3.2.5. Виды ионизирующего излучения и основные понятия дозиметрии – Энергетика: история, настоящее и будущее

Просмотров:17825

Радиационное излучение образуется в результате реакций на уровне атомов. Процесс характеризуется выбросом потока микрочастиц, имеющих заряд: протонов, электронов, фотонов и нейтральных микроэлементов – нейтронов. Они определяют тип радиационного излучения.Излучение подразделяется на энергетическое, к нему относятся потоки гамма и рентгеновских частиц, и атомное, в его основе лежит выделение элементов вещества: альфа, бета и гамма-частиц. Классифицируется излучение в зависимости от структуры частиц, расстояния их действия, способности проникать в ткани, клетки и степени воздействия на них, скорости излучения. Практически все типы излучения, за исключением альфа-излучения можно обнаружить с помощью бытового дозиметра радиации.

Альфа-излучение (α)

Альфа-частицы – результат распада нестабильных изотопов атома. Они имеют положительный заряд, состоят из 2-х пар протонов и нейтронов. Частицы образуются в результате распада таких элементов, как радий, уран характеризуются низкой скоростью излучения – 20 000км/с, обладают небольшой проникающей способностью из-за высокой удельной массы. Препятствие небольшой толщины и плотности остановит альфа частицы. Защитой от них может стать даже бумага.

Низкая проникающая способность альфа частиц, их большой энергетический заряд, обуславливает высокий уровень взаимодействия с клетками организма. Это приводит к мутации, патогенным изменениям тканей. Альфа частицы оседают в организме человека, попадая через повреждения кожи, воду, воздух, оказывают на него длительное воздействие. Поэтому они опасны для живых организмов, вывести их из тканей практически невозможно.

Бета-излучение (β)

Появление бета-частиц обусловлено процессами, происходящими в ядре вещества. Их результат – изменение свойств нейтронов и протонов. В итоге образуется поток частиц с положительным зарядом. Этот тип излучения характеризуется:

• небольшой дальностью действия – не более 20м;
• высокой скоростью излучения – 300 000км/с;
• средней проникающей способностью. От бета частиц защитит металлический лист толщиной более 3мм;
• средней степенью воздействия на клетки тканей.

Бета-частицы обладают способностью накапливаться в тканях и оказывать на них длительное ионизирующее воздействие. Его результатом становятся тяжелые онкологические заболевания.

Нейтронное излучение

Поток нейтронов образуется в результате техногенной деятельности – работы ректоров, взрывов ядерных боеприпасов. Не имеющие заряда частицы, имеют наибольшую дальность действия по сравнению с другими типами радиационного излучения. Человек получает опасную для жизни дозу излучения на расстоянии 1,3–1,5км от его источника.

Нейтроны глубоко проникают в ткани, провоцируя мутации, патогенные изменения. Защитой от таких частиц станет вода и другие вещества, где много водорода. Нейтронное излучение является наиболее опасным для человека из-за большого радиуса действия.

Рентгеновское излучение

В результате смены орбит электронов в структуре атома, образуются фотоны или электромагнитное, энергетическое излучение. Оно характеризуется:

• небольшим радиусом действия – до 100м;
• высокой скоростью – 300 000км/с;
• высокой проникающей способностью.

Фотоны оказывают слабое воздействие на клетки, ткани живых организмов, поэтому широко используются в медицине для проведения диагностических исследований.

Гамма излучение (y)

Поток фотонов, образующийся в результате изменения энергетического состояния атомов. Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью, поэтому для защиты от него используется толстый слой металла или бетона. Его дальность действия достигает нескольких сотен метров. Гамма излучение не оказывает серьезного патогенного воздействия на клетки и ткани, менее опасно, чем альфа, бета или нейтронное.

 Дозиметр – функциональные особенности

Прибор позволяет измерить дозу излучения, которую получают организмы за определенный промежуток времени. Не стоит его путать с радиометром, который показывает активность частиц. Он дает представление о радиационном фоне в то время, как дозиметр определяет мощность дозы излучения, что помогает оценить нанесенный человеку ущерб и его возможные последствия.

Альфа-излучение (альфа-лучи) — это один из видов ионизирующих излучений; представляет собой поток быстро движущихся, обладающих значительной энергией, положительно заряженных частиц (альфа-частиц).

Основным источником альфа-излучения служат альфа-излучатели — радиоактивные изотопы, испускающие альфа-частицы в процессе распада. Особенностью альфа-излучений является его малая проникающая способность. Пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким (сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе).

Однако вдоль короткого пути альфа-частицы создают большое число ионов, то есть обусловливают большую линейную плотность ионизации. Это обеспечивает выраженную относительную биологическую эффективность, в 10 раз большую, чем при воздействии рентгеновского и гамма-излучений. При внешнем  облучении тела  альфачастицы могут (при достаточно большой поглощенной дозе излучения) вызывать сильные, хотя и поверхностные (короткий пробег) ожоги; при попадании через рот долгоживущие альфа-излучатели разносятся по телу током крови и депонируются в органах ретикулоэндотелиальной системы и др., вызывая внутреннее облучение организма. Альфа-излучение применяют для лечения некоторых заболеваний. См. также Альфа-терапия, Излучения ионизирующие.

Альфа-излучение — поток положительно заряженных α-частиц (ядер атомов гелия).

Основным источником альфа-излучения являются естественные радиоактивные изотопы, многие из которых испускают при распаде альфа-частицы с энергией от 3,98 до 8,78 Мэв. Благодаря большой энергии, двукратному (по сравнению с электроном) заряду и относительно небольшой (по сравнению с другими видами ионизирующих излучений) скорости движения (от 1,4·10⁹ до 2,0·10⁹ см/сек) альфа-частицы создают очень большое число ионов, густо расположенных по их пути (до 254 тыс. пар ионов). При этом они быстро расходуют свою энергию, превращаясь в обычные атомы гелия. Пробеги альфа-частиц в воздухе при нормальных условиях — от 2,50 до 8,17 см; в биологических средах — сотые доли миллиметра.

Линейная плотность ионизации, создаваемой альфа-частицами, достигает нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях.

Ионизация, производимая альфа-излучением, обусловливает ряд особенностей в тех химических реакциях, которые протекают в веществе, в частности в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.). Эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием альфа-излучения, в свою очередь вызывают особую, большую, чем у других видов ионизирующих излучений, биологическую эффективность альфа-излучения. По сравнению с рентгеновским, бета- и гамма-излучением относительная биологическая эффективность альфа-излучения (ОБЭ) принимается равной 10, хотя в различных случаях она может меняться в широких пределах. Как и другие виды ионизирующих излучений, альфа-излучение применяется для лечения больных с различными заболеваниями. Этот раздел лучевой терапии называется альфа-терапией (см.).

См. также Излучения ионизирующие, Радиоактивность.

Процесс самопроизвольного распада ядер атомов сопровождается выбросом частиц, атомных элементов. Это явление называется ионизирующим излучением или радиацией. Классификация радиоактивных лучей основана на виде излучаемых микрочастиц.

О±-радиация

Альфа-частицы представляют собой лишенные электронов атомы гелия. Они состоят из двух протонов и двух нейтронов. Излучение этой группы возникает при распаде атомов урана, тория, радия и обладает следующими свойствами:

Если О±-частицы проникают в организм с водой или пищей, они разносятся кровотоком и вызывают серьезные нарушения в тканях, клетках, органах. Человеческий организм не может их нейтрализовать или переработать, облучение будет продолжаться в течение многих лет.

Нейтронное излучение

Как следует из названия, данная категория радиации связана с выделением нейтронов. Происхождение лучей техногенное, радиация возникает при авариях, в ядерных реакторах, при атомных взрывах. Излучение обладает высокой проникающей способностью. Эффективную преграду могут составить материалы, содержащие водород, – вода, полиэтилен, графит.

ОІ-лучи

Бета-радиация возникает в процессе распада ядер некоторых элементов, испускающих электроны или позитроны. Излучение характеризуется средней проникающей способностью и высокой скоростью. Вредное воздействие проявляется на расстоянии нескольких десятков метров от источника.

Бета-лучи применяются в медицинских целях:

При попадании на кожные покровы лучи этой группы вызывают сильные ожоги. Проникновение частиц внутрь клеток в опасных дозах вызывает их разрушение, тяжелые заболевания, вплоть до смертельного исхода. Если измерения радиационного фона дают результаты 0,40 мкЗв/час, находиться в такой зоне без опасных последствий можно около 30 минут.

Оі-лучи

Гамма-излучение – это поток фотонов, распространяющийся со скоростью света, имеющий высокую проникающую способность и распространяющий свое действие на сотни метров от источника. Остановить их может препятствие в виде металлической или бетонной стены значительной толщины. Энергия высвобождается при распаде цезия и кобальта. Это единственный вид радиации, способный поразить человека на значительном расстоянии.

Оі-излучение применяют в лучевой терапии, при консервировании пищевых продуктов, в космической отрасли.

Версия для печати

Читайте также

Орган инспекции

• Экспертиза сроков годности
• Экспертиза проектов СЗЗ, ПДВ, ОВОС
• Экспертиза проектов перепланировки

Подробнее Оставьте заявку

Лаборатория “Веста” аккредитована в системе Росаккредитации (ГОСТ ИСО/МЭК 17025)

Подробнее о лаборатории “Веста”

Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.

Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование энергетики в современном мире

3.2.5. Виды ионизирующего излучения и основные понятия дозиметрии

Важным свойством радиоактивности является ионизирующее излучение. Опасность этого явления для живого организма исследователи обнаружили с самого начала открытия радиоактивности. Так, А. Беккерель и М. Кюри-Склодовская, изучавшие свойства радиоактивных элементов, получили сильнейшие ожоги кожи от излучения радия.

Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Различают следующие виды ионизирующих излучений: α-,β-излучение, фотонное и нейтронное излучение. Ультрафиолетовое излучение и видимую часть светового спектра не относят к ионизирующим излучениям. Указанные выше виды излучения имеют различную проникающую способность (рис. 3.6), зависящую от носителя и энергии излучения.

Энергию излучения измеряют в электрон-вольтах (эВ). За 1 эВ принята энергия, которую приобретает электрон при перемещении в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В. На практике чаще применяются десятичные кратные единицы: килоэлектрон-вольт (1 кэВ = 103эВ) и мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10эВ). Связь электрон-вольта с системной единицей энергии Дж задается выражением: 1 эВ = 1,6·10^-19Дж.

Рис. 3.6. Виды радиоактивных излучений и их проникающая способность

Бета-излучение – поток β-частиц (электронов и позитронов), обладающих большей проникающей способностью в сравнении сα-излучением. Испускаемые частицы имеют непрерывный энергетический спектр, распределяясь по энергии от нуля до определенного максимального значения, характерного для данного радионуклида. Максимальная энергияβ-спектра различных радионуклидов лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Пробег β-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так, пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани 2,6 см. Однако они легко задерживаются тонким листом металла. Как и источники α-излучения, β-активные радионуклиды более опасны при попадании внутрь организма.

Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γ-излучение). После радиоактивного распада атомное ядро конечного продукта часто оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядра из этого состояния на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние) происходит с испусканием гамма-квантов. Таким образом, γ-излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет собой довольно жесткое электромагнитное излучение с длиной волны 10^-8–10^-11 нм.

Энергия кванта γ-излучения Е (в эВ) связана с длиной волны соотношением

где λ выражена в нанометрах (1 нм = 10^-9м).

Распространяясь со скоростью света, γ-лучи имеют высокую проникающую способность, значительно большую, чем α и β – частицы. Их может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Чем выше энергияγ-излучения и соответственно меньше длина его волны, тем выше проникающая способность. Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

В отличие от γ-излучения рентгеновское имеет атомное происхождение, Оно образуется в возбужденных атомах при переходе электронов с удаленных орбит на более близкую к ядру орбиту или возникает при торможении заряженных частиц в веществе. Соответственно первое имеет дискретный энергетический спектр и называется характеристическим, второе – непрерывный спектр и называется тормозным. Диапазон энергий рентгеновского излучения – от сотен электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт. Несмотря на различное происхождение этих излучений, природа их одинакова, и поэтому рентгеновское и γ–излучение называют фотонным излучением.

Под действием фотонного излучения происходит облучение всего организма. Оно является основным поражающим фактором при воздействии на организм излучения от внешних источников.

Нейтронное излучение возникает при делении тяжелых ядер и в других ядерных реакциях. Источниками нейтронного излучения на АЭС являются ядерные реакторы, плотность потока нейтронов в которых составляет 10¹⁰–10¹⁴ нейтронов/(см·с); изотопные источники, содержащие естественные или искусственные радионуклиды, смешанные с веществом, испускающим нейтроны под влиянием бомбардировки егоα-частицами или γ-квантами. Такие источники применяют для градуировки контрольно-измерительной аппаратуры. Они дают потоки порядка 10⁷–10⁸ нейтронов/с.

В зависимости от энергии нейтроны подразделяют на следующие типы: медленные, или тепловые (со средней энергией∼0,025 эВ); резонансные (с энергией до 0,5 кэВ); промежуточные (с энергией от 0,5 кэВ до 0,5 МэВ); быстрые (с энергией от 0,5 до 20 МэВ); сверхбыстрые (с энергией свыше 20 МэВ).

При взаимодействии нейтронов с веществом наблюдаются два типа процессов: рассеяние нейтронов и ядерные реакции, в том числе вынужденное деление тяжелых ядер. Именно с последним видом взаимодействий связано возникновение цепной реакции, происходящей при атомном взрыве (неуправляемая цепная реакция) и в ядерных реакторах (управляемая цепная реакция) и сопровождающейся выделением огромных количеств энергии.

Проникающая способность нейтронного излучения сравнима с γ-излучением. Тепловые нейтроны эффективно поглощаются материалами, содержащими бор, графит, свинец, литий, гадолиний и некоторые другие вещества; быстрые нейтроны эффективно замедляются парафином, водой, бетоном и др.

Основные понятия дозиметрии. Имея разную проникающую способность, ионизирующие излучения различных типов оказывают различное воздействие на ткани живого организма. При этом повреждений, вызываемых излучением, будет тем больше, чем большая энергия воздействует на биологический объект. Количество энергии, переданное организму при ионизирующем воздействии, называется дозой.

Физической основой дозы ионизирующего излучения является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.

Дозу облучения можно получить от любого радионуклида или от их смеси независимо от того, находятся они вне организма или внутри него в результате попадания с пищей, водой или воздухом. Дозы рассчитываются по-разному с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.

Количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого организма, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (Гр). Размерность грея – джоуль, деленный на килограмм массы (Дж/кг). Однако величина поглощенной дозы не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе α-излучение и нейтронное излучение гораздо опаснее, чем β-излучение илиγ-излучение. Поэтому для более точной оценки степени поражения организма величину поглощенной дозы надо увеличить на некоторый коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать биологические объекты. Такой коэффициент называется радиационным взвешивающим фактором. Его величина для β и γ-излучений принимается равной 1, для α-излучения – 20, для нейтронного излучения изменяется в диапазоне 5–20 в зависимости от энергии нейтронов.

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, которая в системе СИ измеряется в зивертах (Зв). Размерность зиверта такая же, как у грея – Дж/кг. Доза, полученная за единицу времени, классифицируется в системе СИ как мощность дозы и имеет размерность Гр/с или Зв/с. В системе СИ допустимо применение несистемных единиц измерения времени, таких как час, сутки, год, поэтому при расчете доз применяют такие размерности, как Зв/ч, Зв/сут, Зв/год.

До сих пор в геофизике, геологии и частично в радиоэкологии применяется несистемная единица дозы – рентген. Эта величина была введена в употребление еще на заре атомной эры (в 1928 г.) и использовалась для измерения величины экспозиционной дозы. Рентген равен такой дозеγ-излучения, которая создает в одном кубическом сантиметре сухого воздуха общий заряд ионов, равный одной единице электрического заряда. При измерении в воздухе экспозиционной дозыγ-излучения используются соотношения между рентгеном и греем: 1 Р = 8,77 мДж/кг или 8,77 мГр. Соответственно 1 Гр = 114 Р.

В дозиметрии сохранилась еще одна внесистемная единица – рад, равная поглощенной дозе облучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию, равную 0,01 Дж. Соответственно I рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. В настоящее время эта единица выходит из употребления.

Рис. 3.7. Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела

При расчете доз, получаемых организмом, следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к облучению, чем другие. В частности, при одинаковой эквивалентной дозе поражение легких более вероятно, чем, например, щитовидной железы. Междуна

родной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) были разработаны пересчетные коэффициенты, которые рекомендуется использовать при оценке дозы облучения различных органов и биологических тканей человека (рис. 3.7).

После умножения величины эквивалентной дозы для данного органа на соответствующий коэффициент и суммирования ее по всем органам и тканям получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект от облучения на организм. Эта доза также измеряется в зивертах. Описанное понятие дозы характеризует лишь индивидуально получаемые дозы.

При необходимости изучения эффектов действия радиации на группу людей используется понятие коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая равна сумме индивидуальных эффективных эквивалентных доз и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и будут действовать на население в отдаленном будущем, коллективную эффективную эквивалентную дозу от подобных источников будут получать еще многие поколения людей, живущих на планете. Для оценки указанной дозы введено понятие ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая позволяет прогнозировать поражение группы людей от действия постоянных источников радиации. Для наглядности описанная выше система понятий проиллюстрирована на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Обобщенное представление системы понятий о дозах радиационного облучения населения

Предыдущая:3.2.4. Законы радиоактивного распадаЧитать далее:3.3. Особенности радиационного влияния атомной энергетики на окружающую среду