ЛЕКЦИЯ 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИ И МЕТОДЫ ИХ

ЛЕКЦИЯ 2, ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИ И 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. Классификация приборов для измерения радиоактивности. 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 источ(ЕРФ) ников космического и земного происхождения. Очень часто он отождествляется с понятием «радиационный фон» . 2) Технологически измененного естественного радиационного фона (ТИЕРФ) - определяется радиационного фона излучением от естественных источников ИИ, который не имел бы места, если бы не использующийся технический процесс. 3) Искусственного радиационного фона (ИРФ). 2

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации 3

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 - 4

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Радиационный фон в пределах: 0, 1 – 0, 2 мк. Зв/ч (10 – 20 мк. Р/ч) считается нормальным; 0, 2 – 0, 6 мк. Зв/ч (20 – 60 мк. Р/ч) считается допустимым; 0, 6 – 1, 2 мк. Зв/ч (60 – 120 мк. Р/ч) считается повышенным. Высота над уровнем моря Радиационный фон - уровень моря (нулевая отметка) 3 – 6 мк. Р/ч - Республика Беларусь (2 000 м) 10 – 20 мк. Р/ч - Кавказ (4 000 м) 30 – 40 мк. Р/ч - Гималаи (6 000 м) до 100 мк. Р/ч 5 - Самолет (12 000 м) 500 мк. Р/ч

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ Естественный (природный) радиационный фон 2, 42 м. Зв/год Природный радиационный фон Технологически измененный естественный радиационный фон - Тепловая энергетика Космические излучения 0, 39 м. Зв/год - Индустрия строительных материалов и т. д. Излучения земного происхождения 2, 03 м. Зв/год 0, 48 м. Зв/год – внешнее облучение; 1, 55 м. Зв/год - внутреннее облучение 6

поток частиц, падающих в земную атмосферу и идущих из глубины космоса со скоростью света. рождаются на Солнце во время солнечных вспышек состоит из протонов 92 %, альфа-частиц 6 %, ядра легких элементов (Li, Be, B, C, N, O, F), электроны, нейтроны и фотоны - 2 %. 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. 7

Излучения земного происхождения 2, 03 м. Зв/год 0, 48 м. Зв/год – внешнее облучение; 1, 55 м. Зв/год - внутреннее облучение - -распад Первая группа естественных радионуклидов: радионуклиды уранорадиевого и ториевого семейств, которые берут свое начало от урана-238 и тория-232 (всего 82 радионуклида) 1, 58 м. Зв/год Вклад радона-222 и торона-220 1, 25 м. Зв/год 8

- -распад 9

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 м. Зв/год Калий-40 - период полураспада равен 1, 4· 109 лет. Внешнее / Внутреннее облучение 0, 12 / 0, 18 (м. Зв/год) 10

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. 11

12

Rn – (радон) находится в восьмой группе периоди – (радон) ческой таблицы химических элементов и представляет собой инертный одноатомный газ не имеющий вкуса и запаха, в 7, 5 раза тяжелее воздуха. Имеется три изотопа ( - излучатели): 219 Rn (актинон) – производное 235 U; 220 Rn (торон) – производное 232 Th; 222 Rn (радон) – производное 238 U. 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. Механизм перемещения – молекулярная диффузия, активный перенос в горизонтальном направлении воздуха. 13

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 %. 14

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. 15

Поверхность легких у человека составляет несколько десятков квадратных метров. Поэтому легкие – хороший фильтр, осаждающий эти радиоактивные аэрозоли. ДПР радона «обстреливают» альфа и бетачастицами поверхность легких и обусловливают свыше 97% дозы. Основной медико-биологический эффект облучения от радона и его ДПР – рак легких. 16

Концентрация радона вне помещений варьирует в довольно широких пределах от 0, 1 до 10 Бк/м 3. 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 17

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). 18

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. 19

2. Искусственные источники ионизирующих излучений. Искусственный радиационный фон - 0, 421 м. Зв/год Медицинские процедуры - 0, 4 м. Зв/год Радиоактивные осадки (испытания ядерного оружия) - 0, 02 м. Зв/год Атомная энергетика - 0, 001 м. Зв/год 20

Испытания ядерного оружия США, СССР, Англией, Францией и Китаем - основной источник техногенного повышения радиационного фона земли. Всего взорвано свыше 2000 яд. зарядов различной мощности, в том числе свыше 500 в атмосфере и их мощность 545 Мт (тротил. эквиваленте). Это привело к выбросу в атмосферу изотопов цезия-137 и стронция-90, активности которых оценены в 26 и 20 МКи соответственно. По данным Научного комитета по действию атомной радиации (НКДАР) эквивалентная доза, полученная жителями Северного полушария составила 4, 5 м. Зв, а Южного – 3, 1 21 м. Зв.

Строительные материалы • Традиционные строительные материалы – дерево, кирпич, бетон имеют низкую активность, содержат уран и торий. Доза при проживании в деревянном доме - 0, 5 в кирпичном -1, 0 и в бетонном -1, 7 м. Зв/год. • Допустимые уровни удельной активности: при Ам менее 370 Бк/кг стройматериалы используют без ограничений; при 370 -740 Бк/кг в дорожном строительстве на территории населенных пунктов. 22

Дозы, получаемые от различных источников излучения Вид облучения Эффективная эквивалентная доза Просмотр кинофильма по цветному телевизору на расстоянии от экрана около 2 м 0, 01 мк. Зв Полет в течении одного часа на сверхзвуковом самолете (высота полета 18– 20 км) 10– 30 мк. Зв Полет в течении 1 сут на орбитальном космическом корабле (без вспышек на солнце) 0, 18– 0, 35 м. Зв Прием радоновой ванны 0, 01– 1 м. Зв Флюорография 0, 1– 0, 5 м. Зв Рентгеноскопия грудной клетки 2– 4 м. Зв Рентгенография зубов 0, 03– 3 м. Зв Рентгеновская номография 5– 100 м. Зв Рентгеноскопия желудка, кишечника Лучевая гамма-терапия после операции 0, 1– 0, 25 м. Зв 0, 2– 0, 25 Зв 23

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ Радиационный фон земли (суммарная доза – 2, 841 м. Зв/год) Естественный (природный) радиационный фон Искусственный радиационный фон - 2, 42 м. Зв/год Природный радиационный фон Технологически измененный естественный радиационный фон Космические излучения Излучения земного происхождения – 0, 39 м. Зв/год Солнечные излучения – 2, 03 м. Зв/год (0, 48 м. Зв/год – внешнее облучение; 1, 55 м. Зв/год - внутреннее облучение) Галактические излучения Первичное излучения Вторичное излучения - 0, 38 м. Зв/год (внешнее облучение) Космогенные радионуклиды - 0, 01 м. Зв/год (внутреннее облучение) Первая группа радионуклидов (32 радионуклида уранорадиевого и ториевого семейств) - 1, 58 м. Зв/год Вклад Радона Rn-222 и Торона Rn-220 – 1, 25 м. Зв/год - 0, 421 м. Зв/год Медицинские процедуры - 0, 4 м. Зв/год Радиоактивные осадки (испытания ядерного оружия) - 0, 02 м. Зв/год Атомная энергетика - 0, 001 м. Зв/год Вторая группа радионуклидов (11 долгоживущих радионуклида, не входящих в семейства) - 0, 45 м. Зв/год Вклад Калий-40 – 0, 3 м. Зв/год 24

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. 25

1) Сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений Сцинтилляции– это кратковременные световые вспышки, возникающие при воздействии ионизирующих 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 26 состояние.

К сцинтилляторам (люминофорам) относятся: 1)Неорганические монокристаллы Zn. S, активированные Ag или Cu - для обнаружения - излучений. Для регистрации - и -излучений применяют монокристаллы Na. J, KJ, Cs. J, Li. J, активированные таллием (Тl). Реже применяются вольфроматы щелочно-земельных элементов Сa. WO 4, Cd. WO 4 и соли Ва. F 2, Са. F 2 2) Органические сцинтилляторы это монокристаллы органических углеводородов антрацен (C 14 H 10), стильбен (C 14 H 12), нафталин (C 10 H 8), пластмассы (твердые растворы сцинтилляторов поливинилтолуола). на основе полистирола и 3) В качестве сцинтилляторов применяются и 27 инертные газы – гелий, аргон, неон и др.

Рис. 5. Общий вид гамма-радиометра РКГ-АТ 1320 А: 1 – блок детектирования (сцинтилляционный счетчик); 2 – блок обработки информации с ЖКИ; 3 – блок защиты; 4 – крышка блока защиты; 5 – ножки с опорами; 6 – измерительный сосуд 28

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 ионизирующих излучений. характеристике 29

3) Фотографический метод обнаружения ионизирующих излучений Фоточувствительный слой- мелкие кристаллы галогенидов серебра, распределенные в желатине, нанесенные 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 30 веществах.

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. 31

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 32 единицах и т. п. Этот метод характеризуется высокой

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. 33

Для измерения мощности эквивалентной дозы гамма-излучения внешнего облучения в диапазоне 0, 1 до 10 м. Зв/ч применяется дозиметр-радиометр МКС-АТ 6130 в котором используется газоразрядный счетчик Рис. 3. МКС -АТ 6130: 1 – мембранная панель управления; 2 – жидкокристаллический индикатор (ЖКИ); 3 – светодиодный индикатор 34

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 (анод); 2 – собирающий электрод; 3 – изолятор 35

Цепь ионизационной камеры Вольтамперная характеристика ионизационной камеры: I – область рекомбинации; II – область насыщения; III – область ударной ионизации 36

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 37 при пониженном давлении

Для регистрации альфа-излучений (и бетаизлучений 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) 38

Сцинтилляционный счетчик 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; 39 10 – регистрирующий прибор

К сцинтилляторам (люминофорам) относятся: 1)Неорганические монокристаллы Na. J, KJ, Cs. J, Li. J, активированные Tl, кристаллы Zn. S, активированные серебром или медью. Реже применяются вольфроматы щелочна-земельных элементов Сa. WO 4, Cd. WO 4 и соли Ва. F 2, Са. F 2. Для регистрации -излучений применяют монокристаллы Na. J(Tl) или Cs. J(Tl). 2) Органические сцинтилляторы это монокристаллы органических углеводородов антрацен (C 14 H 10), стильбен (C 14 H 12), нафталин (C 10 H 8), пластмассы (твердые растворы сцинтилляторов на основе полистирола и поливинилтолуола). 3) В качестве сцинтилляторов применяются и инертные газы – гелий, аргон, неон и др. 40

Сцинтилляционный счетчик – прибор для регистрации ионизирующих 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. 41

4. Защита от ионизирующих излучений. По воздействию на человека все источники излучения можно разделить на две группы: 1) закрытые источники – рентгеновские установки, ускорители, ядерные реакторы, закрытые радиоактивные препараты. При их использовании (если радионуклиды не попадают в окружающую среду) персонал может подвергаться только внешнему облучению. Человек подвергается облучению только во время нахождения в опасной зоне вблизи самих источников. 2) открытые источники – радиоактивные вещества, распределенные в среде (в почве, воде, воздухе) или находящиеся на поверхности предметов, с которыми соприкасается человек. Действие связано с внешним облучением и попаданием радиоактивных веществ внутрь организма (внутреннее облучение) и не может быть прекращено с выходом человека из опасной зоны. Человек может подвергаться воздействию ИИ в течение того промежутка времени, пока радионуклиды не будут выведены из организма в результате физиологических обменных 42 процессов и радиоактивного распада.

Защита поглощающими экранами и сооружениями. Уменьшение интенсивности ионизирующих излучений, в этом случае, происходит в результате взаимодействия с веществом. Защитные свойства поглощающих экранов характеризуются краткостью ослабления Косл, под которой понимается отношение мощности дозы падающих на экран излучений к мощности дозы излучений, прошедших через экран Слой вещества, при прохождении которого число гамма-квантов в направлении их первоначального распространения уменьшается в два раза по сравнению с числом упавших на это вещество квантов, называется слоем половинного ослабления d 1/2 = ln 2/ = 0, 693/ , где – линейный коэффициент ослабления материала. Вода d 1/2 = 13 см; Бетон d 1/2 = 5, 6 см; Дерево d 1/2 = 19 см; Свинец d 1/2 = 1, 3 см. 43

Защита путем ограничения времени облучения. Доза, воздействующая на организм, равна произведению мощности дозы на время t действия излучений: D (Н)= D (H) t [Гр, Зв] Чтобы облучение оставалось в пределах допустимой дозы Dдоп, допустимое время tдоп не должно превышать величины tдоп = Dдоп/Dt Соблюдение этого условия позволяет надежно защитить организм от поражения. Для определения времени tдоп необходимо знать мощность дозы; она может быть измерена дозиметрами и рентгенметрами. 44

Защита расстоянием. Мощность дозы Х, создаваемая точечным источником с активностью А на некотором расстоянии R от источника, обратно пропорциональна квадрату расстояния: X = A/R 2 В соответствие с уравнением: если увеличить расстояние R между источником и объектом облучения в два раза, воздействующая на него мощность дозы X уменьшится в четыре раза. Во столько же раз уменьшится при том же времени облучения и получаемая объектом доза: D = (Х t)/R 2. 45

Применение индивидуальных средств защиты. При работе с открытыми радиоактивными веществами, а также на местности, загрязненной радиоактивными веществами, применяются индивидуальные средства защиты: - противогазы, - респираторы, - специальная одежда, - защитные перчатки. Кроме того, при работе с открытыми радиоактивными веществами используются вытяжные шкафы и закрытые камеры с защитными перчатками. Эти средства применяются для того, чтобы предохранить организм от попадания в него 46 радиоактивных веществ.

Защита применением химических средств. Предупреждать поражение организма ионизирующими излучениями можно с помощью некоторых химических веществ называемых радиопротекторами, отнесенные к двум классам химических соединений – аминотиолам и индолилалкиламинам. К ним относятся цистамин, меркаптоэтилгуандин и другие, сходные с ними, вещества. Защитное действие этих веществ проявляется, если их ввести в организм, за от 5 -15 до 30 мин до облучения. Механизм действия защитных веществ объясняется тем, что они, вступая в реакцию с образовавшимися под действием излучений радикалами, предупреждают образование активных перекисей. С помощью химических веществ действие ионизирующих излучений на организм ослабляется примерно в два раза. 47

Профилактика малых доз облучения • В условиях длительного воздействия на организм малых доз облучения наиболее эффективны вещества природного происхождения, в особенности: 1) витамины, 2) коферменты (микро- и макроэлементы), 3) лекарственные травы и средства, обладающие радиозащитным действием. Для уменьшения внутреннего облучения и разрушающего действия радиации необходимо проводить ускоренное выведение радионуклидов из организма. Это достигается применением специальных препаратов – энтеросорбентов в виде пищевых добавок. 48

Лекарственные травы и средства, обладающие радиозащитным действием • - женьшень, лимонник, хвощ полевой, земляника, боярышник, крапива, пустырник и др. - стимуляторы сердечно-сосудистой деятельности; • - золотой корень, элеутерококк, крапива, подорожник, земляника, одуванчик, иван-чай, шиповник и др. - стимуляторы кроветворения; • - облепиха, подорожник, ромашка аптечная, женьшень, элеутерококк, золотой корень, аралия, заманиха, медуница лекарственная, одуванчик - противолучевые средства; • - облепиха, шиповник, черная смородина, земляника, одуванчик, крапива двудомная, спорыш, калина и др. - общеукрепляющие средства; • - подорожник, шалфей, береза, хвощ полевой, 49 зверобой, др. - противомикробные средства.

На сегодня ЭТО ВСЁ !!! Спасибо за внимание! 50