Методы регистрации ионизирующего излучение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Биологический факультет

Реферат

по учебной дисциплине

«Защита населения и объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность »

на тему

«Методы регистрации ионизирующего излучение »

Выполнил студент Клименков М. В.

Группы Би 34

Проверил Дворник А.М.

Гомель 2011

Содержание

Введение……………………………………………………………….2

Типы ионизирующего излучение ……………………………………3

Методы регистрации………………………………………………….8

Заключение……………………………………………………………10

Список литературы…………………………………………………...12

Введение

В начале 20 века человечество столкнулось с загадочным явлением – радиоактивность (от лат. Radio - "Испускаю лучи", activus - "активно") -

самопроизвольные или наведенные превращения нестабильных атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц или квантов излучения. Явление представляет значительную опасность для людей. Открытие радиоактивности было сделано в 1896 году французским физиком Беккерелем при исследовании им свойств соединений урана. Впоследствии это свойство было обнаружено у целой группы веществ. Дальнейшие исследования показали, что радиоактивность - это невидимые, не имеющие цвета и запаха излучения, которые испускают некоторые вещества, которые стали называть радиоактивными. Теперь известны следующие виды излучений радиоактивных веществ: ?-лучи (поток положительно заряженных атомов гелия); ?-лучи(поток отрицательно заряженных электронов, скорость которых близка к скорости света и которые обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи);?-лучи, подобные рентгеновским, но обладающие еще большей проникающей способностью и представляющие собой электромагнитные волны. Наряду с этими видами различают еще нейтронное, протонное и рентгеновское излучения. В настоящее время радиоактивные вещества широко применяются: в энергетике (АЭС) для получения электричества и тепла, в промышленности (атомной и не атомной), на транспорте (атомные суда), в медицине, науке, военном деле (ядерные и другие виды оружия и технические средства), во многих других областях человеческой деятельности. При этом все большее применение получают не только радиоактивные, но и другие вещества, обладающие искусственной (созданной человеком) радиоактивностью, так называемые радиоактивные изотопы этих веществ или радионуклиды (например, изотопы углерода, кальция, натрия, йода, фосфора, серы). В виду широкого использования радиоактивных веществ стала необходимость измерения уровня радиации и разработка единиц измерение активности тех или других веществ, окружающей нас седы, уровень фона на промышленных предприятиях.

Измерения радиации в некоторых областях и сферах являются обязательным условием возведения зданий и промышленных объектов, в других областях они необязательны, но могут проводиться добровольно – зачастую, желая заранее избежать всех оплошностей, компании и частные лица предпочитают убедиться в том, что с приобретаемым участком все в порядке, еще до покупки его, а не после, и измерения радиации на объекте входят в перечень процедур, которые желательно провести перед тем, как начать строительство на участке.

Типы ионизирующего излучения

?-лучи правильней сказать А?льфа-части?ца (?-частица), положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия-4. Образуется при альфа-распаде ядер. При этом ядро может перейти в возбуждённое состояние, избыток энергии удаляется при выделении гамма-излучения. Однако вероятность перехода ядра при альфа-распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц. Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами.

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8–15 МэВ. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию и в результате очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно ткани организма, весьма опасно для здоровья. Опасно для здоровья также внешнее облучение высокоэнергичными альфа-частицами, источником которых является ускоритель. Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность (г/см2).

Таким образом, опасность для человека могут представлять излучение ?-частиц с энергиями достаточными для преодоления кожного покрова (10 МэВ и выше). В тоже время, большинство исследовательских ускорителей ?-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ. Альфа-частицы образуются также в результате ядерных реакций. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: 6Li+2H=4He+4He. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия (из звёздных атмосфер и межзвёздного газа), некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц. Масса альфа-частицы составляет 6,644656?10?27 кг, что эквивалентно энергии 3,72738 ГэВ.

?-лучи - Бета-частица, заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение.

Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (??), положительно заряженные — позитронами (?+). Бета-лучи следует отличать от вторичных и третичных электронов, образующихся в результате ионизации воздуха — так называемые дельта-лучи и эпсилон-лучи. Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа; эта максимальная энергия лежит в диапазоне от 2,5 кэВ (для рения-187) до десятков МэВ (для короткоживущих ядер, далёких от линии бета-стабильности). Бета-лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.

Значительные дозы внешнего бета-излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета-активных радионуклидов, попавших внутрь организма. Бета-излучение имеет значительно меньшую проникающую способность, чем гамма-излучение (однако на порядок большую, чем альфа-излучение). Слой любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см2 (например, несколько миллиметров алюминия или несколько метров воздуха) практически полностью поглощает бета-частицы с энергией около 1 МэВ.

Га?мма-излуче?ние (гамма-лучи, ?-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — < 5?10^?3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно. Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер, при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях. Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Виллардом в 1900 году при исследовании излучения радия. Физические свойства в отличие от ?-лучей и ?-лучей, не отклоняются электрическими и магнитными полями, характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:

Фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится ионизированным). Области применения гамма-излучения:

Гамма-дефектоскопия, контроль изделий просвечиванием ?-лучами.

Консервирование пищевых продуктов.

Стерилизация медицинских материалов и оборудования.

Лучевая терапия.

Уровнемеры.

Гамма-каротаж в геологии.

Гамма-высотомер, измерение расстояния до поверхности при приземлении спускаемых космических аппаратов.

Гамма-стерилизация специй, зерна, рыбы, мяса и других продуктов для увеличения срока хранения.

Биологические эффекты Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевые болезни. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором. Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана).

Нейтронное излучение возникает при ядерных реакциях (в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах). Свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица с временем жизни 885 сек. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов. При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов очень велика по причине отсутствия заряда и, как следствие, слабого взаимодействия с веществом. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которыми они взаимодействуют. Слой половинного ослабления лёгких материалов для нейтронного излучения в несколько раз меньше, чем для тяжёлых. Тяжёлые материалы, например металлы, хуже ослабляют нейтронное излучение, чем гамма-излучение. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы. Обычно применяют воду, парафин, полиэтилен. Кроме того, нейтронное излучение хорошо поглощается бором, бериллием, кадмием, графитом. Поскольку нейтронное излучение сопровождается гамма-излучением, необходимо применять многослойные экраны из различных материалов: свинец-полиэтилен, сталь — вода и т. д. В ряде случаев для одновременного поглощения нейтронного и гамма-излучений применяют водные растворы гидроксидов тяжёлых металлов, например, железа Fe(OH)3. Нейтронное излучение является потоком электронейтральных частиц ядра. Так называемое вторичное излучение нейтрона, когда он сталкивается с каким-либо ядром или электроном, оказывает сильное ионизирующее воздействие. Ослабление нейтронного излучения эффективно осуществляется на ядрах лёгких элементов, особенно водорода, а также на материалах, содержащих такие ядра — воде, парафине, полиэтилене и др. При внешнем облучении основную роль играют гамма- и нейтронное излучение. Альфа- и бета-частицы составляют главный поражающий фактор радиоактивных облаков, образуемых продуктами деления, остатками расщепляющегося материала и вторично активированными веществами при ядерном взрыве, однако эти частицы легко поглощаются одеждой и поверхностными слоями кожи. Под действием медленных нейтронов в организме создаётся наведенная радиоактивность, которая была обнаружена в костях и других тканях многих людей, умерших в Японии от лучевой болезни. Нейтронная бомба отличается от «классических» видов ядерного оружия — атомной и водородной бомб — прежде всего мощностью. Она имеет мощность около 1 кт ТНТ, что в 20 раз меньше мощности бомбы, сброшенной на Хиросиму, и примерно в 1000 раз меньше больших (мегатонных) водородных бомб. Ударная волна и тепловое излучение, возникающие при взрыве нейтронной бомбы, в 10 раз слабее, чем при воздушном взрыве атомной бомбы типа «Хиросима». Так, взрыв нейтронной бомбы на высоте 100 м над землёй, вызовет разрушения только в радиусе 200—300 м. Губительное для всего живого действие оказывает излучение быстрых нейтронов, плотность потока которых при взрыве нейтронной бомбы в 14 раз выше, чем при взрыве «классических» ядерных бомб. Нейтроны убивают всё живое в радиусе 2,5 км. Поскольку нейтронное излучение создаёт короткоживущие радиоизотопы, к эпицентру взрыва нейтронной бомбы можно «безопасно» приблизиться — по утверждению её создателей — уже через 12 ч. Для сравнения укажем, что водородная бомба надолго заражает радиоактивными веществами территорию радиусом около 7 км.

Методы регистрации ионизирующего излучение

Ионизация

Ионизация может быть вызвана альфа и бета излучениями непосредственно, и косвенно рентгеновским, гамма и нейтронным излучениями. Образовавшиеся пары ионов могут быть собраны, и количество накопленных ионных пар соотнесено с уровнем излучения, вызвавшего ионизацию. Во многих приборах дозиметрического контроля ионизация используется в качестве механизма регистрации.

Ионизацио?нная ка?мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии ионов в газе между электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. Ток при прочих равных условиях пропорционален скорости возникновения ионов и, соответственно, мощности дозы облучения.

В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении. Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом. Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

Измерение потока нейтронов

Ионизационные камеры позволяют измерять не только альфа-, бета- или гамма-излучение, но и нейтронное излучение, что достаточно трудно, так как нейтроны не несут заряда и их прохождение через газовый объём камеры не приводит к ионизации газа, которую можно было бы измерить.

Для измерения потока нейтронов камеру разделяют на 2 одинаковых части. В первой части измеряют фоновую ионизацию газа за счёт альфа-, бета- или гамма-излучения, во второй части камеры на стенки наносят бор-10 (для ионизационных камер, измеряющих большие потоки нейтронов в ядерных реакторах) или уран-235 (для камер, измеряющих малые потоки нейтронов). При захвате нейтрона ядром урана-235 происходит вынужденное деление ядра и дополнительная ионизация газа в объёме камеры осколками деления. Бор-10 при захвате нейтрона распадается на ядро лития-7 и альфа-частицу. Разница в ионизации обоих объёмов камеры пропорциональна потоку нейтронов. Вариант ионизационной камеры с ураном-235 (или другим делящимся изотопом) на электродах называется камерой деления. Иногда камеру заполняют газообразным соединением 10BF3 — трифторидом бора-10, что позволяет улучшить эффективность регистрации осколков. При измерении потоков нейтронов ионизационные камеры могут работать в двух режимах: импульсном — при измерении малых потоков нейтронов;

токовом — при измерении больших потоков нейтронов. Используется на АЭС в аппаратуре контроля нейтронного потока (АКНП) для измерения нейтронной мощности реактора. Используемые в настоящее время ионизационные камеры:

КНК-15 — камера пускового диапазона.

КНК-53 — камера рабочего диапазона.

Сцинтилляция

Сцинтилляция – процесс испускания света, вызванный переходом электронов в поглощающем материале с высокоэнергетических уровней на уровни с меньшей энергией. Электроны попадают на высокоэнергетические уровни в процессе возбуждения. (Из Модуля 1.4 «Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом» Вы помните, что возбуждение происходит, когда энергии ионизирующего излучения достаточно для временного перевода орбитальных электронов на более высокий энергетический уровень.) Испущенный свет может быть преобразован в электрический сигнал. Величина этого электрического сигнала зависит от количества электронов, перешедших на высокоэнергетические уровни, и может быть соотнесена с интенсивностью излучения, вызвавшего сцинтилляции. Сцинтилляция является важным механизмом регистрации излучения в радиометрии и дозиметрии, а детекторы, основанные на этом механизме, называются сцинтилляционными детекторами.

Термолюминесценция

Когда электроны в определенных веществах поглощают энергию, они переходят на более высокий энергетический уровень или попадают в «запрещенную зону». Они остаются захваченными в этой зоне до тех пор, пока вещество не будет нагрето до определенной температуры. Поглощенная от ионизирующего излучения энергия при нагревании высвобождается и электроны, переходя на основной энергетический уровень, испускают свет. Свет преобразуется в электрический сигнал, который может быть соотнесен с количеством поглощенного излучения. Термолюминесцентные материалы используются при мониторинге индивидуальных доз (т. е. доз отдельного человека) и будут в дальнейшем рассматриваться в Модуле 2.5 «Индивидуальная дозиметрия».

Химические превращения

Ионизирующее излучение может вызывать химические превращения. Это воздействие наблюдается при использовании фотографической пленки в индивидуальной дозиметрии, в медицинской и промышленной рентгенографии. Это явление используют для измерения высоких доз, например, от медицинского оборудования.

Калориметрия

Ионизирующее излучение может повышать температуру поглощающей среды и тщательное измерение увеличения температуры может использоваться для измерения дозы облучения. Этот метод (известный как калориметрия) не подходит для текущих измерений в целях радиационной защиты, так как чтобы вызвать даже небольшое повышение температуры, необходимы достаточно большие дозы. Однако он используется как первичный эталон для калибровки дозиметрических приборов.

Биологические изменения

Высокие дозы излучения могут вызывать биологические изменения в живых клетках. Это будет обсуждаться далее в Модуле 1.6 «Биологическое действие ионизирующего излучения». Биологические изменения используются только для оценки доз в чрезвычайных ситуациях, при которых возможно облучение персонала высокими дозами.

Заключение

Так как ионизирующее излучение не может быть обнаружено с помощью органов чувств человека, мы полагаемся на регистрацию изменений, производимых излучением при его взаимодействии с различными материалами. Принцип действия детекторов ионизирующего излучения основан на регистрации изменений в поглощающей среде, вызванных передачей энергии ионизирующего излучения веществу. Существуют следующие эффекты, вызываемые ионизирующим излучением, которые позволяют его регистрировать и измерять: ионизация, сцинтилляция, термолюминесценция, химические превращения, калориметрия, биологические изменения. В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических частиц до конца не ясна). Искусственными источниками ионизирующего излучения являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа-, бета- и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение).

Список литературы

Википедия свободная энциклопедия. Ионизирующае излучение, методы регистрации/ Энциклопедия// Радиация [Электронный ресурс].– 2011. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Ионизационная_камера. –
Дата доступа: 02.12.2011.

Закруга, М. Методы, используемые для регистрации ионизирующиего излучения/ М. Закруга // Методы, используемые для регистрации ионизирующиего излучения [Электронный ресурс].– 2010. – Режим доступа: http://rad-stop.ru/23-metodyi-ispolzuemyie-dlya-registratsii-ioniziruyushhiego-izlucheniya/. –
Дата доступа: 02.12.2011.

Козулько, Г. Радиация и ее происхождение
/ Г. Козулько // Радиация [Электронный ресурс].– 2004. – Режим доступа: http://bibliotekar.ru/index.files/1/941.htm. –
Дата доступа: 02.12.2011.

Кульпинов, С. Обнаружение и измерение ионизирующих излучений
/ С. Кульпинов // Обнаружение и измерение ионизирующих излучений [Электронный ресурс].– 2003. – Режим доступа: http://www.gr-obor.narod.ru/p50.html. –
Дата доступа: 02.12.2011.