Ионизирующие излучения и их практическое использование

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Радиоактивность – отнюдь не новое явление; новизна состоит  лишь в том, как люди пытались ее использовать. И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли.

Ионизирующее излучение  сопровождало и Большой взрыв, с  которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов лет назад. С того времени радиация наполняет космическое пространство. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствует в следовых количествах радиоактивные вещества. Но с момента открытия этого универсального фундаментального открытия прошло лишь немногим более ста лет.

В 1896 году французский  ученый Анри Беккерель положил несколько  фотографических пластинок в  ящик стола, придавив их кусками какого-то материала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик, полька по происхождению, которая и ввела в обиход слова “радиоактивность”.

В 1898 году она и ее муж  Пьер Кюри обнаружили, что уран после  излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов  супруги назвали полонием в память о родине Марии Кюри, а еще один – радием, поскольку по-латыни это слово обозначает “испускающий лучи”. И открытие

Беккереля, и исследования супругов Кюри были подготовлены более  ранним, очень важным событием в  научном мире – открытием в 1895 году рентгеновских лучей; эти лучи были названы так по имени открывшего их (тоже, в общем, случайно) немецкого физика Вильгельма Рентгена.

Беккерель один из первых столкнулся с самым неприятным свойством  радиоактивного излучения: речь идет о  его воздействии на ткани живого организма. Ученый положил пробирку с радием в карман и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, от одного из злокачественных заболеваний крови, поскольку слишком часто подвергалась воздействию радиоактивного излучения. По крайней мере 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения.

Несмотря на это, небольшая  группа талантливых и большей  частью молодых ученых направила  свои усилия на разгадку одной из самых  волнующих загадок всех времен, стремясь проникнуть в самые сокровенные тайны материи.

 

1 Общие сведения

 

Ионизирующее излучение (ionizing radiation) – это поток элементарных частиц или квантов электромагнитного  излучения, который создается при  радиоактивном распаде, ядерных  превращениях, торможении заряженных частиц в веществе, и прохождение которого через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды.

Ионизацию среды могут  производить только заряженные частицы  – электроны, протоны и другие элементарные частицы и ядра химических элементов. Процесс ионизации заключается в том, что заряженная частица, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов, при своем движении в среде взаимодействует с электрическим полем атомов и теряет часть своей энергии на выбивание электронов с электронных оболочек атомов. Нейтральные частицы и электромагнитное излучение не производят ионизацию, но ионизируют среду косвенно, через различные процессы передачи своей энергии среде с порождением вторичного излучения в виде заряженных частиц (электронов, протонов), которые и производят ионизацию среды.

Ионизирующие излучения  разделяют на фотонные и корпускулярные.

Фотонное ионизирующее излучение – это все виды электромагнитного  излучения, возникающее при изменении  энергетического состояния атомных ядер, электронов атомов или аннигиляции частиц – ультрафиолетовое и характеристическое рентгеновское излучение, излучения, возникающие при радиоактивном распаде и других ядерных реакциях и при торможении заряженных частиц в электрическом или магнитном поле.

Корпускулярное ионизирующее излучение – потоки альфa- и бета-частиц, протонов, ускоренных ионов и электронов, нейтронов и др. Корпускулярное излучение  потока заряженных частиц относится  к классу непосредственно ионизирующего  излучения. Корпускулярное излучение потока незаряженных частиц называют косвенно ионизирующим излучением.

Источник ионизирующего  излучения (ionizing radiation source) – объект, содержащий радиоактивный материал (радионуклид), или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение. Предназначен для получения (генерации, индуцирования) потока ионизирующих частиц с определенными свойствами.

Источники излучений  применяются в таких приборах, как медицинские гамма-терапевтические аппараты, гамма-дефектоскопы, плотномеры, толщиномеры, нейтрализаторы статического электричества, радиоизотопные релейные приборы, измерители зольности угля, сигнализаторы обледенения, дозиметрическая аппаратура со встроенными источниками и т.п.

По физической основе генерации излучения разделяют радионуклидные источники на основе естественных и искусственных радиоактивных изотопов, и физико-технические источники (нейтронные и рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц и пр.).

Для радионуклидных источников различают открытые и закрытые источники излучения.

Открытый источник ионизирующего  излучения (unsealed source) – при использовании которого возможно поступление содержащихся в нём радиоактивных веществ в окружающую среду.

Закрытый источник ионизирующего излучения (sealed source) – в котором радиоактивный материал заключён в оболочку (ампула или защитное покрытие), предотвращающую контакт персонала с радиоактивным материалом и его поступление в окружающую среду свыше допустимых уровней в условиях применения и износа, на которые он рассчитан.

По видам излучения выделяют источники гамма-излучения, источники заряженных частиц и источники нейтронов. Для радионуклидных источников такое разделение не является абсолютным, т.к. при ядерных реакциях, индуцирующих излучение, основной вид излучения источника может сопровождаться существенным вкладом сопутствующих видов излучения.

По назначению выделяют калибровочные (образцовые), контрольные (рабочие) и промышленные (технологические) источники.

Промышленные источники  излучения применяют в различных производственных процессах и установках производственного назначения (ядерные методы каротажа, бесконтактные методы контроля технологических процессов, методы анализа вещества, дефектоскопия и т.п.).

Контрольные источники используются для проверки и настройки ядерно-физических приборов и установок (спектрометров, радиометров, дозиметров и пр.) путем контроля за стабильностью и повторяемостью показаний приборов в определенной геометрии положения источника относительно детектора излучения.

Калибровочные источники используются при калибровке и метрологической поверке ядерно-физической аппаратуры.

 

1.1 Технические характеристики источников излучения

 

1) Вид излучения (для радионуклидных – основной по назначению).

2) Геометрия источника (форма и размеры). Геометрически источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники могут быть линейными, поверхностными или объемными.

3) Активность (количество распадов в единицу времени) и ее распределение по источнику для радионуклидных источников. Мощность или плотность потока излучения для физико-технических источников.

4) Энергетический состав. Энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим (испускаются частицы одной фиксированной энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические частицы нескольких энергий) или непрерывным (испускаются частицы разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).

5) Угловое распределение излучения. Среди многообразия угловых распределений излучений источников для решения большинства практических задач обычно задаются изотропное, косинусоидальное или мононаправленное.

ГОСТ Р 51873-2002 – Источники ионизирующего излучения радионуклидные закрытые. Общие технические требования. Введен в действие в 2003 году. Стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений. Не распространяется на образцовые и контрольные источники, а также на источники, активность радионуклидов в которых не превышает минимально значимой, установленной «Нормами радиационной безопасности».

Согласно стандарту источники  должны быть герметичными, с установленными классами прочности, допустимых климатических  и механических воздействий по ГОСТ 25926 (но не ниже диапазона от -50 до +50^оС и влажности не менее 98% при +40^оС). Срок службы источника должен быть не менее:

— двух периодов полураспада – для источников с периодом полураспада менее 0,5 года;

— одного периода полураспада (но не менее 1 года) – с периодом полураспада от 0,5 до 5 лет;

— 5 лет – для источников гамма- и нейтронного излучений с периодом полураспада 5 и более лет. Для источников альфа-, бета- и рентгеновского излучений с периодом полураспада 5 и более лет срок службы устанавливают в нормативном документе на конкретный тип источника.

Источники относятся к невосстанавливаемым  промышленным изделиям и не подлежат ремонту. При сохранении радиационных параметров в пределах, удовлетворяющих  пользователя, сохранении герметичности  и отсутствии дефектов допускается продление срока эксплуатации источника. Порядок продления устанавливают органы государственного управления использованием атомной энергией.

 

1.2 Единицы измерения радиоактивности и доз облучения

 

Мерой радиоактивности радионуклида является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Несистемная единица – Кюри (Ки), активность 1 г радия (Ra). 1 Кюри = 3.7*10¹⁰ Бк.

Доза ионизирующего излучения (radiation dose) – количество энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается некоторой средой за определенный промежуток времени.

Поглощённая доза – энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр) = 1 джоуль на килограмм (Дж/кг).

Поглощённая доза различных видов  излучения вызывает в единице  массы биологической ткани различное  биологическое действие. Эквивалентная  доза равна произведению поглощённой  дозы на средний коэффициент качества излучения по сравнению с гамма-излучением. Значения коэффициента: рентгеновское излучение, электроны, позитроны, бета-излучение – 1, нейтроны тепловые – 3, протоны, нейтроны быстрые – 10, альфа-частицы и ядра отдачи – 20. В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв) – доза любого излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический вред, как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Внесистемная единица – бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Экспозиционная доза (Д_эксп) служит для характеристики фотонного излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе излучения, при которой в 1 кг атмосферного воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл). Д_эксп = Кл/кг. Внесистемная единица – рентген (Р). 1 Р = 2,58 · 10^-4 Кл/кг.

 

1.3 Основные радионуклиды мониторинга среды

Ниже в таблице приведены  краткие данные по ядерно-физическим характеристикам радионуклидов, содержание которых в окружающей среде, в  строительных материалах, в рабочих  и бытовых помещениях и, особенно, в пищевых продуктах сельского хозяйства может быть значимым по радиационной опасности для здоровья человека.

 

Таблица 1. Основные радионуклиды

Нуклид	Название	Период полураспада	Гамма- кванты, МэВ	Бета-частицы  Emax, МэВ
40К 226Ra Þ 206Pb 232Th Þ 208Pb	Калий-40 Ряд урана Ряд тория	1.3 109 год 1620 год 1.4 1010 год	1.461 Много, до 2.45 Много, до 2.62	Много, до 3 Много, до 3	Естественные нуклиды
137Cs 90Sr + 90Y	Цезий-137 Стронций-Иттрий	30 год 30 год, 3 сут.	0.662 -	1.17 0.55, 2.29	Техногенные
131I 144Ce + 144Pr 106Ru + 106Rh	Йод-131 Церий-Празеодим Рутений-Родий	8 суток 285 сут, 17 мин. 372 сут, 30 сек.	0.365 0.133 0.512, 0.622	0.606 0.318, 3 0.04, 3.5	Продукты аварий АЭС

 

Особого внимания заслуживает  Радон-222, продукт распада Ra-226. Он является инертным газом, и выделяется из любых сред и объектов (почвы, строительные материалы и пр.), которые практически всегда содержат уран и продукты его распада. Средняя концентрация радона на уровне земли вне помещений составляет 8 Бк/м³ . Период полураспада радона составляет 3.824 суток, и он может накапливаться в закрытых и плохо вентилируемых помещениях.