РАСПАДА И законы дозиметрии

 

Основной закон радиоактивного распада имеет следующий вид

N(t) = N₀ e^-λt (5а)

где N₀ – число радиоактивных ядер (атомов) в начальный момент времени t=0, N(t) – число радиоактивных ядер (атомов) в момент времени t после начала отсчета.

Радиоактивный распад – это явление, определяемое статистико-вероятными законами. В уравнении (5а) эта зависимость отражается параметром λ, выражающим относительную убыль числа ядер за единицу времени (то есть скорость распада).

 

λ=(dN/N)/dt 1/ λ=τ (5б)

 

Следовательно τ – это среднее время «жизни», по истечение которого происходит уменьшение числа радиоактивных атомов в е раз.

Для оценки устойчивости радионуклидов обычно используют время периода полураспада нуклида Т_1/2, т.е. время, в течении которого распадается половина первоначального количества ядер. Тогда, согласно (5а),

следовательно

 

Т_1/2=(ln2)/ λ= 0,63 τ = 0,63/λ (6)

 

Для каждого радионуклида параметр λ, Т_1/2 индивидуальны и лежат в пределах Т_1/2~(10^-7 сек… 10¹⁵ лет).

Для оценки меры воздействия радиационного излучения на физико-химические свойства материальных объектов воспользуемся законами дозиметрии.

1) Активность радионуклида А - это величина равная отношению числа ΔN самопроизвольных ядерных превращений за интервал времени Δt.

 

A= ΔN/ Δt, распад/cек (7)

 

т.е. число актов распада данного нуклида, происходящих в единицу времени в радиоактивном излучателе.

1 распад /1 сек = 1 Бк (беккерель)

Внесистемная единица - кюри 1 Кн =3,7·10¹⁰ Бк.

2) Экспозиционная доза D_э – определяет величину энергии γ – излучения или рентгеновского, которая при облучении 1 кг воздуха (при нормальных условиях) вызывает ионизацию его молекул с появлением зарядов каждого знака в 1 Кл (Кулон).

, Кл/кг. (8)

Внесистемная единица рентген 1 Р = 8,7·10^-3 Дж/кг.

На практике имеем дело с мкР (10^-6 Р) и мР (10^-3 Р), так как рентген это очень большая величина.

3) Поглощенная доза D_μ – основная дозиметрическая величина равная отношению средней энергии переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме к массе вещества Δm в этом объеме

(9)

1 Дж /1 кг = 1 Гр (Грей, Gr)

 

Внесистемные единица рад. 1 Гр =100 рад ≈ 100 Р.

1 рад = 10^-2 дж/кг

4) Эквивалентная доза H – основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности человека.

 

H = k·D_μ (10)

 

Системной единицей измерения поглощенной дозы является зиверт. Обозначение этой единицы - Зв, Sv.

 

Внесистемная единица – бэр. 1 Зв ≈ 100 бэр ≈ 100 Р.

Безразмерный коэффициент k изменяется от 1 до 20 в зависимости от мощности, вида излучения и типа биологического объекта. Для человека при облучении γ, β частицами k ~ 1 (за исключением отдельных органов). Доза радиации свыше 2 грей для человека приводит к необратимым изменениям в организме. Следовательно, опасная для человека величина эквивалентной дозы радиации составляет:

 

D_μ ≈ 2 Гр ≈ 2 Зв/сек ≈ 0.6 мЗв/час

 

 

5) Мощность соответствующей дозы определяется, как отношение данной дозы к интервалу времени Δt, в течение которого происходит излучение.

 

Р_Н =H / Δt, Зв/сек

Р_μ = D_μ / Δt, Гр/сек;(11)

 

Внесистемные единицы измерения мощности дозы:

Р_э= D_э / Δt, Р/час или Р/сек.

 

Радиационный фон среды.

 

При замерах радиационных излучений, необходимо учитывать, что в окружающей среде всегда присутствует естественный фон радиации. Главный вклад здесь вносят (исключая радиацию техногенной природы):

1. Радиоизлучение горных пород (в том числе газа радона)

2. Строительные материалы

3. Космические лучи

Все это вместе для Москвы дает эквивалентную дозу облучения Р_о = (0,1-0,25) мкЗв/час ≈ (10-25) мкР/час.

Естественный фон здесь практически обусловлен γ–излучением. Бета излучение обычно обнаруживается вблизи объекта, где имеет место β–распад. В атмосфере на расстоянии 10 см от источника β–излучения фактически не фиксируется.

Если при замере фона рабочего места величина P_H окажется значительно выше величин естественного фона Р_о, то, очевидно имеет место какой-то внешний источник радиации.

При замере радиационного фона следует также учитывать:

а) показания дозиметра дают значения радиационного фона в точке;

б) величина радиации в каждой точке замера подчиняется законам флуктуации. Поэтому, чтобы получить наиболее вероятное значение измеряемой величины, необходимо производить серию замеров;

в) при дозиметрии β – излучений замеры необходимо проводить вблизи поверхности исследуемых тел.

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ СЧЕТЧИКА

ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

 

Газоразрядный самогасящийся счетчик Гейгера-Мюллера (Г-М) представляет собой металлический или стеклянный цилиндр (баллон) - заполненный инертным газом с примесями, обычно, галогенов под давлением несколько ниже атмосферного. Металлический цилиндр служит катодом (К). Анодом (А) служит тонкий проводник, проходящий по центру цилиндра (рис.1). Анод и катод подключаются к электронной схеме радиометрического прибора, способного фиксировать число полученных им на вход импульсов. Между анодом и катодом прикладывается напряжение-U, которое может меняться от 200 В до 1000 В.

Счетчик Г-М может регистрировать бета-, гамма- излучение и нейтроны. Бета излучение легко поглощается корпусом счетчика, поэтому в корпусе счетчика делаются специальные прорези, закрытые тонкой пленкой.

Поясним особенности образования электронно-ионных пар в счетчике Г-М. Нейтроны и γ-фотоны,как

 

 

Рис. 1 Схема устройства счетчика Гейгера-Мюллера

 

 

незаряженные частицы непосредственно с молекулами газа не взаимодействуют. В этом случае начальная эмиссия электронно–ионных пар возникает в результате взаимодействия нейтронов и γ -фотонов с катодом счетчика (процесс «выбивания» электронов из атомов катода).

Бета-излучение может порождать эектронно-ионные пары как в результате непосредственного взаимодействия с молекулами газа, так и за счет взаимодействия с катодом. Если между катодом и анодом приложено напряжение, то начинается движение электронов и ионов к соответствующим электродам: электронов к аноду (центральному электроду, подключенному к «+» источника) и положительных ионов к катоду (цилиндру, подключенному к «-«источника). Вблизи анода линия напряженности электрического поля резко сгущаются (диаметр нити мал), напряженность поля резко возрастает. Электроны, подходя к нити-аноду, получают такое ускорение, что начинается ударная ионизация нейтральных молекул газа, возникает самостоятельный разряд. Вдоль нити начинает распространяться коронный разряд. За счет энергии самостоятельного разряда первоначальная энергия частицы оказывается усиленной. Это усиление может достигать до 10⁸ раз.

Если в цепи анода поставить сопротивление R ~ 10⁹ Ом (рис.1), то когда по нити распространяется коронный разряд, через это сопротивление будет стекать часть зарядов. В цепи детектора возникнет импульс тока, пропорциональный исходной энергии частицы излучения. Далее этот импульс усиливается и регистрируется приборами (рис.1, Р).

Наличие большого сопротивления в цепи детектора приводит также к тому, что на нити анода будет скапливаться отрицательный заряд, понизится напряжение между анодом и катодом. В итоге это приведет к гашению самостоятельного разряда (коронного).

Как только через сопротивление R заряд с нити полностью стечет, счетчик вновь возвратится в рабочее положение и будет способен регистрировать следующие частицы излучения. Время восстановления счетчика – т. называемый “мертвый” интервал t ~ 10^-2 c. Если в газ добавить галогены, то “мертвое” время резко уменьшается до t ~10^-6c. Т.о., если частицы попадают в счетчик с интервалом времени менее ∆ t ≈ 10^-6 c, то счетчик будет различать появление каждой отдельной частицы.

Важную роль в гашении возникшего газового разряда играют галогены, находящиеся в газе счетчика. Самостоятельный разряд при наличии примеси атомов галогенов прерывается быстрее. Потенциал ионизации атомов галогенов ниже, чем у атомов инертных газов. Атомы галогенов активнее «поглощают» часть фотонов, вызывающих самостоятельный разряд. Они переводят эту энергию в энергию потерь, гася тем самым самостоятельный разряд.

После того как ударная ионизация (и коронный разряд) прервется, начинается процесс восстановление газа в исходное (рабочее) состояние. В течение этого времени счетчик не работает, т.е. не регистрирует пролетающие частицы. Этот промежуток времени называется «мертвым временем» (временем восстановления). Для счетчика Г-М мертвое время Δt~10^-4 секунды.

Счетчик Г-М реагирует на попадание каждой заряженной частицы, не различая их по энергиям, но, если мощность падаю

щего излучения неизменна, то скорость счета импульсов оказывается пропорциональна мощности излучения, и счетчик можно проградуировать в единицах доз излучения.

Качество газоразрядного самогасящегося детектора определяется зависимостью средней частоты импульсов N от напряжения U на его электродах при неизменной интенсивности излучения, называемой счетной характеристикой (рис.2).

Как следует из рисунка 2, при U < U₁ приложенного напряжения недостаточно для возникновения газового разряда при попадании в детектор заряженной частицы или гамма-кванта. Начиная с напряжения U_В > U₂ в счетчике возникает ударная ионизация, вдоль катода распространяется коронный разряд, счетчик фиксирует пролет почти каждой частицы. С ростом U_В до U₃ (см. рис. 2) число фиксируемых импульсов несколько увеличивается, что связано с некоторым увеличением степени ионизации газа счетчика. У хорошего счетчика Г-М участок графика от U₂ до U₃ почти не зависит от U_В, т.е. идет параллельно оси U_В, и средняя частота импульсов так же почти не зависит U_В. Этот участок счетной характеристики называют «плато», он соответствует области Гейгера, где каждая попавшая в детектор заряженная частица или гамма-квант вызывает разряд. При U>U_С начинается электрический пробой детектора (искровой разряд), и детектор может выйти из строя.

 

Рис.2. Счетная характеристика газоразрядного самогасящегося детектора

Полупроводниковый детектор состоит из кристалла Si или Ge, в котором созданы n-слои (электронная проводимость) и p-слои (дырочная). Полупроводник включен в цепь батареи с нагрузочным сопротивлением Rн._. Как только через p-n слой пройдет ионизирующая частица, в переходном слое изменится перераспределение зарядов и сопротивление переходного слоя резко упадет. На сопротивление R_Н возникнет импульс тока, что может быть зарегистрировано прибором.

Сцинтилляционный счетчик (детектор) – состоит из сцинтиллятора и фотоумножителя. Сцинтиллятор – это твердое или жидкое вещество, способное при попадании заряженной частицы давать вспышку света, которая далее усиливаетсяфотоумножителем и регистрируется прибором. Вспышка света в сцинтилляторе возникает в результате того, что заряженная частица возбуждает атом вещества и атом, переходя в основное состояние, испускает квант света.