I. физические основы действия ионизирующих излучений.

I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

Ядерные реакции.

Наряду с самопроизвольными (радиоактивными) превращениями ядер возможны превращения ядер, вызванные внешним воздействием, а именно попаданием в ядро частицы (электрона, протона, нейтрона, гамма-кванта и т. п.). В результате такого воздействия исходное ядро превращается в другое ядро, образуя новый нуклид (или распадается на два ядра - делится). Образовавшийся нуклид может быть стабильным, а может быть радиоактивным. Процесс преобразования одного ядра в другое (другие) под воздействием частицы извне называют ядерной реакцией. Радионуклиды, образованные в результате ядерной реакции называют наведенной активностью. При этом необходимо рассматривать два случая - (I) ядерные реакции под действием заряженных частиц или фотонов (таких частиц в природе много, но в этом случае ядерные реакции крайне затруднены) и (II) под действием нейтронов (в этом случае реакции осуществляются сравнительно легко, но свободные нейтроны очень редки).

I. Для того чтобы вероятность ядерной реакции, вызванной заряженными частицами (электронами, протонами) или фотонами стала существенной, необходимы чрезвычайно высокие энергии этих частиц. Такую энергию имеют:

- высокоэнергетические частицы, которые в сравнительно небольших количествах присутствуют в космическом излучении - ядерные реакции, вызванные такими частицами, приводят к образованию естественных (природных) радионуклидов в окружающей среде;

- частицы, полученные в ускорителях (специфических аппаратных источниках излучения) - такие частицы «накачиваются» энергией для осуществления целенаправленной ядерной реакции (например, для получения радионуклидов, использующихся в медицине).

Альфа-, бета- и гамма-излучения, образующиеся в результате радиоактивного распада, обладают энергией, недостаточной для осуществления ядерной реакции. С этим фактом связано одно из распространенных заблуждений - как будто облученное вещество само становится радиоактивным. На самом деле для возникновения сколь-либо заметной наведенной активности нужны крайне специфические условия.

II. В случае облучения вещества нейтронами ядерные реакции возможны и при низких энергиях. Однако «столкнуться» с нейтронным излучением в обычной жизни практически невозможно: природное нейтронное излучение очень слабое, а в промышленности его получают в специально созданных источниках (обычно относительно слабых) и в ядерных реакторах. В последних случаях радиационная безопасность гарантируется выполнением норм (конструкционных, эксплуатационных), и радиационные риски от нейтронного излучения актуальны только для профессионалов. Единственная опасность возникновения неуправляемого техногенного потока нейтронов, воздействующего на биосферу - это взрыв ядерной или термоядерной бомбы.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

Начальный этап воздействия ионизирующего излучения на вещество — физический. Как и в случае явления радиоактивности, наиболее важным фундаментальным свойством взаимодействия ионизирующих излучений с веществом является его стохастический (случайный) характер. Иными словами, произойдет в данной точке взаимодействие излучения с веществом или нет, мы можем сказать только с некоторой вероятностью. Более того, если взаимодействие в данном месте произошло, то переданная там энергия также является случайной величиной, характеризующейся своими законами распределения и средними значениями.

Поглощенная доза

Универсальной величиной, характеризующей действие излучения на вещество, является поглощенная доза D - это энергия излучения, переданная единице массы вещества:

В системе СИ единицей поглощенной дозы является Дж/кг (джоуль на килограмм), и она имеет собственное название грей (Гр). То есть 1 Гр равен одному джоулю энергии излучения, поглощенной одним килограммом вещества. Поглощенная доза является основной величиной в дозиметрии.

В 1956 году была введена устаревшая сейчас единица рад (radiation absorbed dose).

1 рад = 0,01 Гр.

Между единицами экспозиционной и поглощенной дозы можно установить связь. Средняя энергия, необходимая для образования пары ионов в воздухе под действием гамма-излучения, равна 33,7 эВ. Учитывая, что 1 эВ = 1,602 · 10^-19 Дж, получим, что 1 Р соответствует поглощенной дозе излучения в воздухе, равной 0,0088 Гр (8,8 мГр). Эта величина называется энергетическим эквивалентом рентгена. Одно и то же излучение, создающее некоторую экспозиционную дозу в воздухе, будет создавать разные поглощенные дозы в разных телах. Так, если 1 Р соответствует 8,8 мГр в воздухе, то в биологической ткани поглощенная доза составит около 9,3 мГр. Это связано с тем, что 1 кг биологической ткани поглощает чуть больше энергии излучения, чем 1 кг воздуха при тех же условиях. С другой стороны, для большинства практических задач обеспечения радиационной безопасности это отличие можно считать незначительным, и часто используют еще более грубое приближение: 1 Р ~ 0,01 Гр.

Доза показывает суммарный эффект действия излучения на вещество, но не интенсивность этого воздействия. Интенсивность излучения (а значит, и интенсивность его воздействия) характеризует мощность дозы.

Размерность мощности дозы соответствует размерности дозы, отнесенной к единице времени. Например, для экспозиционной дозы - А/кг (ампер на килограмм), мкР/ч (микрорентген в час), мР/ч (миллирентген в час), Р/с (рентген в секунду) и т. п. Для поглощенной дозы - Гр/ч (грей в час), мкГр/с (микрогрей в секунду) и т.п. Важно отметить, что именно мощность экспозиционной дозы являлась на протяжении долгого времени основной характеристикой радиационной обстановки на местности, в городе, помещении и т. д. Именно эту величину приводят средства массовой информации, показывают большинство дозиметров и информационных табло. Природный (естественный) радиационный фон составляет обычно 6—25 мкР/ч (в зависимости от местности может существенно меняться), в среднем 10 мкР/ч.

Полупроводниковые детекторы

Они сходны с ионизационными, но роль ионизационной камеры в этом случае выполняют твердые полупроводники (чаще всего германий). Поскольку плотность полупроводниковых материалов намного выше плотности газов, то энергия поглощаемых частиц в них используется полнее, чем в ионизационных камерах. Поэтому полупроводниковые детекторы обладают очень высокой разрешающей способностью.

Основными характеристиками счетчиков, работающих как на основе ионизационного метода регистрации, так и на основе сцинтилляционного, являются:

Эффективность счетчика (эффективность регистрации частиц) выражается отношением числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, попавших в чувствительный объем детектора. Другими словами, это вероятность регистрации частицы. Так эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера по отношению к бета-частицам близка к 100%. Эффективность сцинтилляционных детекторов зависит не только от эффективности собственно сцинтиллятора, но и от работы ФЭУ. Свойства систем «сцинтиллятор+ФЭУ» могут существенно отличаться в связи с чрезвычайным разнообразием веществ, используемых в качестве сцинтилляторов, конструкций и режимов работы ФЭУ. В целом эффективность сцинтилляционных детекторов выше, чем газоразрядных счетчиков, особенно по отношению к электромагнитному излучению высокой энергии.

Разрешающим временем счетчика («мертвым временем» счетчика) называют минимальный промежуток времени между двумя последовательными импульсами, которые регистрируются раздельно. Для счетчиков Гейгера-Мюллера оно составляет примерно 10^-2 – 10^-4 с. Для сцинтилляционных счетчиков оно может значительно отличаться в зависимости от сцинтиллятора и ФЭУ, но в большинстве случаев значительно меньше – 10^-6-10^-8 с. Если две частицы попадают в детектор с промежутком меньшим, чем разрешающее время, то они регистрируются как одна.

Счетной характеристикой счетчика называют зависимость числа зарегистрированных импульсов в единицу времени от напряжения, приложенного к газоразрядному счетчику или ФЭУ (при неизменной интенсивности облучения детектора). Обычно, исследовав счетную характеристику данного прибора, выбирают рабочее напряжение в той области, где такая зависимость становится наименьшей (так называемое плато счетной характеристики). По форме счетной характеристики судят о качестве детектора.

I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.