Взаимодействие фотонного излучения с веществом.

Рек. Практика 1

РАДИАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПЕРСОНАЛА, НАСЕЛЕНИЯ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Радиационный эффект. Экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы облучения. Единицы измерений. Поле излучение. Облучение живых организмов и неживых объектов. Методы и приборы для регистрации излучений. Биологическое действие излучения. Внутреннее и внешнее облучение. Защита от излучения. Три принципа защиты. Контрольные вопросы.

Взаимодействие фотонного излучения с веществом.

Характер взаимодействия ионизирующего излучения с веществом в значительной степени зависит от компонентного и энергетического состава излучения, а также ядерно-физических свойств атомов, с которыми взаимодействует излучение. Понятие «взаимодействие излучения с веществом» относится ко всем процессам, при котором изменяются энергия, направление движения или вид излучения (при поглощении одного вида излучения может возникнуть другой вид вторичного излучения). В результате взаимодействия излучения с веществом среды ей передается часть энергии падающего излучения.

Главными видами взаимодействия ионизирующих излучений с веществом являются:

Ø рассеяние—вид взаимодействия, в результате которого изменяются энергия частицы и направление ее движения;

Ø поглощение—вид взаимодействия, в результате которого свободная частица перестает существовать, что сопровождается образованием или иного ядра, или другой частицы, или нескольких частиц и т.п.

Вероятность взаимодействия одной частицы с одним атомом характеризуется величиной сечения взаимодействия данной реакции, которое называется микроскопическим сечением и измеряется в барнах (1 барн=10^-24 см²). Микроскопическое сечение взаимодействия меняется в зависимости от вида взаимодействующей частицы, ее энергии и вида атома (Н, О, Fe, Si, …), с которым взаимодействует частица.

В области энергий фотонного излучения от 20 кэВ до 10 МэВ, к которой относятся фотоны (гамма-кванты) изотопных и реакторных источников, основными процессами взаимодействия с веществом являются:

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект), при котором атом поглощает фотон и испускает электрон. Находящийся в возбужденном состоянии атом при переходе в основное состояние испускает флуоресцентное излучение или электроны Оже. Эффект наиболее важен в области низких энергий фотонов (см. рис.2.1а).

Комптоновское рассеяние при котором фотон в результате упругого взаимодействия с электроном передает ему часть энергии и изменяет направление своего движения, т.е фотон не исчезает. При этом электрон переводится из связанного состояния в несвязанное. Этот процесс является основным в области энергий фотонов от 200 кэВ до 5 МэВ (см. рис. 2.1б).

Образование электронно-позитронных пар приводящее к поглощению фотона и образованию пары электрон-позитрон в поле ядра или в поле атомного электрона. Эффект образования пар имеет энергетический порог равный примерно 1.022 МэВ и характерен для энергий фотонов выше 5 –10 МэВ (см. рис. 2.1в).

В результате указанных процессов интенсивность первоначального потока фотонов, прошедшего через слой вещества (защитный экран, барьер) толщиной x, ослабляется по закону:

J_x=J₀ e⁽ ^-^μx⁾ , (2.1)

где J₀ – первоначальный (падающий) поток фотонного излучения;

J_x -поток фотонного излучения после защитного экрана;

x – толщина защитного экрана;

µ - полное сечение взаимодействия для фотонов, называемое коэффициентом ослабления.

Коэффициент ослабления m зависит от энергии излучения E иатомного номера среды Z. Различают линейный коэффициент ослабления µ, имеющий размерность см ^-1и характеризующий ослабление фотонного излучения на единице пути в среде и массовый коэффициент ослабления µ_ρ, представляющий собой отношение линейного коэффициента к плотности ρ среды, через которую проходит фотонное излучение µ_m = µ /ρ (где ρ – плотность вещества, г/см³), имеющий размерность см²/г и характеризующий ослабление излучения единицей массы вещества. При использовании массового коэффициента ослабления толщина защитного экрана выражается в г/ см².

В результате каждого из трех описанных процессов взаимодействия излучения с веществом в облучаемой среде возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощаемая при этом облучаемой средой, определяет радиационный эффект. К рассмотрению количественных величин, характеризующих этот эффект, мы теперь и приступим.

Первая характеристика из использовавшихся в практической дозиметрии, можно сказать, «лежит на поверхности» -это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с проникающим рентгеновским излучением, распространяющимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения многие годы применяли результат измерения ионизации воздуха вблизи рентгеновских трубок или аппаратов. Единицей таких измерений условились считать количество пар ионов, которые излучение образует в 1 см³ сухого воздуха, находящегося при атмосферном давлении и при обычной комнатной температуре (+18°С). Позднее было установлено, что такой единице экспозиционной дозы, названной рентгеном, соответствует 2,08-10⁹ пар ионов, т. е. примерно два миллиарда пар ионов в, 1 см³ воздуха. Таким образом,

Экспозиционная доза фотонного излучения - отношение полного заряда в dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе dm воздуха в этом объеме:

Д_эксп = dQ/dm

Единицей экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм (Кл/кг).

Внесистемная единица экспозиционной дозы - Рентген (Р): 1Р = 2,58×10^-4 Кл/кг.

Мощность зкспозиционной дозы определяется как экспозиционная доза в единицу времени.

Единицей мощности эквивалентной дозы является Кл/(кг с) (внесистемная единица Р/с).

Экспозиционная доза долгое время вполне корректно характеризовала радиационный эффект поскольку эффективные атомные номера Z воздуха (7,64) и мягких тканей

человека (7,42) практически совпадают.

Поэтому, измеряя ионизационный эффект в воздухе и характеризуя таким образом поле рентгеновского излучения в интересующей нас зоне пространства, можно вполне корректно оценивать ионизацию мягкой ткани, помещенной в эту зону.

По мере включения в рассмотрение новых, в том числе и искусственных источников ионизирующего излучения было замечено, что, в одном и том же поле излучения радиационный эффект оказывался разным в мягкой и плотной (костной) тканях. Причина достаточно ясна — более высокое значение Zэфф костной ткани (13,8) в сравнении с мягкими тканями и воздухом вызывало образование большего числа фотоэлектронов и большую передачу энергии.

В качестве меры глубинных доз и радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом.

Поэтому было введено понятие поглощенная доза излучения

Поглощенная доза (Д) - отношение средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, и массе dm вещества в этом объеме Д=dw/dm

Единица поглощенной дозы - Грей, (Гр), 1Гр = Дж/кг.

Внесистемная единица - рад. 1 рад = 0,01 Дж/кг= 0,01 Гр

Мощность поглощенной дозы определяется как поглощенная доза в единицу времени.

Единицей мощности поглощенной дозы является Гр/с (внесистемная единица рад/с).

Из приведенных определений однозначно следует, что поглощенная доза — универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля ионизирующего излучения и среды, на которую оно воздействует, т. е. облучения. Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект.

К сожалению, действие ионизирующих излучений на живой организм оказалось сложнее, чем последствие облучения сравнительно простых и даже более сложных, но неживых веществ. Выяснилось это при трагических обстоятельствах: у значительной части физиков в течение ряда лет проводивших опыты на циклотроне было обнаружено профессиональное помутнение хрусталика. Эти лучевые катаракты развились у них в ус ловиях умеренных поглощенных доз, не превышавших допустимых значений.

Для количественной оценки этого влияния потребовалось ввести понятие коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициента качества (К.К) излучения.

ОБЭ, или КК какого-либо излучения, — численный коэффициент, который равен отношению поглощенной дозы эталонного излучения, вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же биологический эффект.

Так, при изучении лучевых катаракт на кроликах показано, что доза, при которой катаракты развиваются при воздействии γ-излучения, — ~200 рад, a при воздействии быстрых нейтронов - 20 рад. Отсюда для быстрых нейтронов КК= 10.

Из приведенного частного примера ясно, что поглощенная доза нейтронов может быть эквивалентна поглощенной дозе γ -излучения только с учетом коэффициента ОБЭ (КК). Так в радиационной дозиметрии явилось новое понятие «эквивалентная доза»

Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент (коэффициент качества, к) для данного вида излучения

Единицей эквивалентной дозы является Зиверт (Зв), равный одному грэю деленному на коэффициент качества (1 Гр/К=! (Дж/кг)/К. Для гамма-излучения коэффициент качества К=1..

Внесистемная единица бэр. 1 Зв =! ГР/К=1 (Дж/кг)/К= 100 рад /К = 100 бэр

Мощность эквивалентной дозы определяется как эквивалентная доза в единицу времени.

Единицей мощности эквивалентной дозы является Зв/с (внесистемная единица бэр/с).

Коэффициент качества ионизирующего излучения (КК) по определению равен единице для γ –излучения, для β-излучения — 1, для протонов и быстрых нейтронов — от 3 до 10, для α-частиц— 20.

В заключение раздела резюмируем смысл каждого понятия и область его применения (рис. 2.4).

Радиационную опасность используемого радиоактивного вещества удобно оценивать по активности, выраженной в кюри или беккерелях.

Зная активность источника, можно рассчитать мощность экспозиционной дозы на разных расстояниях от него и таким образом определить, например, допустимое время пребывания в этом поле.

Экспозиционная доза характеризует поле излучения по его ионизирующей способности, которая обусловлена характером радиоактивного вещества или другого источника ионизирующего излучения.

Для перехода от экспозиционной дозы (характеристики поля) к поглощенной дозе (характеристике взаимодействия поля и облучаемой среды) необходимо знать свойства этой среды. При одной и той же экспозиционной дозе, т. е. одном и том же поле, воде будет передана меньшая энергия, чем веществу середины таблицы Менделеева и тем более тяжелым элементам. Поглощенная доза, т. е. энергия, поглощенная единицей массы вещества, на которое действует поле излучения, характеризует радиационный эффект для всех видов физических и химических тел, кроме живых организмов.

Для оценки действия излучения на живые организмы, в первую очередь человека, предложена и используется эквивалентная доза облучения.

Источник

Поле

Облучение

Активность

Кюри

Основные понятия и определения

Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения.

Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков.

Изотоп - нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу.

Нуклид - вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре.

Радионуклид - нуклид, обладающий радиоактивностью.

Радиоизотоп - изотоп, обладающий радиоактивностью.

Активность радионуклида в источнике - мера радиоактивности. Равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени dt к этому интервалу времени: А = dN/dt. Самопроизвольное ядерное превращение называют радиоактивным распадом. Единица активности радионуклида - Беккерель (Бк).

1 Бк равен 1 ядерному превращению за 1 секунду (расп./с).

Внесистемная единица активности - Кюри, (Ки), 1 Ки =3.7×10¹⁰ ядерных превращений за 1 секунду (3.7×10¹⁰расп./с).

Период полураспада радионуклида (Т_1/2) - характеристика радионуклида - время в течение которого число ядер данного радионуклида в результате самопроизвольных ядерных превращений уменьшается в два раза.

Постоянная радиоактивного распада (l) - отношение доли ядер dN/N радионуклида, распадающихся за интервал времени dt, к этому интервалу времени, l = 0,693/Т_1/2.

Наведенная активность - радиоактивность, возникающая в результате применения постороннего источника излучения (например, нейтронного).

Сечение активации - вероятность протекания реакции, приводящей к образованию радиоактивных ядер.

Единица измерения - см², барн (1 барн = 10^-24 см²).

Единица поглощенной дозы - Грей, (Гр), 1Гр = Дж/кг.

Внесистемная единица - рад. 1 рад = 0,01 Дж/кг= 0,01 Гр

Мощность поглощенной дозы определяется как поглощенная доза в единицу времени.

Единицей мощности поглощенной дозы является Гр/с (внесистемная единица рад/с).

Внесистемная единица бэр. 1 Зв= 1 Гр/К=1 (Дж/кг)/К= 100 рад /К = 100 бэр

Мощность эквивалентной дозы определяется как эквивалентная доза в единицу времени.

Единицей мощности эквивалентной дозы является Зв/с (внесистемная единица бэр/с).

Д_эксп = dQ/dm

Единицей экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм (Кл/кг).

Внесистемная единица экспозиционной дозы - Рентген (Р): 1Р = 2,58×10^-4 Кл/кг.

Мощность зкспозиционной дозы определяется как экспозиционная доза в единицу времени.

Единицей мощности эквивалентной дозы является Кл/(кг с) (внесистемная единица Р/с).

Гамма-постоянная радионуклида, Гси - характеризует мощность поглощенной дозы в воздухе, создаваемой в гамма-излучением точечного изотропного радионуклидного источника активностью 1 Бк на расстоянии 1 м от источника до точки детектирования.

Гамма-постоянная выражается в аГр×м²/(с×Бк), где а- (атто) - множитель равный 10^-18.

Связь между гамма-постоянными в различных системах единиц,

Гси (аГр×м²/(с×Бк)) = 6.544 Г(Р×см²/(ч×мКи))