Распределение вещества. Фбгоу впо игу федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии им. А. П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук
 Скачать 1.96 Mb.
|
|
2.1 Дифференциальные и интегральные характеристики поля излучения Сформулируем определения наиболее часто применяемых величин для характеристики полей ионизирующих излучений с использованием понятия элементарной сферы. Поток ионизирующих частиц - отношение числа ионизирующих частиц dN , проникающих за интервал времени dt : dt dN dF . (2.1) Плотность потока ионизирующих частиц ) (r - отношение числа ионизирующих частиц dN , проникающих за интервал времени dt в элементарную сферу с центром в точке r и площадью центрального сечения dS , к интервалу времени и площади центрального сечения элементарной сферы dt dS dN r ) ( . (2.2) Плотность потока энергии ионизирующих части интенсивность ) (r I - отношение энергии ионизирующего излучения dE , проникающей за интервал времени dt в элементарную сферу с центром в точке r и площадью центрального сечения dS , к интервалу времени dt и площади центрального сечения dS элементарной сферы dt dS dE r I ) ( . (2.3) При решении многих практических задач, таких, как, например, изучение воздействия излучений на материалы, определение ресурсов 12 корпуса ядерного реактора, используется понятие флюенса ионизирующих частиц. В нормативных документах вместе с термином «флюенс частиц рекомендован менее удачный термин перенос частиц. Флюенс ионизирующих частиц - отношение числа ионизирующих частиц dN , проникающих в элементарную сферу с площадью центрального сечения dS , к площади центрального сечения dS : dS dN . (2.4) Это понятие эквивалентно проинтегрированной по некоторому определенному интервалу времени плотности потока ионизирующих частиц. Аналогично можно ввести понятие флюенса энергии ионизирующих частиц E . Флюенсу соответствуют пространственные, энергетические и угловые зависимости и величины. Введенные в этом параграфе характеристики поля ионизирующих излучений – поток, флюенс частиц, плотность потока частиц и интенсивность излучения - положительные скалярные величины. В том виде, как эти величины даны здесь, они являются интегральными характеристиками поля и не дают представления об энергетическом и угловом распределениях излучения. Более детально поле излучения можно описать дифференциальными характеристиками. Рассмотрим распространение излучения около точки A пространства, определяемой радиус-вектором r , в пределах телесного угла d в направлении единичного вектора , который задан плоскими углами ирис. Пусть ) , , , ( E r i есть число частиц излучения вида i , обладающих энергией в пределах от E дои пересекающих единичную площадку, перпендикулярно расположенную к направлению единичного вектора Функция ) , , , ( E r i выражает дифференциальное энергетическое и угловое распределение флюенса частиц около точки A пространства. Проинтегрировав эту функцию по углам, получим энергетическое распределение флюенса частиц d E r E r i ) , , , ( ) , ( . (2.5) Зная соотношение между флюенсом и плотностью потока частиц, можем записать энергетическое распределение плотности потока Рис. К определению дифференциальных характеристик поля излучения 13 d dt E r d E r i N ) , , , ( ) , ( , (2.6) где t - время. Формулы (2.5) и (2.6) характеризуют распределение частиц по рис. 2.1. Функции ) , , ( t E r и ) , ( E r N представляют собой энергетический спектр излучения. Если эти функции определены не только для фиксированной точки A при определенном значении радиус-вектора r , но и для различных точек пространства, так что r выступает в качестве независимой переменной, то они выражают пространственно- энергетическое распределение излучения. Первоначально введенная функция ) , , , ( E r i в этом случае характеризует пространственное ( r ), энергетическое ( E ) и угловое ( , ) распределения излучения. 2.2 Сечение взаимодействия (поперечное сечение) ионизирующих излучений с веществом Под взаимодействием излучений с веществом обычно понимаются лишь первичные элементарные акты взаимодействия ионизирующих частиц с веществом, которые происходят под действием кулоновских, электромагнитных и ядерных сил. Взаимодействие данного вида излучения (нейтроны, фотоны, электроны и т. д) классифицируют по типу взаимодействия и по тем микрочастицам вещества, с которыми происходит взаимодействие, те. мишеням. Такими мишенями являются электроны, ядра или атомы в целом. В некоторых случаях определенное значение имеет связь электрона в атоме и атома в молекуле или кристалле. В других случаях этой связью можно пренебречь. В результате взаимодействия заряженных частиц с веществом энергия теряется ими, как правило, небольшими порциями ив основном на ионизацию и возбуждение атомов среды. С увеличением энергии заряженных частиц существенным становится процесс образования тормозного излучения. Нейтроны и фотоны не имеют электрического заряда и поэтому не создают заметных ионизационных эффектов непосредственно. Нов результате упругих и неупругих (ядерных, электромагнитных) взаимодействий с атомами и ядрами среды нейтроны и фотоны образуют свободные заряженные частицы электроны, ядра отдачи, - частицы и т. д. При этом доля передаваемой энергии в результате только одного акта взаимодействия может быть весьма значительной. В силу статистической природы взаимодействия излучения с веществом для количественного описания этого процесса удобно пользоваться понятиями, имеющими вероятностный характер. Основополагающим при этом является понятие сечения взаимодействия поперечное сечение. 14 Пусть в определенную точку пространства, где каким-либо источником создается поле излучения с плотностью потока частиц , помещается a n атомов какого-либо элемента. Предположим, что полное число частиц, испытывающих взаимодействие с этими атомами в единицу времени, равно v . Тогда сечением взаимодействия называется отношение a n v , (2.7) оно имеет размерность квадрата длины. Единицей измерения сечения взаимодействия в СИ является квадратный метр. В практике расчетов в настоящее время широкое распространение получила внесистемная единица барн (б) (б = 10 -28 м. Ниже значения микросечений приводятся в барнах, а формулы для них обычно в квадратных метрах. Для большей наглядности полезно также выразить смысл сечения взаимодействия через понятие вероятности. Поместим на пути мононаправленного пучка ионизирующих частиц с плотностью потока образец вещества в виде цилиндра высотой dl и площадью основания S так, чтобы частицы падали нормально к основанию. Если в единице объема данного вещества находится a n атомов, то, исходя из формулы (2.7), полное число взаимодействий, которое будет иметь место в этом образце объемом dV в единицу времени, dV n dN a . (2.8) Тогда вероятность взаимодействия для одной частицы на пути в данном веществе представляется в виде dl n S dl S n S dN dW a a . (2.9) Теперь, если в формуле (2.9) положить a n и dl равными единице, то вероятность окажется численно равной сечению. Таким образом, сечение взаимодействия численно равно вероятности взаимодействия ионизирующей частицы на единичном пути в веществе, в единичном объеме которого находится один атом. Наряду с сечением взаимодействия, отнесенным к одному атому, используются сечения, отнесенные к одному электрону Полное сеченые взаимодействия является суммой парциальных сечений, соответствующих различным процессам (упругое и неупругое рассеяние, деление, ядерные реакции и т. п. Эти парциальные процессы для неделящихся ядер часто объединяют в две группы рассеяние и поглощение. В соответствии с такой группировкой a s , (2.10) где s - сечение рассеяния а a - сечение поглощения. В свою очередь сечение рассеяния принято разделять на сечение упругого el рассеяния, при котором сохраняется сумма кинетических энергий частиц до взаимодействия и после, и сечение неупругого 15 рассеяния in , при котором эта сумма не сохраняется, так как часть энергии идет на возбуждение ядер. Таким образом, in el s . (2.11) Сечения типа (2.10) и (2.11) описывают вероятность отдельных процессов взаимодействия, не характеризуя энергетические и угловые распределения частиц после актов взаимодействия. В часто встречающемся случае упругого рассеяния пучка частиц, движущихся с одинаковой скоростью, на некотором центре, используется дифференциальное эффективное поперечное сечение ( d d ), характеризующее вероятность рассеяния в определённый телесный угол ( d ). Оно равно отношению числа частиц, рассеянных в единицу времени в единицу телесного угла, к плотности потока падающих частиц. Интегрирование по полному телесному углу даёт полное поперечное сечение, для рассеяния на любые углы d d d . (2.12) При наличии неупругих взаимодействий полное сечение складывается из сечения для упругих и неупругих рассеяний. Для каждого типа (канала) неупругих взаимодействий может быть введено отдельное эффективное сечение. Все введенные выше сечения нормировались на взаимодействии с микроскопическим объектом (атомом, электроном или ядром, поэтому их часто называют микроскопическими сечениями. При прохождении ионизирующего излучения через конкретное вещество вероятность взаимодействия для ионизирующей частицы на единице пути в данном веществе в силу аддитивности вероятностей взаимодействия на отдельных атомах будет равна a n W . (2.13) Эту величину называют макроскопическим сечением взаимодействия и обозначают через . В случае фотонов ее более предпочтительно называть линейным коэффициентом ослабления и обозначать через Единицей ив СИ является метр в минус первой степени. Наряду с линейным коэффициентом ослабления на практике нередко применяется массовый коэффициент ослабления m , где - плотность вещества. Макроскопические сечения взаимодействия, также как и микроскопические, подразделяют на интегральные и дифференциальные. Смысли обозначения макроскопических дифференциальных сечений и микроскопических дифференциальных сечений (2.10) - (2.12) аналогичны. Сечение (обозначается буквой σ), как и всякая площадь, измеряется в квадратных метрах. Типичный радиус атомного ядра составляет порядка 10 −12 см, то есть поперечное сечение ядра - порядка 10 −24 см. Можно 16 ожидать, что сечения взаимодействий частиц с ядром должны иметь примерно такую величину. Она получила своё собственное наименование - барн, - и обычно используется как единица измерения сечения ядерных реакций. Однако, на самом деле, сечения реакций могут изменяться в очень широких пределах. Сечение взаимодействия отличается от геометрического сечения мишени (атома, ядра, электрона и т.д.). Это во многом зависит от типа взаимодействия между частицами. В ядерной физике встречаются примеры, когда эффективное сечение процесса заметно больше, чем геометрическое сечение ядра. Например, сечение захвата медленного нейтрона ядром бора превышает геометрическое сечение ядра в десятки тысяч раз. Если радиус ядра больше, чем длина волны де Бройля налетающей частицы (большие энергии, то максимальное сечение определяется геометрическими размерами ядра (πR 2 ). В области малых энергий максимальное сечение определяется, наоборот, длиной волны де Бройля. Реальные значения сечений могут быть намного меньше максимальных, они зависят от энергии налетающих частиц, типа реакции, ориентации спинов частиц и т. п. 2.3 Закон ослабления узкого пучка Рассмотрим ослабление в веществе нерассеянного излучения. Пусть на плоский слой вещества параллельно оси x падает пучок мононаправленных моноэнергетических частиц с плотностью потока падающих частиц при 0 x (начало слоя, равном Выделим на глубине x в веществе участок Изменение плотности потока нерассеянных (не вступавших во взаимодействие) частиц за счет взаимодействия с веществом на этом участке dx x d ) ( (2.14) Интегрируя (2.14), получаем x e x 0 ) ( (2.15) Формула (2.15) представляет собой закон ослабления нерассеянного излучения. Этот закон называют законом ослабления изучения в геометрии узкого пучка или в хорошей геометрии. 2.2 Взаимодействие параллельного пучка γ – квантов с плоской мишенью 17 При решении некоторых задач удобно вместо или использовать значения слоев ослабления l / 1 , ослабляющих излучение враз. Из соотношения (2.15) можно получить l e l l / 1 ) ( / 1 0 (2.16) откуда Например, при 2 l связь между или и слоем половинного ослабления 2 / 1 2 / 1 2 / 1 693 , 0 2 ln . (2.17) Следует отметить, что в оптике существует аналогичный зако́н Бугера - Ламберта – Бера, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Закон выражается следующей формулой kl e I l I 0 ) ( , (2.18) где 0 I - интенсивность входящего пучка света ) (l I - интенсивность выходящего пучка l - толщина слоя вещества, через которое проходит свет, k - коэффициент поглощения. 2.4 Радиоактивный распад (активность) В 1911 году Резерфорд и Содди показали, что атомы некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член этого ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада. Позже, способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения и элементарных частиц называли радиоактивностью. При этом различают два вида радиоактивности - естественную, наблюдающуюся у нестабильных изотопов атома, существующих в природе, и искусственную, наблюдающуюся у изотопов, образующихся в результате ядерных реакций. Оба вида радиоактивности ничем принципиально не отличаются друг от друга и описываются одними и теми же законами радиоактивных превращений. Процесс естественного, самопроизвольно происходящего радиоактивного превращения называется радиоактивным распадом, или просто распадом. Ядра, испытывающие распад, называются 18 радионуклидами.Исходное атомное ядро называется материнским,а ядро, образовавшееся в результате распада, называется дочерним Радиоактивный распад происходит со строго определённой скоростью, характерной для каждого данного элемента. Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднемуменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т. Периоды полураспада различных ядер колеблются в очень широких пределах. Так, например, период полураспада урана U 238 92 составляет 4,5 млрд. лет, радия Ra 226 88 - 1620 лет, радона - Rn 222 86 3,8 суток. Более того, периоды полураспада у изотопов одного итого элемента могут сильно различаться - у Т = 1620 лета у Ra 219 88 Т 0,001 с. Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то закон радиоактивного распада носит статистический характер. Можно показать, что закон убывания во времени числа радиоактивных ядер данного вещества закон радиоактивного распада) имеет вид t e N N 0 . (2.19) Здесь - число радиоактивных ядер в момент времени, принятый за начало отсчёта, те. при t = 0 . N — число радиоактивных ядер в момент времени t. - постоянная для данного радиоактивного вещества величина, носящая название постоянной радиоактивного распада.Между постоянной радиоактивного распада и периодом полураспада существует простая связь 693 , 0 2 ln 2 / 1 T . (2.20) Среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада. Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения,установленными опытным путём. Правила смещения => для альфа - распада (превращения ядер, сопровождающиеся испусканием альфа-частиц) He Y X A Z A Z 4 2 4 2 :=> для бета распада (превращения ядер, сопровождающиеся, испусканием бета-частиц) e Y X A Z A Z 0 1 1 , где X - химический символ материнского ядра He 4 2 - ядро атома гелия e 0 1 - символическое обозначение электрона (заряд его равен -1, массовое число равно 0). Правила смещения являются следствиями двух законов сохранения, выполняющихся при радиоактивных распадах - сохранения электрического заряда и массового числа сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра. Активностью А нуклида в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в единицу времени 19 N dt dN A , (2.21) где - число ядер, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt. Единица активности в системе СИ - беккерель(Бк): 1Бк - активность нуклида, при которой за 1 с происходит один распад. Внесистемная единица активности - кюри(Ки): 1 Ки=3,7·10 10 Бк. 1 кюри равен числу распавшихся ядер, содержащихся в 1 г радия за 1 с. Таблица 2.1 Семейство урана. Вид излучения Нуклид Период полураспада α Уран 4,47 млрд.лет β Торий 24,1 суток β Протактиний 1,17 минут α Уран 245000 лет α Торий 8000 лет α Радий 1600 лет α Радон 3,823 суток α Полоний 3,05 минут β Свинец 26,8 минут β Висмут 19,7 минут α Полоний 0,000164 секунды β Свинец 22,3 лет β Висмут 5,01 суток β Полоний 138,4 суток Свинец стабильный Три основных радиоактивных ряда (семейства, наблюдающихся в природе, обычно называются рядом тория (начинается с Th 232 90 ), рядом радия или урана (начинается си рядом актиния (начинается с U 235 92 ). Каждый из этих рядов заканчивается образованием различных стабильных изотопов свинца Pb 208 82 , Pb 206 82 , Pb 207 82 , соответственно. Массовый номер каждого из нуклидов в этих рядах может быть представлен в виде n A 4 , 2 4 n A и 3 4 n A , соответственно, в зависимости от остатка целочисленного деления массового числа нуклида на четыре. Имеется еще один искусственный ряд (семейство) - ряд нептуния 1 4 n A , который начинается си заканчивается изотопом висмута Bi 209 83 3 2 Нептуний — радиоактивный нуклид химического элемента нептуния с атомным номером 93 и массовым числом 237. Это наиболее долгоживущий изотоп нептуния, период полураспада 2,144(7)·10 6 лет. Был открыт в 1942 году Гленом Сиборгом и Артуром Валем в результате бомбардировки урана нейтронами. Период полураспада этого нуклида мал по сравнению с возрастом Земли, поэтому в природных минералах нептуний встречается лишь в ничтожных количествах 20 В таблице 2.1 в качестве примера представлена цепочка семейства урана. 2.5 Термины и определения Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Заметим, что общепринято видимый свети ультрафиолетовое излучение не включать в понятие ионизирующее излучение. Частицы корпускулярного ионизирующего излучения или фотоны принято называть ионизирующими частицами. Ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, например электронов, протонов, частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении, называется непосредственно ионизирующим излучением. Ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, например нейтронов или фотонов, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения, называется косвенно ионизирующим излучением. К фотонному ионизирующему излучению относится гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее приуменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. На практике часто используется рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений. Ккорпускулярному излучению, состоящему из частиц с массой, отличной от нуля, относятся, например, альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное. Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением. первичный (существовавший в момент образования Земли) нептуний давно распался, ив настоящее время в природе существует лишь радиогенный нептуний. Источником изотопов нептуния в природе являются ядерные реакции, протекающие в урановых рудах под воздействием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана. Максимальное соотношение Np 237 93 к урану в природе составляет 1,2·10 −12 3 Природный висмут состоит из одного изотопа 209 Bi, который считался самым тяжёлым из существующих в природе стабильных изотопов. Однако в 2003 году было экспериментально доказано, что он является альфа-радиоактивным с периодом полураспада 1,9±0,2·10 19 лет намного порядков превышающий возраст Вселенной. 21 Принято различать первичное и вторичное ионизирующее излучение. Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное. Вторичное ионизирующее излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения сданной средой. Вторичное излучение также может инициировать вторичное по отношению к нему излучение или третичное по отношению к первичному. Подобным образом можно рассматривать излучение четвертого и т. д. поколений по отношению к первичному. Распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде называется полем ионизирующего излучения. В зависимости от величины, характеризующей ионизирующее излучение, различают характеристики поля по плотности потока ионизирующих частиц, мощности поглощенной дозы, мощности кермы и т. д. В заключение параграфа приведем определения ряда основных понятий. Нуклид вид атомов сданными числами протонов и нейтронов в ядре. Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Радионуклид - нуклид, обладающий радиоактивностью. Изотоп - нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу. Радиоизотоп - изотоп, обладающий радиоактивностью. Вещество радиоактивное - вещество в любом агрегатном состоянии, содержащее радионуклиды с активностью, на которые распространяются требования Норм и Правил радиационной безопасности. Источник ионизирующего излучения - радиоактивное вещество или устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение, на которые распространяется действие Норм и Правил радиационной безопасности. Радиационная авария потеря управления источником ионизирующего излучения, вызванная неисправностью оборудования, неправильными действиями работников (персонала, стихийными бедствиями или иными причинами, которые могли привести или привели к облучению людей выше установленных норм или радиоактивному загрязнению окружающей среды. Радиационная безопасность населения - состояние защищенности настоящего и будущего поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего излучения. Работа с источником ионизирующего излучения - все виды обращения с источником излучения на рабочем месте, включая радиационный контроль. При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важным 22 из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощённая доза. Она показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе поглощающего вещества. 2.6 Дозовые характеристики поля излучения Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия на человека, является поглощенная доза ионизирующего излучения. Доза поглощенная (D) - величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу dm dE D , (2.22) где dE - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме dm - масса вещества в этом объеме. Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, ив этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях на килограмм массы (Дж·кг -1 ), и имеет специальное название – грей (Гр. Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр. Для оценки поля фотонного излучения долгое время пользовались понятием экспозиционная доза, в связи стем, что с момента открытия Рентгеном своих лучей до создания ядерного реактора основным видом ионизирующего излучения было рентгеновское излучение Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения со средой — это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза. Экспозиционная доза (Х – полный заряд dQ ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных 4 Луис Гарольд Грей (1905-1965 гг.) сделал фундаментальное открытие в бласти радиационной дозиметрии, известное в настоящее время как принцип Брегга - Грея. 23 электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, деленный на массу воздуха dm в этом объеме dm dQ X . (2.23) Единица экспозиционной дозы в Международной системе единиц СИ) — кулон на килограмм (Кл/кг, C/kg). До этого в качестве единицы дозы рентгеновского излучения был введён рентген в 1928 г. на II Международном конгрессе радиологов. Рентген равен экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в 1 см воздуха, находящегося при нормальном атмосферном давлении и 0 °C, образуются ионы, несущие заряд, равный 1 единице заряда СГСЭ (≈3,33564·10 −10 Кл) каждого знака. При дозе рентгеновского или гамма-излучения, равной 1 Р, в 1 см воздуха образуется 2,082·10 9 пар ионов. 1 Кл/кг = 3876 Р 1 Р = 2,57976·10 −4 Кл/кг. Термин экспозиционная доза используется для фотонного излучения с энергией фотонов от 1 кэВ до 3 МэВ. Несмотря на то, что ГОСТ 8.417-81 5 прямо запретил использование большинства внесистемных единиц измерения, рентген продолжает достаточно широко использоваться в технике, отчасти потому, что многие имеющиеся измерительные приборы (дозиметры) отградуированы именно в рентгенах. Впрочем, широкого распространения единица Кл/кг не получила в связи с выходом из употребления самой физической величины экспозиционной дозы. Кл/кг используется главным образом для формального перевода из рентген в системные единицы (там, где исходная величина указана в единицах экспозиционной дозы. На практике сейчас чаще пользуются системными единицами поглощённой, эквивалентной и эффективной (а также групповой, коллективной, амбиентной и др) дозы, те. грэями и зивертами (а также кратными/дольными производными от них. Из определения единиц экспозиционной дозы нетрудно найти их энергетические эквиваленты принимая, что заряд электрона равен 1,602·10 -19 Кл СГСЕ; масса см воздуха равна 0,001293 г средняя энергия образования одной пары ионов в воздухе равна 33,85 эВ, 5 Тем не менее, позднее в Российской Федерации рентген был допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения ядерная физика, медицина (Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. N 879). Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) в своих рекомендациях относит рентген к единицам измерения, которые могут временно применяться до даты, установленной национальными предписаниями, но которые не должны вводиться, если они не используются. 24 получаем соотношения между поглощенной и экспозиционной дозами в виде 1 Р рад (в воздухе 1 Кл/кг=33,85 Гр (в воздухе. Значения экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в радах отличается во внесистемных единицах всего лишь в 1,14 раза ив практических измерениях это различие обычно игнорируется. Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице длины пути в ткани больше ионов, чем легкая например, электрон. При одной и той же поглощенной дозе разрушительный радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент - коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества, а в последних редакциях просто взвешивающий коэффициент. Доза эквивалентная (Н Т,R ) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, W R : R T R R T D W H , , , (2.24) где D T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т W R - взвешивающий коэффициент для излучения R. При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения R R T T H H , . (2.25) Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв) 6 Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (W R ) - используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов. 6 Рольф Максимилиан Зиверт (нем. Rolf Maximilian Sievert; 6 мая 1896 — 3 октября 1966) — шведский радиофизик, изучавший воздействие радиационного излучения на биологические организмы, один из родоначальников науки радиобиологии. один из основателей МКРЗ. В 1979 г. в честь Рольфа Зиверта названа единица измерения СИ эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения - зиверт (Зв, Sv). 25 Фотоны любых энергий ............................................ 1 Электроны и мюоны любых энергий ...................... 1 Нейтроны с энергией менее 10 кэВ ........................ 5 от 10 кэВ до 100 кэВ ............................................ 10 от 100 кэВ до 2 МэВ .......................................... 20 от 2 МэВ до 20 МэВ .......................................... 10 более 20 МэВ .................................................... 5 Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи. 5 Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра .. 20 Примечание Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения - испускаемому при ядерном превращении. Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканями органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма. Доза эффективная Е - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты T T T H W E , (2.26) где Н - эквивалентная доза в органе или ткани Т W T - взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т. Единица эффективной дозы - зиверт (Зв). Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (W T ) - множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации Гонады ........................................................................ 0,20 Костный мозг (красный) ........................................... 0,12 Толстый кишечник .................................................... 0,12 Легкие ......................................................................... 0,12 Желудок ..................................................................... 0,12 Мочевой пузырь ........................................................ 0,05 Грудная железа .......................................................... 0,05 26 Печень ........................................................................ 0,05 Пищевод ..................................................................... 0,05 Щитовидная железа .................................................. 0,05 Кожа ............................................................................ 0,01 Клетки костных поверхностей ................................. 0,01 Остальное ................................................................... 0,05* ________________ * При расчетах учитывать, что Остальное включает надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики Остальное приписать суммарный коэффициент, равный 0,025. Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах. 2.7 Контрольные вопросы и задачи Задача 1. Активность 60 Co с периодом полураспада 5,27 лет составляет 1 ГБк. Рассчитать число радиоактивных атомов этого препарата через 5 лет. Задача 2. Определить активность 1 г 226 Ra, период полураспада которого 1600 лет. Задача 3. В воздухе на высоте уровня моря за счет космического излучения в среднем образуется 2 пары ионов в 1 см в 1 с. Определить поглощенную дозу в воздухе за год, если на образование одной пары ионов затрачивается энергия 33,85 эВ. Плотность воздуха принять равной 1,29·10 -3 г/см 3 Задача 4. Микроскопическое сечение взаимодействие фотонов с энергией 1 МэВ для свинца равно 2,34·10 -23 см. Определить линейный и массовый коэффициенты ослабления фотонов, если плотность свинца 11,34 г/см 3 |