МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Для обнаружения радиоактивных излучений (нейтронов, гамма-лучей, бета- и альфа-частиц) используют их способность облучать вещество среды, в которой они распространяются.
Вследствие облучения какого-либо материала происходит изменение физических и химических параметров в материале. К таким изменениям среды относятся:
изменения электропроводности веществ (газов, жидкостей, твердых материалов);
люминесценция (свечение) некоторых веществ;
изменение цвета, окраски, прозрачности, сопротивления электрическому току некоторых химических растворов и др.
Именно по этим изменениям можно обнаружить источники радиоактивного излучения, также по ним можно определить какое это излучение и дать какую-то его оценку.
Основными методами для обнаружения и измерения ионизирующих излучений являются:
Сцинтилляционный метод.
Данный метод стали применять раньше других. Он сыграл большую роль в развитии ядерной физики.
В физике сцинтилляцией называют вспышку света, возникающую при попадании заряженной частицы в среду, обладающую способностью люминесцировать. В некоторых люминофорах, например в сернистом цинке, сцинтилляция (световая вспышка), вызванная заряженными частицами, является достаточно яркой и может наблюдаться невооруженным глазом.
Первый прибор, основанный на использовании сцинтилляции, — спинтарископ был изобретен Круксом в 1903 году. Он представлял собой маленькую цилиндрическую камеру, дно которой было покрыто люминофором. Внутрь камеры помещали иглу, на острие которой находилось небольшое количество радиоактивного вещества. Вылетевшие из него заряженные частицы попадали на люминофор и вызывали сцинтилляции, которые наблюдали визуально и подсчитывали с помощью лупы, находившейся в верхней части камеры.
В настоящее время спинтарископ не применяют, но метод сцинтилляций не утратил своего значения, а получил современное техническое выражение и широко используется в науке и технике. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью специальных устройств, называемых сцинтилляционными счетчиками.
Важной особенностью сцинтилляционных счетчиков является их способность оценивать энергию регистрируемых частиц, поскольку интенсивность сцинтилляций пропорциональна энергии частиц.
Работает сцинтилляционный счетчик следующим образом:
При попадании частицы в сцинтиллятор она начинает взаимодействовать с некоторыми атомами плотной среды сцинтиллятора. При этом какое-то количество атомов вещества, составляющего сцинтиллятор, переходит в возбуждение.
При обратном переходе атомов в нормальное состояние происходит испусканием света, т.е. люминесценция.
Бывает два вида люминесценции – флуоресценция и фосфоресценция. В первом случае высвечивание атома происходит почти мгновенно, во втором – возбужденные молекулы находятся в метастабильном состоянии неопределенное время.
Фотографический метод
Этот метод был разработан в 1928 году советскими физиками Мысовским и Ждановым. Его сущность заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации быстрых заряженных частиц. Фотоэмульсии, применяемые для указанных целей, принято называть ядерными.
Ядерные фотоэмульсии имеют толщину слоя от 600 до 1200 мкм, в то время как толщина слоя обычных фотоэмульсий составляет всего от 10 до20 мкм.
Заряженные частицы, попадая в слой фотоэмульсии, нанесенный на фотопластинку, вызывают ионизацию молекул фотоэмульсии, вызывающую почернение ее зерен. После химической обработки фотопластинки (проявления и фиксирования) следы (треки), оставленные пролетевшими через фотоэмульсию частицами, становятся видимыми. Их наблюдают с помощью микроскопа.
По форме отмеченного трека, его длине и толщине, по плотности почерневших зерен эмульсии и по многим другим признакам можно установить вид частицы, ее энергию, скорость, направление движения и многие другие характеристики.
Одно из основных преимуществ метода толстослойных эмульсий перед другими методами регистрации частиц заключается в том, что с его помощью получают не исчезающие со временем следы частиц, которые в дальнейшем могут быть тщательно изучены.
Недостатками фотоэмульсионного метода является сложность химической обработки фотопластинок и невозможность определения момента времени, в который заряженная частица попадает в фотоэмульсию.
Химический метод.
Этот метод основан на свойстве ионизирующих излучений менять структуру некоторых химических элементов. Например, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем, добавленным к хлороформу. Двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под воздействием свободных радикалов НО2 и ОН, образующихся в воде при ее облучении. Трехвалентное железо с красителем дает цветную реакцию. По плотности окраски судят о дозе излучения (поглощенной энергии). На этом принципе основаны химические дозиметры ДП-70 и ДП-70М.
В современных дозиметрических приборах широкое распространение получил ионизационный метод обнаружения и измерения ионизирующих излучений.
Ионизационный метод.
Под воздействием излучений в изолированном объеме происходит ионизация газа: электрически нейтральные атомы (молекулы) газа разделяются на положительные и отрицательные ионы. Если в этот объем поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами создается электрическое поле. При наличии электрического поля в ионизированном газе возникает направленное движение заряженных частиц, т.е. через газ проходит электрический ток, называемый ионизационным. Измеряя ионизационный ток, можно судить об интенсивности ионизирующих излучений.
Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик), усилитель ионизационного тока, регистрирующее устройство(микроамперметр) и источник питания.
Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объем, внутри которого находятся два изолированных друг от друга электрода (типа конденсатора). К электродам камеры приложено напряжение от источника постоянного тока. При отсутствии ионизирующего излучения в цепи ионизационной камеры тока не будет, поскольку воздух является изолятором. При воздействии же излучений в ионизационной камере молекулы воздуха ионизируются. В электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к катоду, а отрицательные — к аноду. В цепи камеры возникает ионизационный ток, который регистрируется микроамперметром. Числовое значение ионизационного тока пропорционально мощности излучения. Следовательно, по ионизационному току можно судить о мощности дозы излучений, воздействующих на камеру. Ионизационная камера работает в области насыщения.
Газоразрядный счетчик используется для измерения радиоактивных излучений малой интенсивности. Высокая чувствительность счетчика позволяет измерять интенсивность излучения в десятки тысяч раз меньше той, которую удается измерить ионизационной камерой.
Газоразрядный счетчик представляет собой герметичный полый металлический или стеклянный цилиндр, заполненный разреженной смесью инертных газов (аргон, неон) с некоторыми добавками, улучшающими работу счетчика (пары спирта). Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута тонкая металлическая нить (анод), изолированная от цилиндра. Катодом служит металлический корпус или тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного корпуса счетчика. К металлической нити и токопроводящему слою (катоду) подают напряжение электрического тока.
В газоразрядных счетчиках используют принцип усиления газового разряда. При воздействии радиоактивных излучений в рабочем объеме счетчика образуются заряженные частицы. Электроны, двигаясь в электрическом поле к аноду счетчика, площадь которого значительно меньше площади катода, приобретают кинетическую энергию, достаточную для дополнительной ионизации атомов газовой среды. Выбитые при этом электроны также производят ионизацию. Таким образом, одна частица радиоактивного излучения, попавшая в объем смеси газового счетчика, вызывает образование лавины свободных электронов. На нити счетчика собирается большое количество электронов. В результате этого положительный потенциал резко уменьшается и возникает электрический импульс. Регистрируя количество импульсов тока, возникающих в единицу времени, можно судить, об интенсивности радиоактивных излучений.
Дата добавления: 2015-02-07 ; просмотров: 4647 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Основные способы обнаружения и измерения ионизирующих излучений
Для решения задач радиационной безопасности необходимо знать основные характеристики ионизирующих излучений. Известно, что все ионизирующие излучения взаимодействуют со средой и вызывают изменения ее физических и химических свойств. Это и используется для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений.
Наиболее распространенные способы регистрации: фотографический, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, биологический, ионизационный.
Фотографический – основан на потемнении фотоэмульсии под воздействием ионизирующих излучений (разновидность химического).
Химический – основан на измерении концентрации ионов воды, которые появились в результате ее облучения ионизирующими излучениями. Можно использовать свойство некоторых веществ изменять свой цвет под воздействием излучений.
Полупроводниковый – основан на том, что некоторые полупроводники изменяют свое сопротивление под воздействием ионизирующих излучений.
Сцинтилляционный – основан на том, что некоторые вещества под воздействием ионизирующих излучений испускают фотоны видимого света.
Биологический – основан на исследовании состава крови и структуры зубов.
Ионизационный – основан на ионизации газов.
Контрольные вопросы к лекции №2
1. Что такое экспозиционная доза, и в каких единицах измеряется?
2. Что такое поглощенная доза, и в каких единицах она измеряется?
3. Что такое эквивалентная доза, и в каких единицах она измеряется?
4. Что такое эффективная эквивалентная доза, и в каких единицах она измеряется?
5. Что такое мощности доз, и в каких единицах они измеряются?
6. Краткая характеристика ионизирующих излучений.
7. Ионизирующая способность гамма-излучения.
8. Ионизирующая способность бета-частиц.
9. Ионизирующая способность альфа-частиц.
10. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом.
11. Проникающая способность гамма-излучения.
12. Проникающая способность бета-излучения.
13. Проникающая способность альфа-излучения.
Лекция 3. Источники ионизирующих излучений
Различают естественные и искусственные источники ионизирующих излучений. К естественным источникам относят космическое излучение, излучение от природных радионуклидов земного происхождения. К искусственным источникам ионизирующих излучений относят антропогенный радиационный фон, радиоактивное загрязнение местности и воздушной среды при авариях на радиационных объектах, заражение местности и атмосферы при взрывах ядерных боеприпасов.
Космическое излучение
Космическое излучение делят на галактическое, межгалактическое и солнечное. Их также делят на первичное и вторичное излучение.
Галактическое и межгалактическое космическое излучение – это поток протонов (92%) альфа-частиц (7%). Остальное (около 1%) – это в основном, ядра легких элементов: лития, бериллия, азота, углерода, кислорода, фтора и др. Средний возраст галактического излучения от 1 млн. до 10 млн. лет, а плотность потока частиц величина постоянная и составляет 1–2 частицы/см 2 с.
Низкое содержание нейтронов в космических лучах объясняется тем, что нейтрон в свободном состоянии неустойчив и распадается на протон и электрон. Время его «жизни» составляет около16 минут. Считается, что электроны, позитроны и гамма-лучи поглощены космической пылью, поэтому их очень мало в составе космического излучения.
Галактическое излучение обладает очень высокой энер-
гией – 10 12 – 10 15 МэВ. Считается, что такая большая энергия объясняется разгоном частиц магнитными полями звезд.
Такое излучение губительно для всего живого. К счастью, протоны задерживаются радиационными поясами Земли, их энергия несколько уменьшается.
Существование поясов связано с наличием магнитного поля Земли. Заряженные частицы обычно движутся вдоль магнитных силовых линий по спирали. Имеется два радиационных пояса. Внешний радиационный пояс находится на расстоянии от 1 до 8 радиусов Земли, внутренний на расстоянии 400–10000 км. Наибольший прорыв космического излучения на полюсах, поэтому Северный и Южный полюса получают больше космической радиации.
Частично потерявшие энергию космические лучи попадают в атмосферу и ею поглощаются, вызывая вторичное излучение, представляющее почти все известные частицы и фотоны.
Первичное излучение преобладает на высотах 45 км и выше, а вторичное излучение достигает максимальной величины на высотах 20–25 км. На широте г. Минска человек получает на Земле 50 мрад/год, но с ростом высоты интенсивность облучения с каждым километром увеличивается вдвое.
Космические лучи, проходя через атмосферу, вызывают появление космогенных радионуклидов, которых насчитывается около 20. Наиболее значительные из них тритий, углерод-14, берилий-7, сера-32, натрий-22, 24. Эти радионуклиды, распадаясь, испускают бета-частицы. Наиболее опасными из них являются тритий (период полураспада 12,3 года) и углерод-14 (период полураспада – 5730 лет). Оба радионуклида непрерывно возникают и непрерывно распадаются. Существует определенное равновесие в природе и всегда имеется некоторый его запас. Смешиваясь с углеродом и водородом, тритий и углерод-14 попадают в воду, в человека, в животных, в растения и представляют определенную угрозу для жизни и здоровья человека.
Углерод-14 поступает в организм человека через желудочно-кишечный тракт и через легкие. В организме распределяется равномерно. Период биологического полувыведения из организма — около 200 суток. Он вызывает трансмутационный эффект: встраиваясь в азотистые основания нуклеиновых кислот, углерод при распаде превращается в стабильный азот-14, что вызывает изменение структуры азотистых оснований ДНК, в результате чего меняется смысл генетического кода. Эти изменения не поддаются репарации, и их доля от всех мутаций составляет около 10%.
Наша справка. С помощью углерода-14 можно определить по останкам людей или животных время их смерти. Пока человек или животное живые, то идет постоянный процесс обновления углерода. После смерти этот процесс прекращается и начинается процесс распада углерода-14. Зная начальное количество и период полураспада можно определить время, прошедшее после смерти животного или человека.
· Вклад в космическое излучение вносят и вспышки на Солнце. В этом случае происходит выброс в космическое пространство протонов с энергией до 40 МэВ, иногда энергия достигает и 100 МэВ. Однако, по сравнению с галактическим излучением эта энергия незначительна.
Человек, живущий на уровне моря, получает в среднем от космического облучения 0,315 мЗв/год, в том числе за счет внешнего облучения – 0,3 мЗв/год и за счет внутреннего облучения 0,015 мЗв/год.
Земная радиация
По мнению большинства ученых Солнечная система и планета Земля образовались в результате космического взрыва.
В начале практически все химические элементы Земли были радиоактивными, так как в ядрах атомов был избыток протонов или нейтронов. Почему так произошло науке точно неизвестно.
С тех пор на планете Земля идет процесс распада радионуклидов.
Поэтому, в любой почве, в воздухе, в воде, в живых организмах всегда имеются в незначительных количествах радионуклиды, но больше всего их в гранитах, в глиноземах, в песчаниках, в известняках. Возраст Земли 5,3 млрд. лет, поэтому на Земле сохранились только радионуклиды с большим периодом полураспада, остальные распались.
Радионуклиды земного происхождения подразделяются на радионуклиды средней части Периодической таблицы Д.И.Менделеева и на радиоактивные семейства тяжелых элементов.
Родоначальником семейства урана является уран-238 с периодом полураспада 4,5 млрд. лет.
Родоначальником семейства тория является торий-232 с периодом полураспада 10 млрд. лет.
Родоначальником семейства актиния является уран-235 с периодом полураспада 700 лет.
Конечный продукт распада всех семейств – свинец.
Во всех трех семействах один из продуктов распада – газ. В семействе урана это радон, в семействе тория – торон, в семействе актиния – актион. Последние два изотопы радона. Именно газ попадает в воздух, почву, растворяется в воде и попадает, наконец, в организм человека.
В Республике Беларусь таким газом является радон. Человек половину земной радиации получает именно от радона. Радон повсеместно выделяется из земли, воды, стройматериалов.
Анализ показывает, что в типичный дом поступает радона: из почвы – 70%, из внешнего воздуха – 13%, из стройматериа-
лов – 7%, из воды – 5–10%, из природного газа – 4%, от других источников – 2%.
Это бесцветный инертный газ, не имеющий вкуса и запаха, тяжелее воздуха примерно в 7,5 раз. Являясь альфа-излучателем, радон является причиной заболеваний раком легких, желудка и других органов. Особенно опасен радон для легких, надпочечников, гонад и костного мозга.
Следует помнить, что концентрация радона в закрытых помещениях летом выше не менее чем в 8 раз, а в зимнее время выше в 5000 раз по сравнению с минимальным фоном. Обычно концентрация радона на кухне примерно в 40 раз выше, чем в жилой ком нате. Высокое содержание радона в ванне, в спальных помещениях. Исследования в квартирах жителей г.Минска и некоторых других городов показали, что в ванной комнате объемная активность составила 8,5–9 кБк/м 3 , на кухне – 3–3,5 кБк/м 3 , в жилых помещениях 0,2 кБк/м 3 .
С геологической точки зрения около 40% территории Республики Беларусь являются потенциально радоноопасными. Исследования содержания радона в квартирах в летнее время показали, что оно по Минску и в большинстве городов составляет
30–35 Бк/м 3 , но в Дзержинском районе Минской области оно достигало 400 Бк/м 3 . Имеются требования НРБ-2000 по содержанию радиоактивности в строительных материалах.
Для ослабления воздействия радона на организм человека необходимо проветривать помещения не менее 5 часов в сутки, во время кипения воды в чайнике или другой закрытой посуде необходимо открывать на несколько секунд крышку, чтобы радон испарился из воды. Сушка белья должна быть вне помещений, а после стирки ванна должна быть хорошо проветрена. Следует помнить, что и при сжигании газа на кухне также необходимо проветривать помещение, так как из природного газа также выделяется радон. Так как, радон является альфа-излучателем и выделяется, в том числе и из стен, то их рекомендуется или красить или оклеивать обоями.
Справка.Ученые обнаружили и следующие противоречия: в зонах с высокими уровнями радиации заболеваемость раком иногда наблюдается даже меньше, чем в зонах с минимальным радиационным фоном. Одновременно в зонах с повышенным радиационным фоном рождаемость в 2 раза меньше.
· Как уже отмечалось, в средней части таблицы Менделеева находятся 12 радионуклидов с большим периодом полураспада, это: калий-40, кальций-28, церий-132, индий-115, лантан-138, рубидий-87 и другие. Однако, только калий-40 и рубидий-87 оказывают существенное влияние на здоровье человека, так как являются элементами биологической ткани.
В Республике Беларусь радионуклиды находятся, в основном, в верхнем 30-сантиметровом слое почвы. На некоторых участках, например активность калия-40 достигает 1–2 Кu/км 2 .
По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет 0,35 мЗв.
Таким образом, от естественного радиационного фона человек получает дозу: от радона – около 55%, от калия-40 – около 13%, от космических лучей – 15–16%, от других естественных источников около 15%.
Источник
