Лекция: Ионизирующее излучение 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Природа ионизирующего излучения (И. И. ) Источники ионизирующих излучений Измерение ионизирующих излучений Количественные характеристики И. И. Физические свойства И. И. Биологическое действие И. И. Гигиеническое нормирование И. И. Защита от ионизирующего излучения Задачи
Природа И. И. • Ионизирующим излучением ( «И. И. » ) называют потоки частиц и электромагнитных волн, взаимодействие которых со средой вызывает ионизацию ее молекул и атомов. К электромагнитному «И. И» относят жесткое ультрафиолетовое, рентгеновское и излучение. (E = hc/ )
Корпускулярное И. И. Е = mv 2/2 • К корпускулярному «И. И» относят все частицы, энергия которых больше или равна энергии ионизации, в частности, потоки: бета-частиц (электронов и позитронов); альфа-частиц нейтронов; (ядер протонов, атома других гелия 4); ионов, мюонов и др. ; осколков деления (тяжелых ионов, возникающих при делении ядер)
Источники ионизирующего излучения • Природные источники ионизирующего излучения: • Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов. • Термоядерные реакции, например, на Солнце. • Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер. • Космические лучи.
Источники ионизирующего излучения • Искусственные источники ионизирующего излучения: • Искусственные радионуклиды. • Ядерные реакторы. • Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение). –Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение. • Наведённая радиоактивность
Измерение ионизирующих излучений Схема устройства счётчика Гейгера – Мюллера: 1 – герметически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на цилиндре из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая нить)
Cчетчик Гейгера-Мюллера • Счётчик Гейгера – Мюллера представляет собой герметично запаянную стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом под давлением 13– 26 к. Па. Внутри трубки находятся два электрода, к которым прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. При попадании ионизирующей частицы в счётчик Гейгера – Мюллера возникает вспышка коронного разряда и во внешней цепи прибора появляется импульс тока, который усиливается и регистрируется счётчиком импульсов.
Количественные характеристики И. И. • Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важными показателями взаимодействия ионизирующего излучения с веществом служат такие величины, как:
Количественные характеристики И. И. • линейная плотность ионизации (i), под которой понимают отношение числа dn ионов одного знака, которые образуются при прохождении «И. И. » элементарного пути dl к этому пути: • i = dn/dl
Количественные характеристики И. И. • линейная тормозная способность вещества (S), под которой понимают отношение энергии d. E, которая теряется «И. И. » при прохождении элементарного пути dl к этому пути: • S = d. E/dl
Количественные характеристики И. И • Средний линейный пробег R - это среднее значение расстояния между началом и завершением прохождения «И. И. » в данном веществе. • При изучении степени поражения тех или иных биологических объектов необходимо иметь представление о физических характеристиках излучения, особенно о его энергии.
Дозовые характеристики И. И. • И. И. только тогда оказывает действие на вещество, когда это излучение взаимодействует с частицами, входящими в состав вещества. Различные эффекты ионизирующего излучения прежде всего определяются поглощенной дозой (Dп). Она сложным образом зависит от вида ионизирующего излучения, энергии его частиц, состава облучаемого вещества и пропорциональна времени облучения. Поглощенной дозой называют энергию ионизирующего излучения, рассчитанную на единицу массы облучаемого вещества.
Поглощенная доза и мощность • Мощность поглощенной дозы:
Единицы поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы • Единицей поглощенной дозы излучения является грей (Гр), который соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж; мощность дозы излучения выражается в грeях в секунду (Гр/с). • Внесистемная единица дозы излучения рад (1 рад = 10 -2 Гр = 100 эрг/г), ее мощности рад в секунду (рад/с).
Экспозиционная доза излучения (Dэксп) и мощность (Рэксп) • Экспозиционной дозой (Dэ)называют заряд, который образуется в единице массы сухого воздуха при прохождении через него И. И. • Мощностью экспозиционной дозы (Pэ)называют заряд, который образуется за единицу времени в единице массы сухого воздуха при прохождении через него И. И.
Экспозиционная доза излучения (Dэксп) и мощность (Рэксп)
Единицы экспозиционной дозы излучения (Dэ) и мощности (Рэ) • За единицу экспозиционной дозы принят кулон на килограмм (Кл/кг). На практике используют единицу, называемую рентгеном (Р), экспозиционная доза рентгеновского или излучения, при которой в результате полной ионизации в 1 см 3 сухого воздуха (0, 001293 г) при 0 °С и 760 мм рт. ст. образуется 2, 08 • 109 пар ионов. 1 Р = 2, 58 • 10 4 Кл/кг. • Единицей мощности экспозиционной дозы является 1 А/кг, а внесистемной единицей 1 Р/с.
Связь между поглощенной и экспозиционной дозами • Так как доза излучения пропорциональна падающему ионизирующему излучению, то между ней и экспозиционной дозой должна быть пропорциональная зависимость: • Dп = f Dексп • где f - некоторый переходный коэффициент, зависящий от ряда причин и прежде всего от облучаемого вещества и энергии фотонов
Эквивалентная доза излучения (Dэ) и мощность (Рэ) • Биологические эффекты различных ИИ определяют путем сравнения с соответствующими эффектами, вызванными рентгеновским и излучениями. Коэффициент К, показывающий, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях, называется коэффициентом качества. В радио биологии его называют также относительной биологической эффективностью (ОБЭ).
Эквивалентная доза излучения (Dэ) и мощность (Рэ) • Эквивалентной дозой излучения называют произведения коэффициента качества излучения на поглощенную дозу: • De = k∙Dn • Мощностью эквивалентной дозы называют приращение эквивалентной дозы за единицу времени:
Единицы еквивалентной дозы и мощности • Так как К - безразмерный коэффициент, то эквивалентная доза излучения имеет ту же размерность, что и поглощенная доза излучения, но называется зивертом (Зв). Внесистемная единица эквивалентной дозы бэр, 1 бэр = 10 2 Зв. Эквивалентная доза в бэрах равна дозе излучения в радах, умноженной на коэффициент качества. Предельно допустимой эквивалентной дозой при профессиональном облучении считается 5 бэр в течение года.
Защита от ионизирующего излучения • Существует три вида защиты от ИИ: • Защита временем и расстоянием основана на учете формулы для мощности экспозиционной дозы:
Защита материалом • Защита материалом основана на законе ослабления ионизирующего излучения:
Задача 1. Какая экспозиционная доза, если в 400 г сухого воздуха образуется 2 1016 пар ионов? • Решение. • Таким образом: • Dэксп=(2∙ 1016∙ 1, 6∙ 10 -19 Кл)/0, 4 кг=8∙ 10 -3 Кл/кг
Задача 2. Какая поглощенная доза, если в 10 г ткани поглощается 109 частиц с энергией 5 Мэ. В каждая? • Решение. • Откуда: Dп =(109∙ 5∙ 106∙ 1, 6∙ 10 19 Дж)/10 2 кг= • =8∙ 10 2 Гр
Задача 3. Тело массой 60 кг на протяжении 6 часов поглотило 1 Дж энергии ионизирующего излучения. Найти поглощенную дозу и мощность поглощенной дозы в системе СИ и внесистемных единицах. • Решение • Dn=E/m=1 Дж/60 кг=0, 0167 Гр=1, 67 рад • Pn=E/(m∙t) = Dn/ t = 0, 0167 Гр/(2, 16∙ 103 с )= • =0, 77∙ 10 6 Вт/кг=0, 77∙ 10 4 рад/с • Ответ: Dn=0, 0167 Гр=1, 67 рад • Pn=0, 77∙ 10 6 Вт/кг=0, 77∙ 10 4 рад/с
Задача 4. В 10 г ткани поглощается 109 частиц с энергией 5 Ме. В у каждой. Найти поглощенную и эквивалентную дозы. Считать коэффициент качества излучения для частиц равным 20. • Dn= n ∙E 0/ m =109 ∙ 8∙ 10 -13 Дж /10 -2 кг =8∙ 10 -2 Гр=8 рад • Dе=к∙n∙E 0/ m = к∙ Dn = 8∙ 10 -2 Гр∙ 20=1, 6 Зв = 160 бер
Задача 5. Рентгеновская трубка создает на некотором расстоянии мощность экспозиционной дозы равную 2, 58∙ 10 5 А/кг. Какое количество пар ионов создает рентгеновская трубка в 1 г сухого воздуха? • Решение • Рэксп= n∙е/(m∙t). Тогда: • n = Рэксп∙ m∙t/е=2, 58∙ 10 -5 А/кг∙ 10 -3 кг∙ 1 с/1, 6∙ 10 -19 Кл=1, 6∙ 1011 пар ионов