. 1
1. Понятие радиационного фона. Естественный радиационный фон и его источники. Радиационный фон Земли складывается из: 1) Естественного (природного) радиационного фона (ЕРФ) образуют ИИ от природных источников космического и земного происхождения. Очень часто он отождествляется с понятием «радиационный фон». 2) Технологически измененного естественного радиационного фона (ТИЕРФ) - определяется излучением от естественных источников ИИ, который не имел бы места, если бы не использующийся технический процесс. 3) Искусственного радиационного фона (ИРФ). Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. 2
Человек подвергается облучению двумя способами: Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи - Радиоактивные вещества могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма - 3
Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Радиационный фон в пределах: 0,1 – 0,2 мкЗв /ч (10 – 20 мкР /ч ) считается нормальным; 0,2 – 0,6 мкЗв /ч (20 – 60 мкР /ч ) считается допустимым ; 0,6 – 1,2 мкЗв /ч (60 – 120 мкР / ч) считается повышенным. Высота над уровнем моря Радиационный фон - уровень моря (нулевая отметка) 3 – 6 мкР /ч - Республика Беларусь (2 000 м) 10 – 20 мкР /ч - Кавказ (4 000 м) 30 – 40 мкР /ч - Гималаи (6 000 м) до 100 мкР /ч - Самолет (12 000 м) 500 мкР /ч 4
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ Естественный (природный) радиационный фон 2,42 мЗв /год Технологически измененный естественный радиационный фон - Тепловая энергетика - Индустрия строительных материалов и т.д. Природный радиационный фон Космические излучения 0,39 мЗв /год Излучения земного происхождения 2,03 мЗв /год 0,48 мЗв /год – внешнее облучение; 1,55 мЗв /год - внутреннее облучение 5
состоит из протонов 92 %, альфа-частиц 6 %, ядра легких элементов ( Li, Be, B, C, N, O, F ), электроны, нейтроны и фотоны - 2 %. поток частиц, падающих в земную атмосферу и идущих из глубины космоса со скоростью света. рождаются на Солнце во время солнечных вспышек образуется в результате ядерных взаимодействий между первичным излучением с ядрами атомов, входящих в состав земной атмосферы. У поверхности Земли состоит в основном из фотонов, электронов, позитронов, других ядерных частиц, а также небольшой доли нейтронов. образуются в результате взаимодействия первичного и вторичного излучений с ядрами элементов атмосферы. и другие. 6
- -распад - -распад Излучения земного происхождения 2,03 мЗв /год 0,48 мЗв /год – внешнее облучение; 1,55 мЗв /год - внутреннее облучение Первая группа естественных радионуклидов: радионуклиды уранорадиевого и ториевого семейств, которые берут свое начало от урана-238 и тория-232 (всего 82 радионуклида) 1,58 мЗв /год Вклад радона-222 и торона-220 1,25 мЗв /год 7
- -распад - -распад 8
Калий-40 - период полураспада равен 1,4·10 9 лет. Внешнее / Внутреннее облучение 0,12 / 0,18 ( мЗв /год) В природном калии содержится 0,01% радиоактивного калия-40 и это соотношение постоянно везде, где бы калий не встречался. Смесь изотопов калия входит в состав мышечной ткани, и в среднем в организме человека весом 70 кг содержится калия-40 активностью 4200 Бк. Вторая группа естественных радионуклидов: это 11 долгоживущих радионуклидов, находящихся вне этих семейств (калий-40, кальций-48, рубидий-87, цирконий-96, индий-115, лантан-138, церий-142, неодим-144, самарий-147, лютеций-178, рений-187) 0,45 мЗв /год 9
10
Rn - Радон находится в восьмой группе периодической таблицы химических элементов и представляет собой инертный одноатомный газ не имеющий вкуса и запаха, в 7,5 раза тяжелее воздуха. Имеет три изотопа (являются альфа излучателями): 219 Rn (актинон) – производное 235 U ; 220 Rn (торон) – производное 232 Th ; 222 Rn (радон) – производное 238 U. Механизм перемещения – молекулярная диффузия, активный перенос в горизонтальном направлении воздуха. В жилой дом радон поступает: из почвогрунтов через фундамент и перекрытия подвальных помещений здания – 70 %, за счет воздухообмена с атмосферным воздухом – 13 %, за счет эксхаляции (выделения) из строительных материалов и изделий, из которых построено здание – 7 %, с водопроводной водой – 5-10 % и бытовым газом – 4 %, от др. источников – 2 %. Наибольшую значимость имеют изотопы 220 Rn и 222 Rn. Образование их зависит от концентрации в материалах 228 Ra и 226 Ra. Их много в горных породах, особенно в гранитах. 11
Характерная особенность изотопов Rn – способность создавать на соприкасающихся с ними телах радиоактивный осадок, состоящий из дочерних продуктов радиоактивного распада радона – короткоживущих и долгоживущих изотопов полония, свинца, висмута. Образующиеся в результате распада радона в воздухе его дочерние продукты распада (ДПР) тут же прикрепляются к микроскопическим пылинкам-аэрозолям. Поверхность легких у человека составляет несколько десятков квадратных метров. Поэтому легкие – хороший фильтр, осаждающий эти радиоактивные аэрозоли. ДПР радона "обстреливают" альфа и бета-частицами поверхность легких и обусловливают свыше 97 процентов дозы. Основной медико-биологический эффект облучения от радона и его ДПР – рак легких. 12
В соответствие с НРБ-2000 и ОСП-2002 эквивалентная равновесная объемная активность радона (ЭРОА) не более 100 Бк/м 3 - для вводимых в эксплуатацию, не более 200 Бк/м 3 - для эксплуатируемых зданий и сооружений жилого и общественного назначения. 8 000 Бк/м 3 3 000 Бк/м 3 200 Бк/м 3 Концентрация радона вне помещений варьирует в довольно широких пределах от 0,1 до 10 Бк/м 3. 13
Воздействием радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) обуславливает от 50% до 75% годовой индивидуальной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от естественных источников ионизирующего излучения. Облучение населения за счет радона и его ДПР обуславливает до 20% общего количества заболеваний раком легких (вторая по значимости причина после курения, которое определяет около 70% случаев). Для ослабления воздействия радона на организм необходимо: - проветривать помещение не менее 5 часов в сутки; - во время кипячения воды открывать крышку на несколько секунд для удаления радона; - тщательно проветривать кухню при сжигании газа; - стены, выделяющие радон, или красить, или оклеивать обоями. 14
2. Искусственные источники ионизирующих излучений. 15
Одним из основных источников техногенного повышения радиационного фона земли стали испытания ядерного оружия США, СССР, Англией, Францией и Китаем, Взорвано свыше 2000 зарядов различной мощности, в том числе свыше 500 в атмосфере. Мощность всех ядерных зарядов составила 545 Мт (в тротиловом эквиваленте). Это привело к выбросу в атмосферу изотопов цезий-137 и стронций-90, общие активности которых оценены в 26 и 20 МКи соответственно. В результате в окружающую среду поступают продукты деления ядер урана и плутония. При этом образуется свыше 200 радиоизотопов средней части таблицы Менделеева (от цинка до гадолиния). По данным Научного комитета по действию атомной радиации (НКДАР) при ООН, эквивалентная доза, полученная жителями Северного полушария составила 4,5 мЗв, а Южного – 3,1 мЗв. 16
Вид облучения Эффективная эквивалентная доза Просмотр кинофильма по цветному телевизору на расстоянии от экрана около 2 м 0,01 мкЗв Полет в течении одного часа на сверхзвуковом самолете (высота полета 18–20 км) 10–30 мкЗв Полет в течении 1 сут на орбитальном космическом корабле (без вспышек на солнце) 0,18–0,35 мЗв Прием радоновой ванны 0,01–1 мЗв Флюорография 0,1–0,5 мЗв Рентгеноскопия грудной клетки 2–4 мЗв Рентгенография зубов 0,03–3 мЗв Рентгеновская номография 5–100 мЗв Рентгеноскопия желудка, кишечника 0,1–0,25 мЗв Лучевая гамма-терапия после операции 0,2–0,25 Зв Дозы, получаемые от различных источников излучения 17
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ Радиационный фон земли (суммарная доза – 2,841 мЗв/год) Естественный (природный) радиационный фон - 2,42 мЗв/год Технологически измененный естественный радиационный фон Искусственный радиационный фон - 0,421 мЗв/год Природный радиационный фон Космические излучения – 0,39 мЗв/год Излучения земного происхождения – 2,03 мЗв/год (0,48 мЗв/год – внешнее облучение; 1,55 мЗв/год - внутреннее облучение) Солнечные излучения Галактические излучения Первичное излучения Вторичное излучения - 0,38 мЗв/год (внешнее облучение) Космогенные радионуклиды - 0,01 мЗв/год (внутреннее облучение) Первая группа радионуклидов (32 радионуклида уранорадиевого и ториевого семейств) - 1,58 мЗв/год Вклад Радона Rn-222 и Торона Rn-220 – 1, 25 мЗв/год Вторая группа радионуклидов (11 долгоживущих радионуклида, не входящих в семейства) - 0,45 мЗв/год Вклад Калий - 40 – 0,3 мЗв/год Медицинские процедуры - 0,4 мЗв/год Радиоактивные осадки (испытания ядерного оружия) - 0,2 мЗв/год Атомная энергетика - 0,01 мЗв/год 18
3. Способы обнаружения и измерения радиоактивных излучений. Ионизирующие излучения обнаруживают по тем эффектам, которые проявляются при их взаимодействии с веществом. Различают следующие методы обнаружения излучений: – сцинтилляционный; – химический; – фотографический; – метод, основанный на проводимости кристаллов; – тепловой или калориметрический; – ионизационный и др. 19
1) Сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений Сцинтилляция – это кратковременные световые вспышки, возникающие при воздействии ионизиру-ющих излучений на некоторые вещества, называемые люминофорами (сцинтилляторами). В основе сцинтилляционного метода обнаружения излучений лежит явление люминесценции : свечение вещества, вызванное возбуждением атомов и молекул, когда входящие в их состав электроны переходят на более высокие энергетические уровни и спустя некоторое время возвращаются в основное состояние. К сцинтилляторам (люминофорам) относятся: 1) Кристаллы неорганических веществ ( 20
2 ) Химический метод обнаружения ионизирующих излучений Основан на том явлении, что возникающие при воздействии излучений ионы и возбужденные атомы и молекулы вещества могут диссоциировать, образуя свободные радикалы. Эти ионы и радикалы вступают в реакцию между собой или другими атомами и молекулами, образуя новые вещества, появление и количество которых позволяет судить о наличии и количественной характеристике ионизирующих излучений. 21
3) Фотографический метод обнаружения ионизирующих излучений Фоточувствительный слой- мелкие кристаллы гало-генидов серебра, распределенные в желатине, нанесен-ные на прозрачную подложку. Под воздействием ионизирующих излучений зерна превращаются в центры скрытого почернения. Последующий процесс проявления, заключающийся в воздействии на эти центры химическими реактивами, приводит к восстановлению серебра, которое выпадает в виде длинных тонких нитей, свернутых в комок и хорошо поглощающих свет. Место, где произошло образование металлического серебра, воспринимается как черная точка, а совокупность таких точек, расположенных близко друг к другу, как черное пятно. Оставшиеся неподверженными воздействию излучений кристаллы галогенидов серебра растворяются в фиксирующих веществах. 22
4) Метод, основанный на проводимости кристаллов При поглощении ионизирующих частиц или квантов из атома кристалла выбиваются валентные электроны с большей энергией. Эти электроны, проходя через кристалл, затрачивают энергию на отрыв от атомов большого числа других вторичных электронов. Таким образом, в кристалле возникают свободные электроны, которые могут при наличии электрического поля образовать ток даже в кристалле, обладающем свойствами диэлектрика, и увеличить проводимость, тем самым и ток, в кристалле полупроводника. 23
5) Калориметрический (тепловой) метод Энергия ионизирующих излучений, поглощенная в веществе, в конечном итоге превращается в тепло. Этот тепловой эффект используется в калориметрах для измерения активности вещества или мощности дозы. Для регистрации нейтронных потоков используются термоэлементы, стан которых покрыт бором. При калориметрических измерениях объекты, подвергающиеся облучению, должны находиться в термостатах. С помощью термопар и гальванометра определяется изменение температуры этих объектов под воздействием ионизирующих излучений и соответствующее этому изменению температуры количество поглощенного тепла, которое и позволяет производить измерения в общеэнергетических единицах и т.п. Этот метод характеризуется высокой точностью. 24
6) Ионизационный метод При ионизационном методе обнаружения и измерения различных характеристик ионизирующих излучений в качестве ионизирующей среды используются газы, в которых образующиеся ионы обладают большой подвижностью. Воздействуя на газовую среду электрическим полем, легко привести создаваемые излучением ионы в направленное движение. Возникающий при этом электрический ток является не только указанием на то, что газовая среда облучается, но и позволяет также судить об активности источников ионизирующих излучений, о создаваемой ими дозе и мощности дозы излучений. 25
Детекторы ионизирующих излучений Детекторы ионизирующих излучений – это приборы для обнаружения и измерения интенсивности ионизирующих излучений. В качестве детекторов ионизирующих излучений применяются газоразрядные счетчики, ионизационные камеры, сцинтилляционные счетчики, толстослойные фотопластинки и фотопленки. Ионизационная камера Ионизационная камера представляет собой устройство, состоящее из двух электродов, между которыми находится газовая среда – воздух. 1 – корпус; 2 – собирающий электрод; 3 – изолятор 26
Цепь ионизационной камеры Вольтамперная характеристика ионизационной камеры: I – область рекомбинации; II – область насыщения; III – область ударной ионизации 27
Газоразрядный счетчик Газоразрядный счетчик представляет собой устройство, состоящее из замкнутого резервуара из двух электродов, между которыми находится газовая среда, где и создается электрическое поле. 1 – металлический цилиндр (отрицательный электрод – К- катод); 2 – тонкая металлическая нить (положительный электрод А-анод); 3 – изоляторы; 4 – выводные контакты; 5 – газовая среда, смесь инертных газов с галогенами при пониженном давлении 28
Для регистрации альфа-излучений (и бета-излучений малых энергий) применяются торцовые счетчики, называемые так потому, что частицы проникают в них через входное окно на торце. 1 – выводной контакт положительного электрода; 2 – стеклянный баллон; 3 – положительный электрод; 4 – выводной контакт отрицательного электрода; 5 – отрицательный электрод; 6 – стеклянный шарик; 7 – входное окно (слюда) 29
30 Сцинтилляционный счетчик – прибор для регистрации иони-зирующих излучений, действие которого основано на явлении сцинтилляции. Он состоит из оптически соединенных между собой сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором вспышки света преобразуются в импульсы электрического тока. Измерительная схема сцинтилляционного детектора: 1 – источник иониз. излучения; 2 – сцинтиллятор; 3 – фотокатод ФЭУ; 4 – фокусирующий электрод; 5 – диноды; 6 – анод; 7 – делитель напряжения; 8 – выходное сопротивление; 9 – усилитель; 10 – регистрирующий прибор Сцинтилляционный счетчик
К сцинтилляторам (люминофорам) относятся: Неорганические монокристаллы NaJ, KJ, CsJ, LiJ, активированные Tl, кристаллы ZnS, активированные серебром или медью. Реже применяются вольфроматы щелочна-земельных элементов С aWO 4, CdWO 4 и соли Ва F 2, Са F 2. Для регистрации - и -излучений применяют монокристаллы NaJ ( Tl ) или CsJ ( Tl ). 2) Органические сцинтилляторы это монокристаллы органических углеводородов антрацен ( C 14 H 10 ), стильбен ( C 14 H 12 ), нафталин ( C 10 H 8 ), пластмассы (твер-дые растворы сцинтилляторов на основе полистиро-ла и поливинилтолуола). 3) В качестве сцинтилляторов применяются и инертные газы – гелий, аргон, неон и др. 31
32
