Доза излучения, мощность дозы и единицы их измерения

Радиоактивность препаратов можно определить абсолютным, расчетным и относительным (сравнительным) методом. Последний наиболее распространен.

Абсолютный метод.Тонкий слой исследуемого материала наносится на специальную тончайшую пленку (10-15 мкг/см²) и помещается внутрь детектора, в результате чего используется полный телесный угол (4p) регистрации вылетающих, например, бета-частиц и достигается почти 100% эффективность счета. При работе с 4p-счетчиком не нужно вводить многочисленные поправки, как при расчетном методе.

Активность препарата выражается сразу в единицах активности Бк, Кu, мКu и т.д.

Расчётным методомопределяют абсолютную активность альфа и бета излучающих изотопов с применением обычных газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков.

В формулу для определения активности образца введен ряд поправочных коэффициентов, учитывающих потери излучения при измерении.

А = N/w×e×k×r×q×r×g•m×2,22×10¹²

A - активность препарата в Кu;

N - скорость счета в имп/мин за вычетом фона;

w - поправка на геометрические условия измерения (телесный угол);

e- поправка на разрешающее время счетной установки;

k- поправка на поглощение излучения в слое воздуха и в окне (или стенке) счетчика;

r- поправка на самопоглощение в слое препарата;

q - поправка на обратное рассеяние от подложки;

r - поправка на схему распада;

g- поправка на гамма-излучение при смешанном бета-, гамма-излучении;

m - навеска измерительного препарата в мг;

2,22×10¹² -переводной коэффициент от числа распадов в минуту к Ки (1 Ки = 2,22*10¹² расп/мин).

Для определения удельной активности необходимо активность приходящуюся на 1 мг перевести на 1 кг.

Ауд = А*106 , (Кu/кг)

Препараты для радиометрии могут быть приготовлены тонким, толстым или промежуточным слоем исследуемого материала.

Если исследуемый материал имеет слой половинного ослабления - D1/2,

то тонкие - при d<0,1D1/2, промежуточные - 0,1D1/2<d<4D1/2, толстые (толстослойные препараты) d>4D1/2.

Все поправочные коэффициенты сами в свою очередь зависят от многих факторов и в свою очередь рассчитываются по сложным формулам. Поэтому расчетный метод очень трудоемок.

Относительный (сравнительный) метод нашел широкое применение при определении бета-активности препаратов. Он основан на сравнении скорости счета от эталона (препарат с известной активностью )со скоростью счета измеряемого препарата.

При этом должны быть полностью идентичные условия при измерении активности эталона и исследуемого препарата.

Апр = Аэт* Nпр/Nэт, где

Аэт - активность эталонного препарата, расп/мин;

Апр - радиоактивность препарата (пробы), расп/мин;

Nэт - скорость счета от эталона, имп/мин;

Nпр - скорость счета от препарата (пробы), имп/мин.

В паспортах на радиометрическую и дозиметрическую аппаратуру указано обычно с какой погрешностью производятся измерения. Предельная относительная погрешность измерений (иногда ее называют основной относительной погрешностью) указывается в процентах, например, ± 25%. Для разных типов приборов она может быть от ± 10% до ± 90% (иногда указывается отдельно погрешность вида измерения для разных участков шкалы).

По предельной относительной погрешности ± d% можно определить предельную абсолютную погрешность измерения. Если сняты показания прибора А, то абсолютная погрешность DА=±Аd/100. ( Если А=20 мР, а d = ±25%, то реально А= (20 ± 5)мР. Т.е. в пределах от 15 до 25 мР

 

 

Вопрос № 22.

Естественные источники ионизирующих излучений.

К естественным источникам ионизирующего излучения относятся космическое излучение (первичное и вторичное), природные радиоактивные вещества, рассеянные в атмосферном воздухе, гидросфере и литосфере.

 

 1 Космическое излучение Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичные космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из космоса и возникающих в процессе термоядерных реакций в недрах Солнца и звезд. Первичное космическое излучение состоит из протонов – 92%, альфа-частиц – 7%, ядер атомов лития, бериллия, углерода, азота и кислорода и др. Кроме того в состав космического излучения входят электроны, позитроны, гаммакванты и нейтрино. При резком увеличении солнечной активности возможно нарастание космического излучения на 4-100%. Лишь немногие первичные космические лучи достигают поверхности Земли, так как они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. На орбите Земли скорость космических частиц примерно равна 300 км/с, т.е. около 0,001 с (где с – скорость света). Плотность космических частиц на орбите Земли зависит от интенсивности термоядерных реакций на Солнце. В спокойные периоды деятельности Солнца плотность первичных космических частиц на орбите Земли на высоте 50 км от ее поверхности равна 1-2 част./см2 × с. В периоды усиления активности Солнца количество их может достигать 100 част./см2 .Первичные космические частицы, обладая огромной энергией (в среднем 10 ГэВ) и скоростью, взаимодействуют с ядрами атомов, составляющих атмосферу, и рождают вторичное излучение.

Вторичное космическое излучение состоит из электронов, нейтронов, мезонов и фотонов; максимум его интенсивности находится на высоте 20-30 км, на уровне моря интенсивность излучения составляет около 0,05% от первоначального. Элементарные частицы, составляющие вторичное космическое излучение, под действием магнитного поля Земли образуют вокруг нее два радиационных пояса – внешний и внутренний. На широте экватора внешний пояс расположен на расстоянии 20-60 тыс. км, а внутренний – на расстоянии 600-6000 км от поверхности Земли. На некоторых участках внутренний пояс может опускаться на расстояние до 300 км от поверхности Земли. Поскольку среди элементарных частиц радиационных поясов преобладают электроны и позитроны, то плотность частиц измеряется количеством электронно-позитронных пар на квадратный сантиметр в секунду. Плотность потока частиц во внешнем и внутреннем радиационных поясах равны соответственно 2107 и 1105 электрон/см2. Заряженные частицы вторичного космического излучения движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли, которое является для них ловушкой. В итоге в радиационных поясах нашей планеты потоки заряженных частиц в сотни миллионов раз превышают потоки солнечного ветра в космическом пространстве. На поверхность Земли попадает, главным образом, вторичное космическое излучение, которое создает ионизацию компонентов атмосферы. Интенсивность ионизации возрастает с увеличением высоты. На уровне моря она минимальна, а на высоте 12-16 км достигает максимума. Ионизация, вызываемая космическими лучами, возрастает в направлении от экватора к полюсам, что является следствием отклонения первично заряженных космических частиц магнитным полем Земли.

У космических частиц есть так называемые мягкая и жесткая компоненты (составные части).

Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и фотонов. По своей проникающей способности она близка к гамма-излучению.

Жесткая компонента состоит из мю-мезонов и нейтрино. Жесткая компонента космического излучения обладает очень высокой проникающей способностью.

Мю-мезоны могут проникать в толщу литосферы до 3 км, а нейтрино пронизывают Землю насквозь, улетая далее в космос. Космические лучи и ионизирующее излучение, испускаемое природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде, почве и горных породах, образуют фоновое излучение, к которому адаптирована существующая биота. Выдающийся русский радиобиолог А.М. Кузин полагает, что атомная радиация природного радиоактивного фона явилась одним из главных факторов происхождения жизни на Земле и необходима для нормального существования современных живых организмов (Кузин, 2002). Обычно интенсивность гамма-излучения на высоте 1 метр от поверхности Земли колеблется от 10 до 15 мкР/ч, иногда достигая 25 мкР/ч. В разных частях биосферы естественный фон различается в 2-3 раза. Например, в горах на высоте 3 км он в 3 раза выше, чем на уровне моря. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв в год; для людей, живущих выше 2000 м над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. Еще более интенсивному облучению подвергаются экипажи и пассажиры самолетов: при подъеме с высоты 4000 м до 12000 м уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз, продолжает расти при дальнейшем увеличении высоты до 20000 км и выше (высота полета сверхзвуковых реактивных самолетов). Например, при перелете из Нью-Йорка в Париж пассажир получает дозу около 50 мкЗв. От воздействия космической радиации планета защищена озоновым слоем, уровень радиации не превышает допустимой, биота адаптирована к фоновому излучению.

 

2 Природные (естественные) радиоактивные вещества. Встречающиеся в природе радиоактивные элементы принято называть естественными. Большинство из них – тяжелые элементы с порядковыми номерами от 81 до 96. Природные радиоактивные элементы путем альфа- и бета-распада превращаются в другие радиоактивные изотопы. Эта цепь радиоактивных превращений называется радиоактивным рядом или семейством. Тяжелые естественные радиоизотопы образуют четыре радиоактивных семейства: урана-радия; тория; актиния; нептуния. Массовые числа членов урано-радиевого ряда всегда четные и подчиняются закону: А = 4n + 2, где n изменяется от 51 до 59. Для ториевого ряда массовые числа четные и определяются по формуле: А = 4n, где n изменяется от 52 до 58. Для актиниевого ряда массовые числа элементов всегда нечетные и могут быть определены по формуле: А = 4n + 3, где n изменяется от 51 до 58. Массовые числа элементов ряда нептуния нечетные и определяются по формуле: А = 4n + 1, где n изменяется от 52 до 60. Родоначальники каждого семейства характеризуются очень большими периодами полураспада (см. табл. 2.2.2.1), которые сопоставимы с временем жизни Земли и всей Солнечной системы. Таблица 1 – родоначальники естественных радиоактивных семейств  
 

Ряд	Родоначальник семейства	Период полураспада – Tфиз., годы
A = 4n	Торий-232	1,4 * 1010
A = 4n+2	Уран-238	4,51*109
A = 4n+3	Уран-235	7,13*108
A = 4n+1	Нептуний-232	2,2*106

 
Самый большой период полураспада у тория (14 млрд лет), поэтому он со времени аккреации Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреации Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса. Периоды полураспада и типы распада членов естественных радиоактивных рядов приведены в таблице 2. Естественные радиоактивные семейства обладают рядом общих особенностей, которые заключаются в следующем:

1. Родоначальники каждого  семейства характеризуются большими  периодами полураспада, находящимися  в пределах 108-1010 лет.

2. Каждое семейство имеет  в середине цепи превращений  изотоп элемента, относящийся к  группе благородных газов (эманацию).

3. За радиоактивными газами  следуют твердые короткоживущие  элементы.

4. Все изотопы трех  радиоактивных семейств распадаются  двумя путями: альфа- и бета-распадами. Причем короткоживущие ядра семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распад, тем самым образуя разветвления рядов. Если при альфа- и бета-распадах ядра не переходят сразу в нормальное состояние, то эти акты сопровождаются гамма-излучением. Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца с массовыми числами 206, 208 и 207, соответственно, для уранового, ториевого, актиноуранового ряда. Семейства урана-радия и тория являются активными гамма-излучателями по сравнению с семейством актиния, мощность дозы гамма-излучения которого весьма невелика. Таким образом, в радиоактивных семействах имеются альфа-, бета- и гамма-излучатели, причем мощность дозы каждого излучения в разных семействах неодинакова. Общее число излучателей того или иного рода для разных семейств приведено в таблице 2.

 

 

Таблица 2 – количество излучателей естественных рядов 

Название ряда	Альфа-излучения		Бета-излучения		Гамма-излучения
	Общее кол-во	Кол-во важных	Общее кол-во	Кол-во важных	Общее кол-во	Кол-во важных
Урана-радия	13	8	10	4	11	3
Актиния	10	7	7	2	6	-
Тория	8	7	6	4	6	2

 

Ядро урана-235 обладает замечательным свойством. Кроме спонтанного распада он способен делиться при захвате нейтрона с освобождением колоссальной энергии, поэтому является одним из ядерных горючих. Уран, химически выделенный из руд (естественно, что это смесь всех трех природных изотопов урана) и приготовленный в виде окиси (U3O8), является стабильным источником альфа-излучения. Примерно через год после его выделения устанавливается радиоактивное равновесие между ураном-238 и короткоживущими бета-активными продуктами его распада. Тогда этот препарат может служить в качестве стабильного источника бета-излучения. Уран связан с рудами осадочного, гидротермального и магматического происхождения. Он содержится более чем в 100 минералах. Среди них наиболее часты окислы урана, соли фосфорной, ванадиевой, кремниевой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важные промышленные руды урана представлены первичным минералом – уранинитом (урановой смолкой), представляющим собой окисел урана черного цвета. Кроме того есть множество вторичных минералов урана, которые называются урановыми слюдками. Наиболее распространенные из них: торбернит – Си(UО2)2(PO4)2 * nH2О, отенит – Са(UO2)2(РО4)2 * nН2О, карнотит – K2(UО2)2(VО4)2 * 3H2О, тюямунит – Ca(UO2)2(VO4)2 * 8H2О. Из урановых слюдок крупные промышленные скопления образуют только карнотит и тюямунит. Они же являются рудой для получения ванадия и радия.