Лабораторная работа №1. I d N d t N = = − λ ,

1
Лабораторная работа №1.
Введение в дозиметрию.
Измерение радиоактивного фона излучения.
Цель работы: Ознакомление с единицами радиоактивного излучения. Измерение естественного фона радиоактивного излучения.
1. Единицы доз.
Ядерные излучения возникают при распаде естественных или искусственных радиоактивных веществ. Источником ядерного излучения являются также космические лучи.
Любые виды ядерных излучений, являются не безопасными для живого организма. Для того чтобы оградить себя от их действия нужно правильно организовать свою работу и контролировать, в процессе работы,
возможные величины облучения.
При взаимодействии таких, как a, b, g, - излучений с веществом, происходит его ионизация. В конечном итоге поглощенная веществом энергия, Выделяется в виде продуктов ядерных реакций: a, b - частиц, протонов, нейтронов или осколков ядер атомов вещества.
Для оценки этого воздействия, необходимо знать в каких единицах
измеряются соответствующие радиоактивные излучения, как их измерить
и уметь оценивать результаты измерения.
1° Под активностью радиоактивного источника I, будем понимать, число радиоактивных распадов в единицу времени:
I = -
dN
= l N,
dt
где N - число начальных радиоактивных атомов, а l есть вероятность
распада. Активность является характеристикой всего радиоактивного препарата, а не отдельных ядер. Активность, отнесенная к единице массы
источника излучения, называется удельной активностью.
В системе СИ активность измеряется Беккерелях 1(Бк), то есть происходит один распад в секунду. На практике широко используется внесис-
2
темная единица Кюри 1(Ки), которая связана с Беккерелем следующим
10
образом: 1 Ки = 3,7 × 10 Бк , что означает среднее число распадающихся ядер в 1 грамме радия за 1 секунду.
2° Поглощенную энергию радиоактивных излучений в любой среде,
принято характеризовать некоторой величиной, называемой дозой излучения. Величина поглощенной дозы, зависит, как от свойств излучения,
так и от свойств поглощающей среды.
По определению поглощенная доза есть:
D =
dE
1 dE
=
,
dm
r dV
(1)
где m - масса поглощающего вещества, Е - поглощенная энергия, r - есть
его плотность, а V объём. В (1) d E
- определяет поглощённую дозу,
а dE
dm
dV
- дозу облучения.
Единицей поглощенной дозы, в системе СИ, является Грей 1 (Гр.), то
есть массе облученного вещества в 1 кг. передается энергия ионизирующего излучения в 1 Дж. В системе СГС эта величина задаётся в Радах,
то есть количество поглощенной энергии в 100 эргов приходящихся на 1
-2
грамм вещества. 1 рад = 10 Гр. На практике используется другая
внесистемная единица Рентген 1(Р.) Если поглощенная энергия в 1
грамме воздуха, при дозе 1 Р., равна 85 эрг ¤ г., то тогда можно получить
связь Рентгена с радом: 1 Р. = 0,85 рад. Очень часто используется производная от Рентгена миллиРентген (мР.) и микроРентген (мкР.)
По действию ионизирующего излучения на вещество можно ввести
экспозиционную дозу излучения ( g и рентгеновского излучения ), то есть
величину равную отношению суммы электрических зарядов DQ всех ионов одного знака созданных электронами освобожденными при облучении сухого воздуха, при полном использовании ионизирующей способности электронов, к массе этого воздуха Dm:
D
Э
=
DQ
Dm
[ Э]
D
=
1 Кл
.
1 кг
Она связана с Рентгеном, как 1P . = 2,58 × 10
4
Кл
кг
.
3
3° Доза полученная за единицу времени, называется мощностью поглощенной дозы излучения P :
P =
D
.
t
В системе СИ , она измеряется в:
[P ]
а в системе СГС:
=
1 Гр
1 Вт
=
,
1с
1 кг
1 рад
.
1с
Мощностью экспозиционной дозы P , называется отношение экспози-
[P ]
ционной дозы D
Э
=
Э
к единице времени:
PЭ =
D
Э .
t
В системе СИ мощность экспозиционной дозы измеряется в
[ PЭ ] = 1 Kк гл .
Внесистемная единица экспозиционной дозы, есть:
1
-8
-4 A
P
= 2,58 × 10
,
c
кг
или 1 Р./ч. = 7,17 × 10 А. кг .
Величину мощности дозы, при действии g - излучения, можно определить как отношение активности источника I, к величине мощности дозы
создаваемой точечным источником излучения С, с активностью 1 мКюри,
за 1 час на расстоянии 1 см. Если активность источника С задается
миллиКюри, а его мощность дозы по g - излучению I известны, то поглощенная доза ( в Рентгенах ), определим как:
D = I
Ct
R
2
,
где R - есть расстояние от источника до поглотителя в сантиметрах.
t - время поглощения в часах.
Для характеристики активности источников g - излучения используют
величину называемую грамм - эквивалент радия ( г. экв. Ra ).
Мощность дозы источника g - излучения соответствует 1 г - экв. Ra,
4
если в равных условиях измерения, источник производит такую же ионизацию, как и излучение 1 г. радия, находящегося в радиоактивном
равновесии с короткоживущими продуктами распада и заключенного в
оболочку из платины толщиной 0,5 мм 1. Гамма - эквиваленты некоторых
g - активных источников приведены в Таблице 1.
Таблица 1.
Гамма - эквиваленты некоторых g - активных веществ.
Активность в 1мКюри
Изотоп
В мг × экв радия
1.
Натрий – 24
2,27
2.
Кобальт - 60
1,57
3.
Медь – 64
0,14
4.
Цинк – 65
0,34
5.
Йод - 131
0,24
6.
Цезий - 137
0,42
7.
Ртуть – 203
0,15
8.
Радий - 226
1,16 (без фильтра)
9.
Уран – 238
0,0098
4°. Определение дозы в нейтронной физике происходит значительно
сложнее, из - за многообразия процессов возникающих при взаимодействии нейтронов с веществом.
Основной величиной характеризующей дозу, в нейтронной физике, является нейтронный поток, то есть число нейтронов проходящих в 1 се2
кунду через площадь в 1 см , при этом необходимо учитывать весь
энергетический спектр нейтронов.
В качестве основной единицы дозы, в нейтронной дозиметрии, используется единица поглощенной дозы, то есть такое количество нейтронного излучения, при поглощении которого в 1 грамме вещества
выделяется энергия равная 100 эргов - это есть 1 рад.
2. Действие радиоактивного излучения
на биологические объекты.
Дозу излучения можно оценить по её биологическому воздействию,
эквивалентной дозе излучения, которая измеряется в системе СИ в Зивертах ( 1 Зв. ). 1 Зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Грей, при
воздействии на биологический объект рентгеновского или g - излучения.
1
Все эталонные препараты заключены в ампулы определенной толщины, для того чтобы
стандартизировать излучение мягкой компоненты g - излучения.
5
На практике широко используется внесистемная единица, биологический
эквивалент рентгена ( 1 Бэр ), то есть поглощенная телом энергия излучения равная 1 Рентгену:
1 бэр = 10 -2 Зв = 10 -2 Дж
кг
.
При взаимодействии радиоактивного излучения с живой тканью происходит её ионизация и как следствие разрыв химических связей, а
также происходит распад молекул и атомов. Это приводит к нарушению
жизнедеятельности клеток ткани и как следствие их гибели, что
приводит к изменению обмена веществ, а в результате возникает
нарушение деятельности отдельных органов. Эти нарушения могут быть,
как обратимые, так и необратимые, в зависимости от величины дозы и
вида
Биологический
излучения. эффект излучения, зависит, как от дозы, вида излучения и времени его действия, размеров облучаемой поверхности, а также
индивидуальной чувствительности ( см. Табл. 2):
Биологический эффект при различных видах облучения.
Таблица 2.
Доза облучения,
Результаты воздействия излучения.
в Рентгенах.
1. 0 –25
Отсутствуют видимые нарушения.
2. 25 – 50
Возможны изменения в крови.
3. 50 – 100
Возникают изменения в крови, возможна потеря трудоспособности.
4. 100 – 200
Нарушение нормального состояния, потеря трудоспособности, возможны смертельные исходы.
Различное действие, того или иного радиоактивного излучения, связано
с различной плотностью ионизации. Если принять биологическую эффективность g - излучения за единицу, то относительная биологическая эффективность ( ОБЭ) излучений, при равных поглощенных дозах оказывается разной ( см. Табл. 3 ):
Значения
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ОБЭ для некоторых видов излучения.
g - излучение
b - частицы
Тепловые нейтроны ( 0,02 - 0,04 эВ )
Быстрые нейтроны
Протоны
a - частицы
Таблица 3.
1
1
5
10
10
10
6
Действие радиоактивного излучения на организм человека приведено в
Приложении 1.
3. Работа с радиоактивными веществами.
Соблюдение гигиенических нормативов абсолютно, при работе с радиоактивными веществами. Основной нормой является предельно допустимая доза облучения и это ограничение никогда не должно быть нарушено. В нашей стране рекомендована предельно допустимая доза облучения равная 0,017 Рентген в день, при этом ежедневное воздействие такой дозы не должно вызывать повреждение организма в течении
всей жизни человека.
Исходя из требований безопасности, предпочтение необходимо отдавать изотопам с меньшим периодом полураспада, меньшей энергией и
меньшей степенью радиотоксичности.
Во избежание соприкосновения с радиоактивными веществами необходимо использовать перчатки и прорезиненные фартуки, а для уменьшения облучения нужны щипцы с длинной ручкой и манипуляторы различных конструкций.
В случае работ распыляющимся активным веществом, надевают респираторы для предохранения органов дыхания от радиоактивной пыли.
Спецодежда и обувь остаются в помещение, где производились работы
с радиоактивными веществами. После работы рекомендуется принять душ.
Категорически запрещается приём пищи, и курение в помещении, где
имеются радиоактивные источники.
Порядок выполнения работы.
В настоящее время промышленностью выпускается большое число дозиметров и радиометров. Для примера, приведем здесь марки примеров
различного назначения.
Для измерения рентгеновского и g - излучений служат приборы типа
ПМР - 1, где в качестве детектора излучения используется ионизационная
камера.
Для измерения a - b - g - активности служат приборы, типа универсального радиометра " Тисс " , где в блоке детекторов установлены гейгеровские и пропорциональные счетчики, а также сцинтилляционный счетчик.
7
Более подробную информацию о работе того или иного прибора можно получить из специальной литературы или из инструкции по работе с
конкретным прибором.
В данной работе, для измерения экспозиционной мощности излучения
Р естественного фона g - излучения, будет использоваться бытовой доЭ
зиметр - радиометр АНРИ - 01 - 02 "Сосна ". С работой этого прибора необходимо ознакомиться более подробно, так как он будет использоваться
для измерения излучения в других лабораторных работах. Для подготовки дозиметра при измерении фона излучения, необходимо сделать следующее:
1. Проверить закрыта ли задняя крышка прибора и при необходимости
её закрыть и зафиксировать фиксатором.
2. Установить переключатель рода работы в положение " МД " (крайнее
левое положение ).
3. Включить дозиметр для чего выключатель питания перевести положение " ВКЛ ".
4. Нажать кратковременно кнопку " Пуск ". При этом на цифровом
табло появятся точки после каждого разряда:
0.0.0.0.
и начинается счет импульсов.
5. Через ( 20 ± 5 ) с. измерение заканчивается, что сопровождается
звуковым сигналом, при этом на индикаторе фиксируется число
с одной запятой, например:
0,012
это показание и есть соответствующая экспозиционная доза излучения, в мР./ч..
6. Показания на цифровом индикаторе сохраняются до следующего
нажатия на кнопку " Пуск " или выключения прибора.
7. Так как взаимодействие излучений с измерительным прибором носит
случайный характер, то при малых значениях экспозиционной дозы
Р ( на уровне фона ) может наблюдаться значительный разброс в
Э
показаниях прибора.
8. Для получения среднего значения измеряемой дозы излучения и её
погрешности, следует выполнить 50 измерений фона излучения ( или
излучения от других источников ). Естественный фон излучения составляет, как правило, ~ 10 мкР./ч..
9. По данным измерений построить гистограмму зависимости числа
8
частоты повторений данных p,
n
pi = i ,
n
где n , есть число одинаковых значений дозы из всей совокупноi
сти значений измерений n , от значений дозы излучения Р .
Э
Если построить по данным график зависимости, то он будет подчиняться нормальному закону распределения. Оптимальную ширину интервала, можно найти из соотношения
P
- PЭ min
P0 = Э max
,
1 + 3, 21 lg n
где P
Э max
и P
есть максимальное и минимальное значе-
Э min
ние дозы излучения в n измерениях.
10. Найти среднее значение экспозиционной дозы излучения, естественного фона излучения:
n
РЭ =
1
n
åР
Эi
,
i=1
при n = 200.
11. Далее найдем среднеквадратичное отклонение среднего значения, что
является величиной стандартного отклонения s :
n
2
РЭ i - РЭ )
(
å
i=1
s =
n
.
12. Записать результат измерений в виде:
Р
Э
(
= Р
Э
)
± 2 s мкР./ч. при a = 0,95,
где a - есть достоверность измерения, соответствующая 95 %.
9
Приложение.
При действии радиоактивного излучения на организм человека, важным фактором является время облучения. С увеличением мощности дозы
поражение возрастает и наоборот, поражающее действие облучения будет меньше, чем более дробно оно происходит.
По характеру действия ядерных излучений на организм, их различают
на внутренние и внешние.
Внутренне облучение возникает, если радиоактивные вещества поглощаются внутри организма, при вдыхании загрязненного воздуха, при
приёме пищи и через повреждения кожи. Наиболее опасны вещества,
которые откладываются в костях ( стронций, радий и др. ), они очень
медленно выводятся из организма. Наиболее чувствительна к поражению
кровь, поэтому первым признаком лучевого поражения является изменение состава крови. При облучении организма медленными и тепловыми
нейтронами, в тканях возникает искусственная радиоактивность, что также приводит к его поражению.
Поражения, вызванные радиоактивным излучением, могут быть острыми и хроническими. Острую лучевую болезнь, которая протекает циклически, можно разбить на 4 периода:
1. Через несколько часов после облучения (1÷2ч.), возникает тошнота,
вялость, головокружение и иногда повышенная температура на 0,5°
÷ 1,5°, увеличивается пульс.
2. Период видимого благополучия ( развитие болезни протекает скрытно).
3. Период активизации болезни. При этом, температура повышается до
41°, возникает тошнота, рвота, недомогание, лихорадка, понос, появляются, как внутренние, так и внешние кровотечения. Смерть чаще
всего наступает между 18 и 20-м, днями болезни. По истечении 30
дней смертельные исходы редки.
4. Период выздоровления наступает через 25 - 30 дней, хотя полного
выздоровления может и не быть, наступает раннее постарение организма. Происходит обострение всех имеющихся болезней.
Хроническая лучевая болезнь развивается в результате постоянного
действия достаточных доз. Различают три степени заболевания:
1. Лёгкая, которая сопровождается постоянными головными болями, недомоганием, нарушением сна и аппетита.
2. Во второй степени, признаки первой степени болезни, выражены более ярко. Наступает нарушение обмена веществ, возникают сосуди-
10
стые и сердечные изменения, усиливается кровоточие, появляется расстройство пищеварительных органов и т. д..
3. Третья степень, характеризуется ещё более острыми проявлениями
выше перечисленных симптомов. Возникают нарушения в работе различных органов, происходят изменения в центральной нервной системе, появляются интенсивные кровоизлияния.
При внешнем облучении большими дозами, развиваются лучевые ожоги, которые отличаются от солнечных только длительностью скрытого
периода ( несколько суток ). Тяжесть заболевания зависит от полученной
дозы.
Защита от внешнего излучения сводится к уменьшению поглощенной
дозы облучения, до величин близких к фону.
Литература:
1. Антонова И. А. и др., Практикум по ядерной физике, ; М., Издательство
МГУ, 1988 г.
2. Кабардин О. Ф., Практикум по ядерной физике.; М., Просвещение, 1965г.
3. Наумов А. И., Физика атомного ядра и элементарных частиц. ; М.,
Просвещение, 1984 г.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике, ; М., Наука, 1990
г.
стр. 530.
5. Чертов А. Г., Воробьёв А. А., Задачи по физике.; М., Высшая школа.,
1988 г., стр. 389.
6. Лавренчик В. Н., Постановка физического эксперимента и статистическая обработка его результатов., ; М., Энергоатомиздат, 1986 г.