Контрольная работа по дисциплине: «Сельскохозяйственная радиобиология»

«СБМ-20» (по размерам — чуть толще  карандаша), СБМ-21 (как сигаретный фильтр, оба со стальным корпусом, пригодный  для жёсткого β- и γ-излучений)

«СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения мягкого β-излучения)

          Широкое применение счётчика Гейгера—Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счётчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.

          Цилиндрический счётчик Гейгера—Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы — аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 1500 В.

          Работа счетчика основана на ударной ионизации. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

         Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

          Эффективность счётчика зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии γ-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счётчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счётчика, и возникновения импульса тока не произойдет. Так как γ-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счётчиков также мала и составляет всего 1-2 %. Другим недостатком счётчика Гейгера—Мюллера является то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.

 

Сцинтилляционный  метод. Сцинтилляционный метод регистрации излучений основан на явлении люминесценции, т. е. свойстве некоторых веществ (фосфоров) преобразовывать поглощенную энергию ионизирующих излучений в видимый свет (свечение фосфоров под действием ионизирующих излучений). Поглощенная энергия ионизирующих излучений расходуется на возбуждение атомов и молекул фосфора, а затем через некоторое время — период высвечивания фосфора — излучается им в виде квантов видимого света. Если период высвечивания фосфора меньше 10^-7 с, то явление называется флуоресценцией.

 

На практике применяют (основанные на этом методе регистрации излучений):

 

—  сцинтилляционные счетчики излучения, состоящие из сцинтилляцион-ного кристалла, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронной схемы;

 

—  флуороскопические экраны-детекторы ионизирующих излучений, пре-

образующие падающее на них излучение  в видимый свет; их применяют для  непосредственного преобразования рентгеновского, тормозного и гамма-излучения  в видимое изображение;

 

— усиливающие люминесцентные экраны, преобразующие фотоны ионизирующего  излучения в кванты видимого света; их применяют в сочетании с  рентгеновской пленкой для усиления фотографического действия рентгеновского, тормозного и гамма-излучения.

 

 

Рис. 4. Блок-схема  сцинтилляционного счетчика.

 

           Полупроводниковый детектор – это прибор для регистрации ионизирующих излучений, основным элементом которого является кристалл полупроводника. Он работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Полупроводниковый детектор представляет собой полупроводниковый диод, на который подано обратное (запирающее) напряжение. Слой полупроводника вблизи границы р—n-перехода с объёмным зарядом «обеднён» носителями тока (электронами проводимости и дырками) и обладает высоким удельным электросопротивлением.      Заряженная частица, проникая в него, создаёт дополнительные (неравновесные) электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля «рассасываются», перемещаясь к электродам полупроводникового детектора. В результате во внешней цепи детекторп возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см. рис. 5).

         Заряд,  собранный на электродах полупроводникового детектора пропорционален энергии, выделенной частицей при прохождении через обеднённый (чувствительный) слой. Поэтому, если частица полностью тормозится в чувствительном слое, детектор может работать как спектрометр. Средняя энергия, необходимая для образования 1 электронно-дырочной пары в полупроводнике, мала (у Si 3,8 эв, у Ge полупроводниковый детектор 2,9 эв). В сочетании с высокой плотностью вещества это позволяет получить спектрометр с высокой разрешающей способностью (полупроводниковый детектор 0,1% для энергии полупроводниковый детектор 1 Мэв). Если частица полностью тормозится в чувствительном слое, то эффективность её регистрации полупроводниковый детектор 100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет собрать заряд за время Полупроводниковый детектор10 нсек, что обеспечивает высокое временное разрешение полупроводникового детектора.

         В первых  полупроводниковый детектор (1956—57) использовались поверхностно-барьерные или сплавные p—n-переходы в Ge. Эти детекторы приходилось охлаждать для снижения уровня шумов (обусловленных обратным током), они имели малую глубину чувствительной области и не получили распространения. Практическое применение получили в 60-е гг. детекторы в виде поверхностно-барьерного перехода в Si. Глубина чувствительной области W в случае поверхностно-барьерного детектора определяется величиной запирающего напряжения V:

 

 

         Здесь ρ  — удельное сопротивление полупроводника  в ом×см. Для поверхностно-барьерных переходов в Si c ρ = 104 ом×см при V = (1— 2)102 в, W = 1 мм. Эти П. д. имеют малые шумы при комнатной температуре и применяются для регистрации короткопробежных частиц и для измерения удельных потерь энергии dEldx.

         Для регистрации  длиннопробежных частиц в 1970—71 были созданы 

П. д. р—i—n-типа . В кристалл Si р-типа вводится примесь Li. Ионы Li движутся в р-области перехода (под действием электрического поля) и, компенсируя акцепторы, создают широкую чувствительную i-область собственной проводимости, глубина которой определяется глубиной диффузии ионов Li и достигает 5 мм. Такие дрейфовые кремний-литиевые детекторы используются для регистрации протонов с энергией до 25 Мэв, дейтронов — до 20 Мэв, электронов — до 2 Мэв и др.

         Дальнейший  шаг в развитии полупроводникового детектора был сделан возвращением к Ge, обладающему большим порядковым номером Z и, следовательно, большей эффективностью для регистрации гамма-излучения. Дрейфовые германий-литиевые плоские (планарные) П. д. применяются для регистрации γ-квантов с энергией в несколько сотен кэв. Для регистрации γ-квантов с энергией до 10 Мэв используются коаксиальные германий-литиевые детекторы с чувствительным объёмом достигающим 100 см³. Эффективность регистрации γ-квантов с энергией < 1 Мэв Полупроводниковый детектор десятков % и падает при энергиях >10 Мэв до 0,1—0,01%. Для частиц высоких энергий, пробег которых не укладывается в чувствительной области, полупроводниковые детекторы позволяют, помимо акта регистрации частицы, определить удельные потери энергии dEldx, а в некоторых приборах координату х частицы (позиционно-чувствительные П. д.).

         Недостатки  полупроводникового детектора: малая эффективность при регистрации γ-квантов больших энергии; ухудшение разрешающей способности при загрузках > 10⁴ частиц в сек; конечное время жизни П. д. при высоких Дозах облучения из-за накопления радиационных дефектов. Малость размеров доступных монокристаллов (диаметр полупроводникового детектора  ̴ 3 см, объём п.д. ̴ 100 см³) ограничивает применение П. д. в ряде областей.

         Дальнейшее  развитие П. д. связано с  получением «сверхчистых» полупроводниковых  монокристаллов больших размеров  и с возможностью использования GaAs, SiC, CdTe. П. д. широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц, а также в химии, геологии, медицине и в промышленности.

 

Рис. 6. Полупроводниковые детекторы; штриховкой выделена чувствительная область; n — область полупроводника с электронной проводимостью, р — с дырочной, i — с собственной проводимостями; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в — германий-литиевый коаксиальный детектор.

 

Фотографический метод регистрации излучений основан на фотохимическом действии ионизирующих излучений. В радиационной дефектоскопии детектором излучения является рентгенографическая пленка. Ионизирующее излучение образует в чувствительном слое пленки фотоэлектроны и электроны отдачи. При взаимодействии фотоэлектронов с зернами бромистого серебра, содержащимися в чувствительном слое, образуются атомы серебра, которые способствуют проявлению всего зерна. В процессе проявления происходит усиление скрытого изображения примерно в 109 раз. Пленка, проявленная после облучения, выглядит потемневшей. Оптическая плотность почернения (степень потемнения) пленки зависит от интенсивности излучения (мощности дозы излучения) и времени воздействия излучения на пленку, т. е. в целом от дозы излучения.

 

Химический метод. Его сущность состоит в том, что молекулы некоторых веществ в результате воздействия ионизирующих излучений распадаются, образуя новые химические соединения. Количество вновь образованных химических веществ можно определить различными способами. Наиболее удобным для этого является способ, основанный на изменении плотности окраски реактива, с которым вновь образованное химическое соединение вступает в реакцию. На этом методе основан принцип работы химического дозиметра гамма- и нейтронного излучения ДП-70 МП.

 

Калориметрический метод основан на измерении с помощью специальных калориметров тепловой энергии, выделяющейся при поглощении энергии излучения  в веществе.

 

 

 

23. Природные радиоактивные вещества, содержание естественных радиоактивных  изотопов в теле человека.

 

В результате воздействия ионизирующего  излучения на организм человека в  тканях могут происходить сложные  физические, химические и биологические процессы.

Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим  объектом является ионизация. Именно через  ионизацию происходит передача энергии  объекту.

Известно, что в биологической  ткани 60-70 % по массе составляет вода. В результате ионизации молекулы воды образуют свободные радикалы Н- и ОН-

В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (H2O-) и перекись водорода (H2O), являющиеся сильными окислителями..

Получающиеся в процессе радиолиза  воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с  молекулами белков, ферментов и других структурных элементов биологической  ткани, что приводит к изменению  биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму - токсины. Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций  или систем организма в целом. В зависимости от величины поглощенной  дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения  могут быть обратимыми или необратимыми.

Некоторые радиоактивные вещества накапливаются в отдельных внутренних органах. Например, источники альфа - излучения (радий, уран, плутоний), бета - излучения (стронций и иттрий) и гамма-излучения (цирконий) отлагаются в костных тканях. Все эти вещества трудно выводятся из организма.

Особенности воздействия ионизирующего  излучения при действии на живой организм

При изучении действия излучения на организм были определены следующие  особенности:

 

- высокая эффективность поглощенной  энергии. Малые количества поглощенной  энергии излучения могут вызвать  глубокие биологические изменения  в организме;

наличие скрытого, или инкубационного, проявления действия ионизирующего  излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность  его сокращается при облучении  большими дозами;

- действие от малых доз может  суммироваться или накапливаться.  Этот эффект называется кумуляцией;

- излучение воздействует не  только на данный живой организм, но и на его потомство. Это  так называемый генетический  эффект;

- различные органы живого организма  имеют свою чувствительность  к облучению. При ежедневном  воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови;

- не каждый организм в целом  одинаково реагирует на облучение.

- облучение зависит от частоты.  Одноразовое облучение в большой  дозе вызывает более глубокие  последствия, чем фракционирование.

 

В результате воздействия ионизирующего  излучения на организм человека в  тканях могут происходить сложные  физические, химические и биологические процессы.