Дозиметрия ионизирующих излучений Цель задачи и структура дисциплины

Дозиметрия ионизирующих излучений Цель, задачи и структура дисциплины Лекции профессора кафедры ПТБ и УР Кукина Павловича

Цель дисциплины Цель изучения дисциплины – дать студентам комплекс теоретических и практических знаний и навыков по проведению расчета доз при воздействии естественных и искусственных ионизирующих излучений на жизнедеятельность экологических систем и человека.

Задачи дисциплины Задачи изучения дисциплины: • изучение фундаментальных основ формирования ионизирующих излучений; • изучение методов и приборов проведения дозиметрических измерений; • изучение расчетных методов определения доз воздействия ионизирующих излучений; • проведение оценки влияния радионуклидов на окружающую природную среду и человека.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен Знать: теорию формирования ионизирующих излучений и расчета дозы их воздействия; принципы радиационной безопасности; экологическое и гигиеническое нормирование воздействия ионизирующих излучений Уметь: Определять энергию ионизирующих излучений по схемам распада радионуклидов; использовать на практике закон радиоактивного распада; рассчитывать дозы ионизирующих излучений для человека и экосистем. Владеть: навыками измерений и расчета доз при воздействии на человека и природную среду ионизирующих излучений.

Распределение трудоемкости дисциплины видам учебной работы Вид учебной работы Общий объем аудиторных занятия (АЗ) (всего), час. в том числе: Лекции (ЛК) % лекционных часов от АЗ по дисциплине Лабораторные работы (ЛР) Практические занятия (ПЗ) или семинарские занятия (СЗ) Контроль самостоятельной работы (тестирование, коллоквиум, контрольные работы и др. ) (КСР) % интерактивных форм обучения от АЗ по дисциплине Общий объем самостоятельной работы (СР): час. /количество в том числе: Курсовой проект: (КП) Курсовая работа: (КР) Расчетно-графические работы (РГР) Реферат: (Р) Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен): Семестр 4 32 12 37, 5 4 8 8 20 36 18 зачет

Структура разделов дисциплины (модуля) и контроль самостоятельной работы (КСР) 1. Свойство ядер и элементарных частиц (6 часов). Лекции 2 часа Практические занятия 2 часа КСР – контрольная работа 2 часа 2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом (4 часа). Лекции – 2 часа Семинарское занятие 1 час КСР коллоквиум 3. Методы регистрации ионизирующих излучений дозиметрическая аппаратура (8 часов) Лекции – 2 часа Семинарское занятие – 1 час Практикум – 4 часа КСР коллоквиум – 1 час и

4. Расчетные методы дозиметрии. (6 часов). Лекции 2 часа Практическое занятие 2 часа КСР – контрольная работа 2 часа 5. Нормирование воздействий ионизирующих излучений на человека и окружающую среду (4 часа) Лекции – 2 часа Семинарское занятие 1 час КСР – тестирование – 1 час 6. Фоновое облучение (4 часа) Лекции – 2 часа Семинарское занятие – 1 час КСР коллоквиум – 1 час

Примерные тематики рефератов. 1. Естественные радиоактивные семейства как примеры превращений нуклидов. 2. Теория мишений. Прямое и косвенное радиационнохимическое действие излучения. 3. Газовые ионизационные детекторы. 4. Классификация источников ионизирующих излучений. 5. Поведение долгоживущих радионуклидов в атмосфере, почве, воде, продуктах питания. 6. Сравнительная оценка экологической нагрузки на природную среду атомной и тепловых электростанций. 7. Понятие приемлемого радиационного риска. 8. Защита от гамма-излучения. 9. Ядерная энергетика. Концепция развития.

Ионизирующие излучения – это электромагнитные излучения, которые создаются при радиактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы различных знаков. Ионизирующие излучения способны прямо или косвенно ионизировать среду.

Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц (α и β частицы, протоны, мезоны и др. ), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества. Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц (нейтронов) или фотонного (рентгеновского и γ-излучения, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению непосредственно ионизирующего излучения. В частности, быстрые нейтроны образуют в веществе протоны отдачи, фотонное излучение создает вторичные частицы — электроны и позитроны.

Виды ионизирующих излучений Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых главным образом естественным радионуклидом при радиоактивном распаде, имеют массу 4 у. е. и заряд +2. Энергия альфа частиц составляет 4 7 Мэв. Пробег альфа частиц в воздухе достигает 8 10 см, в биологической ткани несколько десятков микрометров. Так как пробег альфа частиц в веществе невелик, а энергия очень большая, то плотность ионизации на единицу длины пробега у них очень высока (на 1 см до десятка тысяч пар ион). Бета-излучение – поток электронов или позитронов при радиоактивном распаде. Бета частицы имеют массу равную 1/3700 массы атома водорода, единичный отрицательный (бета частица) или положительный (позитрон) заряды. Энергия бета излучения не превышает нескольких Мэв. Пробег в воздухе составляет от 0, 5 до 2 м, в живых тканях – 2 3 см. Их ионизирующая способность ниже альфа частиц (несколько десятков пар ионов на 1 см пути).

Нейтроны нейтральные частицы, имеющие массу атома водорода. Они при взаимодействии с веществом теряют свою энергию в упругих (по типу взаимодействия биллиардных шаров) и неупругих столкновениях (удар шарика в подушку). Гамма-излучение – фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. Источники гамма излучения, используемые в промышленности имеют энергию от 0, 01 до 3 Мэв. Гамма излучения обладает высокой проникающей способностью и малым ионизирующем действием. Рентгеновское излучение – фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, возникает в рентгеновских трубах, ускорителях электронов, с энергией фотонов не более 1 Мэ. В. .

Разделение излучения радионуклидов в электрическом поле.

Поле радиации и его характеристики Полем ионизирующего излучения называют область пространства, каждой точке которой соответствуют физические величины, являющиеся характеристиками поля излучения. Характеристики поля определяют пространственно временное распределение излучения в рассматриваемой среде. Дифференциальные характеристики поля описывают также энергетическое и угловое распределения излучения. На практике часто используют интегральные потоковые характеристики поля излучения — флюенс частиц, поток частиц, плотность потока частиц, флюенс энергии, интенсивность излучения (примечание: под частицами понимаются и фотоны).

Флюенс частиц Ф — это отношение числа частиц d. N, проникающих в объем элементарной сферы, к площади по перечного сечения этой сферы S: d Единицей измерения флюенса частиц в системе единиц СИ является м 2. Обычно флюенс выражают в част. /м 2 или част. /см 2, указывая вид излучения.

Поток частиц ψ — отношение числа частиц d. N, падающих на данное сечение сферы за малое время dt, к этому интервалу времени: Поток частиц изменяется в с 1 или част. /с.

Плотность потока частиц φ — отношение флюенса частиц d. Ф за малый промежуток времени dt к этому промежутку времени: Для мононаправленного излучения плотность потока равна числу частиц, пересекающих в единицу времени площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно на правлению распространения излучения. Единица измерения плотности потока частиц в СИ: м 2·с 1. Обычно величину φ выражают в част. /(см 2·с). Если в каждой точке поля плотность потока не изменяется во времени (стационарное поле излучения), то

Интенсивность излучения (плотность потока энергии) J — суммарная энергия частиц, проходящих через единичное сечение (площадку) в единицу времени. Для моноэнергетического излучения с энергией каждой частицы Е интенсивность Если излучение немоноэнергетическое, то интенсивность определяется интегрированием произведения по всем энергиям частиц.

Активность Количество радионуклида принято называть активностью. Активность – число самопроизвольных распадов радионуклида за единицу времени. Единицей измерения активности в системе СИ является Беккерель (Бк). 1 Бк=1 распад/с. Внесистемной единицей активности является ранее используемая величина Кюри (Ки). 1 Ки =3, 7 · 1010 Бк

Дозы излучения Когда ионизирующее излучение проходит через вещество, то на него оказывает воздействие только та часть энергии излучения, которая передается веществу, поглощается им. Порция энергии переданная излучением веществу называется дозой. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является поглощенная доза. Поглощенная доза Дп это отношение средней энергии ΔЕ, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к единице массы Δm вещества в этом объеме Д п = ΔE/Δm (Дж/кг) В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр), названная в честь английского физика и радиобиолога Л. Грея. 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Экспозиционная доза. До последнего времени в качестве характеристики поля фотонного излучения при его воздействии на среду использовали экспозиционную дозу, Дэ, которая определяет ионизационную способность только рентгеновского и гамма излучений в единственном веществе, в воздухе. Экспозиционная доза фотонного излучения это отношение суммарного заряда ΔQ всех ионов одного знака в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха и массе Δm воздуха в этом объеме: Дэ = ΔQ/ Δm (Кл/кг) Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на 1 кг воздуха. Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген (Р) при котором суммарный заряд ΔQ, образующийся в воздухе, равен одной электростатической единице количества электричества в 0, 001293 г. атмосферного воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. 1 Р=2, 58 х10 4 Кл/кг. При переходе к СИ экспозиционная доза стала не совсем удобной единицей дозы и поэтому изъята из арсенала дозиметрических величин.

Законы радиоактивного распада Закон уменьшения с течением времени количества ядер является общим для всех видов радиоактивных превращений и всех изотопов и носит название закона радиоактивного распада. Этот закон заключается в следующем: число ядер данного изотопа, распавшееся за 1 сек, пропорционально количеству ядер имеющихся на лицо в данный момент времени, т. е. за одну секунду распадается всегда одна и та же доля ядер данного изотопа независимо от их количества: (ΔN/N)/Δt = λ

Этот закон может быть записан также следующим образом: , (1) где N число ядер, имеющихся на лицо в момент времени t; промежуток времени t; λ постоянная величина, которая называется постоянной распада и измеряется в обратных секундах (1/сек или сек 1). (Дифференциальная форма)

Радиоактивные ядра атомов, распадаясь, испускают тот или иной вид ионизирующего излучения. Уменьшение числа радиоактивных атомов для всех радионуклидов происходит по одному и тому же экспоненциальному закону: N= N 0 ехр( λt), (1. 2) (интегральная форма) где N 0 число радиоактивных атомов в момент времени t = 0; N число оставшихся радиоактивных атомов в момент времени t; λ постоянная распада. Единицей измерения λ является величина, обратная единице измерения времени, с 1. Численное значение постоянной распада радионуклидов можно найти в таблицах или рассчитать, зная период полураспада (Т 1/2 ) радионуклида.

Число распавшихся радиоактивных атомов можно определить из основного закона радиоактивного распада: DN = N 0 N = N 0 ехр(-λt) = N 0 [1 ехр( λt)]. (1. 3) Зависимость, описывающая закон радиоактивного распада, может быть представлена графически в % отн. активности (рис. 1. 1). Рис. 1. 1. Распад радионуклида

Рис 1. 2. Закон радиоактивного распада в форме логарифмической зависимости

На графике (рис. 1. 2. )представлена скорость распада одного радионуклида в другой (дочерний) радионуклид. Большинство естественных радионуклидов имеют длинные цепи превращений одних радионуклидов в другие, так называемые радионуклидные ряды, пока, наконец, они не превратятся в стабильный изотоп. На рис. 1. 3. представлены ряд тория.

Рис 1. 3. Ряд тория

Члены радиоактивных семейств генетически связаны друг с другом – один нуклид возникает из другого. Получена формула (дается без вывода), по которой можно рассчитать количество накапливающегося заданного радиоактивного нуклида члена семейства, если известно исходное количество одного из предшествующих нуклидов, а также известны постоянные распада. Эта формула имеет следующий вид: 1. 4 N 1(0) – исходное число радиоактивных ядер исходного материнского радиоактивного нуклида, Nn(t) –число радиоактивных ядер n – го дочернего нуклида.

где ……………. .

Например, если исходное число радиоактивных ядер составляет N 1, 0, то для дочернего, второго нуклида будем иметь: 1. 5 Ход изменения количества исходного нуклида будет описываться обычной формулой радиоактивного распада 1. 6

Подставляя (1. 6) в (1. 5), получим 1. 7 При t должно наступить такое состояние в распределении количеств радиоактивных нуклидов в семействе, которое получило название радиоактивного равновесия. Так, например, для формулы (1. 7) при t получим 1. 8 т. е. при радиоактивном равновесии должны устанавливаться постоянные соотношения между количествами радиоактивных нуклидов, зависящие от значений постоянных распада или периода полураспада нуклидов.

В частном случае, когда 1 2, согласно (1. 8) получим 1. 9 Количество радиоактивных нуклидов в этом случае обратно пропорциональны постоянным распада, или прямо пропорциональны периодам полураспада. Короткоживущие нуклиды накапливаются в меньших количествах, чем долгоживущие члены радиоактивных семейств. Формула (1. 8) отображает так называемое подвижное равновесие, формула (1. 9) – вековое равновесие радиоактивных нуклидов в радиоактивных семействах.

Если периоды полураспада сильно отличаются друг от друга, т. е. Т 1>Т 2, то после достижения равновесия активность дочернего радионуклида А 2 остается все время практически равной активности материнского радионуклида А 1. Радиоактивное равновесие достигается за время t, примерно равное 10 периодам полураспада наиболее долго живущего радионуклида из продуктов распада. Когда исходный радионуклид обладает меньшим периодом полураспада, чем конечный радионуклид продукт распада, т. е. Т 1<Т 2, то равновесие не может быть осуществлено, так как никогда не будет постоянного соотношения между активностями этих двух радионуклидов. На рис. (1. 4. ) показаны изменения активностей материнского и дочерних радионуклидов.

Рис. 1. 6. Изменение числа ядер в цепи распада: Ra A - Ra B - Ra C - Ra D

Соотношения 1. 8 и 1. 9 используются для определения активности материнского радионуклида по активности продуктов его распада, что часто необходимо для задач радиационной безопасности. Их можно использовать также для определения периодов полураспада материнского и дочерних радионуклидов и тем самым идентифицировать образующие радионуклиды.

Продолжительность существования радионуклида обычно выражается периодом полураспада Т 1/2 строго постоянная величина для каждого радионуклида и, так же как и постоянная распада, характери зует его временную устойчивость. Период полураспада Т 1/2 время, в течение которого число атомов радионуклида, а следовательно, и его активность уменьшаются в результате распада вдвое. Период полу распада вязан с постоянной с распада следующим соотношением: Т 1/2 = ln 2/λ = 0, 693/λ. (1. 10)

Активность радиоактивного нуклида это число спонтанных ядерных превращений d. N этого нуклида за малый промежуток времени dt, деленное на это время: A = d. N / dt = λN (1. 11) где λ постоянная распада; N количество радиоактивных атомов к данному моменту времени. В единицах СИ активность измеряют в беккерелях (Бк). Временно допускается к применению специальная единица активности кюри (Ки). 1 Ки = 3, 7 1010 Бк. На практике применяют десятичные дольные и кратные единицы: 1 м. Ки = 10 3 Ки = 3, 7 • 107 Бк, 1 мк. Ки = 10 6 Ки = 3, 7 • 104 Бк, 1 к. Ки = 3, 7 • 1013 Бк, 1 МКи = 3, 7 • 1016 Бк.

Известно, что в атомной массе Am любого радионуклида содержится 6, 023 1023 атомов (число Авогадро). Можно установить связь между активностью радионуклида А и его массой m: A = m • 6, 023 • 1023 • 0, 693/(Am. T 1/2), Бк, (1. 12)

6, 023 1023 / Am. T число атомов в одном грамме радионуклида. Если А активность 1 г любого радионуклида выразить в Бк. , то формулы (1. 12) будут иметь вид(1. 13): А = 4, 5 • 1023/(Аm • Т 1/2) Т 1/2 = сек А = 7, 0 • 1021/(Аm • Т 1/2) Т 1/2 = мин А = 1, 3 • 1018/(Аm • Т 1/2) Т 1/2 = часы А = 4, 8 • 1018/(Аm • Т 1/2) Т 1/2 = сутки А = 1, 3 • 1016/(Аm • Т 1/2) Т 1/2 = годы (1. 13)

Если массу радионуклида m выразить (г/Бк), то формулы (1. 13) будут иметь следующие выражения (1. 14): m = 2, 4 • 10 24 • Am • T 1/2 = сек m = 1, 4 • 10 22 • Am • T 1/2 = мин m = 8, 6 • 10 21 • Am • T 1/2 = часы m = 2, 1 • 10 19 • Am • T 1/2 = сутки m = 7, 6 • 10 17 • Am • T 1/2 = годы (1. 14)

В дозиметрической практике часто пользуются величиной удельной активности, характеризующей концентрацию радионуклида. Удельная активность общая активность радионуклида, приходящаяся на единицу длины qi, площади qs, объема qv или массы qm в источнике. Указанные величины носят соответственно названия линейной, поверхностной, объемной и массовой удельной активности радионуклида.

Альфа распад

Бета распад

Позитронный распад

Задачи 1. За какое время масса 10 мг радия уменьшится на 1 мг? (Т 1/2 Ra = 1670 лет) 2. Через какое время наступит состояние равновесия между радием и радоном и на сколько процентов умень шится количество радия за это время? (Т 1/2 Rn = 3, 8 дня) 3. Определить время, по истечении которого останется 1 % от начального количества радона. 4. Какое количество (в процентах) от первоначального фосфора 32 распадется за 43 дня? (Т 1/2 Р – 14, 3 дня) 5. Имеется 1020 атомов радиоактивного изотопа с периодом полураспада 14 дней. Какое количество атомов данного радиоизотопа распадается за 1 сек, 1 мин, 1 ч и 1 сутки? 6. Какая доля начального количества радиоактивного вещества останется по прошествии: а) двух, б) четырех, в) пяти, г) десяти периодов полураспада? 7. Активность препарата фосфора 32 18, 5 107 Бк. Како ва она будет через неделю?