3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.2. Дозиметрия 1 3.2 Дозиметрия 3.2.1. Ионизирующее излучение и его характеристики. Флюенс. Экспозиционная доза. Поглощенная доза. Коэффициент качества излучения. Эквивалентная доза. Единицы измерения доз. Дозиметрия – раздел прикладной ядерной физики, в которой рассматриваются физические величины, характеризующие распределение ионизирующего излучения и его взаимодействие с веществом. Дозиметрические величины устанавливают связь между измеряемой физической величиной и величиной радиационного эффекта в веществе. Во всех случаях взаимодействия излучения с веществом происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. Радиоактивные частицы взаимодействуют с ядрами, электронами, атомами и молекулами. Первопричиной радиационных эффектов является поглощенная энергия. Радиационно-индуцированный эффект – это нагрев тела, изменение его физических свойств (структуры), химических свойств, биологических изменений. Важнейшая задача дозиметрии – определение дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Ионизирующее излучение – поток частиц или электромагнитных квантов, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул. Ионизирующим излучением являются потоки электронов, позитронов. дейтронов, -частиц и других заряженных частиц, а также потоки нейтронов, рентгеновского и -излучения. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующему излучению, хотя УФ-излучение ионизирует воздух. Ионизирующее излучение формирует поле излучения. Поле излучения – область пространства, каждой точке которого поставлены в соответствие физические величины, являющиеся характеристиками поля излучения. Это флюенс, плотность потока частиц, керма и энергетический спектр. Флюенс (перенос) ионизирующих частиц – отношение числа ионизирующих частиц dN , проникающих в объём элементарной сферы к площади dS поперечного сечения этой сферы dN [част/см2]. dS (3.4) Плотность потока ионизирующих частиц – флюенс частиц за малый промежуток времени , деленный на этот промежуток d [част/см2 сек]. dt (3.5) Керма (кинетическая энергия, освобожденная в веществе) – сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, образованных косвенным ионизирующим излучением в единице массы облучаемого вещества в результате взаимодействия с веществом 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА K 3.2. Дозиметрия dE k [Дж/кг]. dm 2 (3.6) Керма – мера энергии, переданной излучением заряженным частицам в данной точке облучаемого объёма. Энергетический спектр ионизирующих частиц – распределение ионизирующих частиц по их энергиям. Экспозиционная доза (доза облучения) – отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объёме воздуха, деленный на массу воздуха в этом объёме: X dQ [Кл/кг]. dm (3.7) Рентген – внесистемная единица экспозиционной дозы. При дозе в 1 рентген в 1см3 воздуха (при 0оС и 760 мм рт ст) образуется 2,08 109 пар ионов, имеющих заряд 1 СГС q каждого знака. 1 Р = 2,54 ∙ 10-4 Кл/кг соответствует 96 эрг/г. (3.8) Мощность экспозиционной дозы – приращение экспозиционной дозы за малый промежуток времени, деленное на этот промежуток: dX X = [мкР/сек], dt (3.9) где 1 микрорентген = 10-6 рентген. Дозиметрические приборы регистрируют только мощность экспозиционной дозы. Поглощенная доза излучения – средняя энергия ионизирующего излучения, поглощенная элементом вещества, деленная на единицу массы вещества в этом объёме: D dE [Дж/кг]. dm (3.10) В системе СИ 1 Грей = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 эрг/г. При расчете поглощенной дозы принимается следующий состав мягкой биологической ткани: 76,2% кислорода, 11,15 углерода, 10,15 водорода, 2,6% азота (по массе). Тканевая молекула живого организма C5 H 40O18 Nx . В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,873 рад, в ткани человека 0,96 рад. Для электромагнитного фотонного излучения, чем выше Z , тем больше поглощенная доза. Поглощенная доза для нейтронного излучения зависит от энергии нейтронов. Коэффициент качества излучения k – безразмерный коэффициент показывает, во сколько раз радиационноная опасность в случае хронического облучения выше, чем в случае образцового гамма-излучения с энергией 1 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.2. Дозиметрия 3 МэВ. Коэффициент качества для различных видов излучения приведен в табл. 3.1: Таблица 3.1 Коэффициент качества для различных видов излучения Вид излучения Коэффициент качества k 1 Рентгеновское и излучение Электроны и позитроны 1 Нейтроны с энергией <20 кэВ 3 Протоны с энергией <10 МэВ 10 Нейтроны с энергией 0.5 МэВ 10 Нейтроны с энергией 5 МэВ 7 20 -излучение с энергией<10 МэВ Тяжелые ядра отдачи 20 Эквивалентная доза – поглощенная доза излучения, умноженная на средний коэффициент качества излучения для биологической ткани стандартного состава H kD, (3.11) [H] = 1 зиверт = 100 бэр (внесистемная единица бэр – биологический эквивалент рентгена). Эквивалентная доза используется в радиационной безопасности для учета вредных эффектов при хроническом облучении человека малыми дозами, не превышающими 250 мЗв в год (5 предельно допустимых доз в год). Эквивалентную дозу нельзя использовать для оценки последствий аварийного облучения человека. Не существует приборов, измеряющих поглощенную и экивалентную дозы. Их можно только рассчитать. Естественный фон ионизирующего излучения – космические лучи, радиоактивность почвы, воды, воздуха создают в среднем мощность эквивалентной дозы dH H 0,125 сантизиверт/год = 0,125 бэр/год. dt (3.12) 3.2.2. Действие ионизирующих излучений на структуру вещества. Химическое действие ядерных излучений Энергия заряженных частиц, -квантов и нейтронов в основном тратится на ионизацию и возбуждение атомов. Ионизация в конечном счете ведет к нагреванию вещества и не вызывает в нем необратимых изменений. Однако заметная доля энергии потока частиц затрачивается на необратимое изменение структуры вещества, которое называется радиационным повреждением. 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.2. Дозиметрия 4 Радиационные дефекты – устойчивые нарушения правильного расположения атомов или ионов в узлах кристаллической решетки при облучении потоками микрочастиц. Главным механизмом является ударное выбивание атомов из кристаллической решётки с образованием первичного радиационного дефекта типа Френкеля (вакансия и междуузельный атом). Заряженные частицы и нейтроны выбивают атомы непосредственно, -кванты через промежуточные фотоэлектроны или комптоновские электроны. Часто появление в решетке новых атомов возникает при внедрении падающих тяжелых частиц и за счет ядерных реакций с распадами продуктов реакций. Такие явления возникают при облучении нейтронами и ионной бомбардировке. Возникновение F -центров окраски происходит, когда в кристалле поваренной соли NaCl отрицательный ион хлора Cl теряет два электрона и выскакивает из решетки Cl Cl 2e . Вместо него вакансия заменяется электроном. Генерация радиационных дефектов меняет свойства материалов: Возникает радиационное распухание – изменение формы и размеров облученных образцов. Изменяются механические свойства – модуль упругости растет, пластическое разрушение сменяется хрупким разрушением. В полупроводниках радиационные дефекты выступают как центры рассеяния носителей заряда и меняют концентрацию и природу основных носителей заряда, т.е. р-n проводимость. Изменение механических свойств, однородности состава и геометрических размеров конструкциооных материалов ограничивают срок работы ядерных реакторов. Облучение полупроводников сопровождается существенными изменениями параметров полупроводниковых приборов. Все материалы и приборы обладают определенной радиационной стойкостью, которая обязательно учитывается при конструировании. Изменение свойств на 20–30% и максимальные уровни облучения приведены в табл. 3..: Максимальные уровни облучения материалов Неорганические материалы Доза -излучения, грей Стекло 5∙107 Сталь конструкционная 5∙107 Бетон 5∙107 Кремниевые транзисторы 103–105 Германиевые транзисторы 104–106 Радиолампы - Таблица 3.2. Флюенс нейтронов част/см-2 5∙1017 1019 1020–5 1020 3∙1011–1013 4∙1012–1014 1016 Химическое действие ядерных излучений Ядерные излучения могут вызвать в веществах различные химические реакции. Радиационная химия – раздел химии, которая изучает химические 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.2. Дозиметрия 5 процессы, происходящие под действием ионизирующих излучений. Механизм радиационно-химических реакций следующий. Поток частиц вызывает в среде возбуждение, ионизацию и диссоциацию молекул. Возникшие возбужденные молекулы и ионы вступают в химическую реакцию непосредственно или через образование свободных радикалов. Энергия ядерных излучений ~МэВ >> энергии потенциальных барьеров и химических связей 1-10 эВ. Ядерные излучения образуют химически высокоактивные ионы и радикалы и осуществляют сильно эндотермические химические реакции с высоким активационным барьером. Характеристикой радиационно-химической реакции являются выход G – число молекул, превратившихся или снова образовавшихся в веществе на 100 эВ поглощенной энергии излучения. Для большинства радиационнохимических реакций G =4÷10. Для устойчивых к радиации молекул G =0,1. Для цепных радиационно-химических процессов G =105÷106. В газовой фазе первичные продукты – ионы и возбужденные короткоживущие молекулы ~10-8 сек, реагируя с молекулами среды и друг с другом, приводят к образованию свободных радикалов, ион-радикалов и стабильных продуктов. В жидкой фазе в облученной воде и разбавленных водных растворах в результате радиационно-химических реакций образуются гидратированные (в воде) и сольватированные электроны (электроны, захваченные средой в результате поляризации молекул, окружающих такие электроны). При радиолизе воды возникают переплетающиеся многоступенчатые реакции и образуются радикалы OH , Н -, водород, кислород, перекись водорода H 2 O 2 и ионы H 3 O . В твердых телах с ионным типом связи эффекты облучения обусловлены микродефектами вдоль треков, что приводит к деструкции. В твердых телах с ковалентными связями (в полимерах) происходит отрыв атомов и разрыв главной цепи макромолекулы. В целлюлозе при облучении происходит преимущественно деструкция, в полиэтилене – преимущественно сшивание полимерных молекул.