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 средыZ.Различают линейный коэффициент ослабления µ,имеющий размерность см ^-1и характеризующий ослабление фотонного излучения на единице пути в среде и массовый коэффициент ослабленияµ_ρ,представляющий собой отношение линейного коэффициента к плотности ρсреды,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 условиях 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 ККкакого-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

а

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 (3.7×10¹⁰ расп./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).

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).

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= 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).

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).

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))