Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Марта 2015 в 16:23, курсовая работа
Раздел дозиметрии – метрология ионизирующих излучений – призван обеспечить систематизацию измерений в области ионизирующих излучений и радиоактивности. Специфика предмета измерения ионизирующих излучений оказывает влияние на точность дозиметрических методов. Большинство из них имеют погрешность, оцениваемую десятками процентов, что обусловлено не отсутствием необходимости в повышении точности измерений, а ограниченной возможностью измерительных методов. Усилия должны быть направлены на то, чтобы дать комплексную оценку эффективности воздействия ионизирующих излучений на облучаемый объект.
Дозиметрия ионизирующих излучений рассматривает свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения или взаимодействие излучения с веществом, а также принципы и методы их определения.
Дозиметрия имеет дело с такими физическими величинами, которые связаны с ожидаемым радиационным эффектом. Эти величины обычно называют дозиметрическими. Установленная связь между измеряемой физической величиной и ожидаемым радиационным эффектом – важнейшее свойство дозиметрических величин. Вне этой связи дозиметрические измерения теряют смысл.
Первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии ионизирующих излучений облучаемым объектом, и доза как мера поглощенной энергии оказывается основной дозиметрической величиной.
Важнейшая задача дозиметрии – определение дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Для этой цели используют различные расчетные и экспериментальные методы.
Количественное определение дозы излучения, действующей на живой организм, необходимо, прежде всего, для выявления, оценки и предупреждения возможной радиационной опасности для человека. Если врачи-гигиенисты и радиобиологи должны ответить на вопрос, каковы предельно допустимые с точки зрения биологической опасности уровни излучения, то дозиметристы должны обеспечить правильное измерение (определение) этих уровней. Развитие дозиметрии первоначально полностью определялось необходимостью защиты человека от вредного воздействия ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновского излучения (1895 г.) было обнаружено его вредное действие на человека, и возникла необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. Для измерения интенсивности рентгеновского излучения начали использовать фотографический эффект, флюоресценцию, тепловой эффект, а также химические методы. В дальнейшем измерение физических величин, характеризующих рентгеновское излучение и его взаимодействие со сферой, выделилось в самостоятельную область – рентгенометрию, являющуюся теперь составной частью дозиметрии ионизирующих излучений. В рентгенометрии определились основные величины, подлежащие измерению, и сформировались почти все методы современной дозиметрии.
С помощью дозиметрических приборов можно осуществлять два основных типа измерений, имеющих важное практические значение. К первому типу относятся измерения суммарной дозы (или количества) излучения, полученной в течение всего периода воздействия и выраженной в рентгенах. Примерами индивидуальных дозиметров являются ионные камеры, фотографические плоские пленочные дозиметры и телескопические устройства, работающие на принципе свечения фосфата серебра. Ко второму типу относятся измерения интенсивности излучения, выражаемой в рентгенах (или его долях) в час. К числу дозиметров, используемых для определения интенсивности излучения, относятся ионные камеры, счетчики Гейгера – Мюллера или сцинтилляционные счетчики, которые комбинируются с соответствующими электронными и электроизмерительными устройствами. Величина замеренной такими приборами интенсивности излучения может быть переведена в суммарную дозу облучения путем умножения соответствующей средней интенсивности излучения на общее время облучения.
Важный аспект приложения дозиметрии – охрана окружающей природной среды, неотъемлимым компонентом которой являются радиационные поля и рассеянные радионуклиды естественного и искусственного происхождения. Дозиметрический контроль окружающей среды и связанные с ним прогнозы радиационной обстановки требуют создания оптимизированных доз и систем развития новых методов дозиметрии, решения вопросов, связанных с определением необходимого объема и точности дозиметрической информации.
Раздел дозиметрии – метрология ионизирующих излучений – призван обеспечить систематизацию измерений в области ионизирующих излучений и радиоактивности. Специфика предмета измерения ионизирующих излучений оказывает влияние на точность дозиметрических методов. Большинство из них имеют погрешность, оцениваемую десятками процентов, что обусловлено не отсутствием необходимости в повышении точности измерений, а ограниченной возможностью измерительных методов. Усилия должны быть направлены на то, чтобы дать комплексную оценку эффективности воздействия ионизирующих излучений на облучаемый объект.
Во многих случаях нет простой связи между поглощенной энергией излучения и наблюдаемым эффектом. Знание только дозы недостаточно для предсказаний радиационного эффекта, который определяется также пространственным распределением поглощенной энергии по облучаемому объекту, фактором времени, видом и энергией ионизирующих излучений. Эти связи нельзя установить без понимания механизмов радиационных эффектов. Таким образом, дозиметрия смыкается с радиационной физикой.
Поэтому наряду с экспериментальными методами в дозиметрии используют расчетные методы определения дозиметрических величин, основанные на законах взаимодействия ионизирующих излучений с веществом.
1.1 Фотолюминесценция
Фотолюминесце́нция, люминесцен
При высокой плотности оптического возбуждения (например, с помощью лазера) в некоторых материалах могут наблюдаться существенные отклонения от закона Стокса-Ломеля. Это происходит при взаимодействии падающих квантов света с возбужденными атомами вещества, когда энергия кванта добавляется к уже имеющейся энергии возбуждения. Тогда в небольшой области спектра излучения может регистрироваться люминесценция более коротковолновая, чем длина волны падающего излучения — антистоксовая люминесценция. Такие люминофоры получили название антистоксовых. С их помощью можно преобразовывать инфракрасное излучение лазеров в видимый свет.
Отношение числа фотонов люминесцентного излучения к числу фотонов возбуждающего излучения называется квантовым выходом h фотолюминесценции. В результате межмолекулярных взаимодействий, а в сложных молекулах и вследствие внутримолекулярных процессов, может происходить переход электронной энергии возбуждения в энергию движения молекул, т. е. в тепловую энергию. Такие процессы называются тушением фотолюминесценции, они приводят к тому, что квантовый выход фотолюминесценции оказывается меньше единицы. В отсутствие тушения фотолюминесценции, квантовый выход фотолюминесценции равен единице. Согласно закону С. И. Вавилова, квантовый выход фотолюминесценции постоянен в широкой области длин волн возбуждающего излучения и резко уменьшается при длинах волн, превышающих максимум спектра фотолюминесценции. Если при поглощении света происходит не только возбуждение, но и фотоионизация, фотолюминесценция возникает в результате рекомбинации электронов с ионизованными центрами свечения, и выход фотолюминесценции и ее свойства зависят от того, где поглощается возбуждающий свет — в центрах свечения или в кристаллической решетке основного вещества.
Фотолюминесценция широко используется в технике, так как около 10% всей вырабатываемой энергии идет на цели освещения, а применение фотолюминофоров, используемых в люминесцентных лампах, позволяет наиболее экономно расходовать эту энергию. Эффект фотолюминесценции используется также для люминесцентного анализа, люминесцентной дефектоскопии.
1.2 Радиофотолюминисценция
В технике для активации светосоставов
постоянного действия (СПД) широко использовались радионуклиды, излучающие гамма-лучи, альфа-
Первые радиолюминесцентные краски начали
применяться с 1910-х годов. Долгое время
(приблизительно с 1920-х до 1950-х годов) именно
радий-226 (а со второй половины XX века —
и прометий-147) применялись в радиолюминесцентных
красках для покрытия элементов циферблатов
часов, приборов и другого оборудования.
В специальных источниках относительно
большой яркости часто использовался криптон-85. В настоящее время в радиолюминесцентных
источниках света для приборов применяется тритий, радиоактивный изотоп водорода. Он излучает
бета-частицы, которые почти полностью
поглощаются защитным стеклом источника
света.[источник не указан 636
Радиолюминесцентные источники света нашли применение в тех областях техники, где требуется высокая автономность источника света — морские бакены, ампулированные источники для ночного обозначения габаритов несущих винтов вертолетов, источники света для работы во взрывоопасных средах (в шахтах и на рудниках), различного рода аварийные и автономные осветители, указатели, источники света для циферблатов приборов, подсветки оружейных прицелов и так далее.
Существуют международные стандарты ISO 3157 и NIHS 97-10, определяющие минимальное количество люминесцентного вещества, необходимого для того, чтобы различать в темноте нанесенные этим веществом символы, либо выполнять на его основе постоянную подсветку циферблатов часов и других приборов.
Интенсивность свечения, кроме качества состава, также зависит от площади поверхности покрытия и толщины слоя. Со временем радионуклид расходуется, превращаясь в стабильные изотопы. Люминофор также деградирует, источник света теряет яркость. Тем не менее даже потерявшие яркость СПД являются источником повышенной радиобиологической опасности и подлежат специальной утилизации.
1.3 Термолюминисценция
Термолюминесценция — люминесце
Термолюминесценция (ТЛ) — один из методов изучения физических свойств твердых тел. Кроме того, ТЛ используется в качестве метода дозиметрического контроля ионизирующего излучения. Зависимость интенсивности ТЛ от дозы облучения имеет линейный участок роста. Диапазон его зависит от кристаллофосфора. Возможна регистрация доз как по интенсивности пика, так и по площади под пиком (метод светосуммы). Последний более выгоден при низких дозах, так как иногда сложно выделить отчетливый пик из фона.
ТЛ может использоваться для выявления искусственного изменения окраски камней:
После нагревания топазов до 300—400 °C коричневые и желтые топазы приобретают розовый оттенок, а уже имеющаяся желтая окраска усиливается после облучения желтых топазов. Наиболее результативный метод отличия природной окраски от окраски, вызванной облучением, — термолюминесценция.
Кривая термолюминесценции представляет зависимость интенсивности свечения от температуры (времени). Как известно температура пропорциональна глубине ловушки (её энергии активации). Кроме того, основными параметрами ТЛ являются: частотный фактор (количество взаимодействий решетки с фотонами в секунду) ипорядок кинетики термолюминесценции. Порядок кинетики находится в пределах от 1 до 2, и определяет преобладание рекомбинационных процессов либо процессов с повторным захватом электрона на ловушку). На кривую ТЛ влияет скорость нагрева. При увеличении скорости кривая сдвигается вправо, что объясняется инерционностью процессов. Кроме того, в некоторых кристаллах возможно уменьшение площади под кривой (светосуммы) при увеличении скорости нагрева —температурное тушение. Оно связанно с наличием внутри запрещенной зоны кристалла глубоких ловушек, поглощающих часть излучения. Температурное тушение так же имеет свою энергию активации и константу температурного тушения.
Сущность метода заключается в том, что в некоторых веществах (люминофорах) образованные под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном внешнем воздействии (возбуждении).
Чаще всего дополнительным возбуждением может быть либо освещение люминофора светом определенного спектра, либо его нагрев (фотолюминесценция и термолюминесценция). Рассмотрим механизм термолюминесценции:
Рис. 2. Механизм термолюминесценции: 1 — переход электрона из валентной зоны в зону проводимости; 2 — захват дырки центром люминесценции; 3 — захват электрона ловушкой; 4 — освобождение электронов при нагреве кристалла; 5 — рекомбинация электронов с дырками в центрах люминесценции; 6 — возбуждение центра люминесценции; 7 — излучательный переход в основное состояние.
Электрон, поглощая энергию ионизирующего излучения, переходит из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся дырка переходит в запрещенную зону и создает центр люминесценции. Если в запрещенной зоне имеется электронная ловушка, обусловленная дефектом кристалла или введением примесей, то она захватывает электрон и электрон переходит в метастабильное состояние. Внешнее воздействие сообщает электрону дополнительную энергию и он вновь переходит в зону проводимости, после чего рекомбинирует с дыркой (центром люминесценции). Центр люминесценции переходит в возбужденное состояние, которое снимается излучением светового фотона. В дальнейшем световые вспышки переводятся в электрический сигнал.