Файл: 1 Ионизирующее излучение Основные определения Ионизирующее излучение за исключением видимого света и ультрафиолетового излучения, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков.pdf

1 Ионизирующее излучение Основные определения Ионизирующее - излучение (за исключением видимого света и ультрафиолетового излучения, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц (электронов, протонов, а- частиц и т.д.), имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул при столкновении, называется непосредственно ионизирующим излучением. Ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц (нейтронов или фотонов, которые в свою очередь могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения, называется косвенно ионизирующим излучением. К фотонному ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц, тормозное гамма-излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее приуменьшении кинетической энергии заряженных частиц, и тормозное и (или) характеристическое рентгеновское излучение. К корпускулярному излучению относятся альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное излучения. Частицы корпускулярного ионизирующего излучения или фотоны принято называть ионизирующими частицами. Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением. Принято различать первичное и вторичное ионизирующее излучение. Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за начальное. Вторичное излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения сданной средой. Объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение, называют источником ионизирующего излучения. Радиоактивность - превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Нуклид - вид атомов одного элемента сданным числом протонов и нейтронов в ядре. Нуклид, обладающий радиоактивностью, называется радионуклидом. Отношение активности радионуклида в источнике к массе, объему (для объемных источников, площади поверхности (для поверхностных источников) или к длине (для линейных источников) источника называется удельной, объемной, поверхностной или линейной активностью источника соответственно. Выбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. Например, допустимую концентрацию радионуклида (объемную активность) вводе удобнее выражать в бекке-релях на литр (Бк/л), а в воздухе в беккерелях на кубический метр (Бк/м ), так как суточное потребление человеком воды определяется обычно в литрах, а воздуха - в кубических метрах. Распад радиоактивных атомов сопровождается испусканием частица, Р, Р+-частицы, конверсионные электроны) и (или) фотонов. При этом число ядерных превращений не всегда совпадает с числом испускаемых частиц и еще реже — с числом испускаемых фотонов. Активность характеризует лишь число ядерных превращений. Поэтому термины "а, или Р, или у-активность" не имеют смысла. Связать активность радионуклида с числом испускаемых корпускулярных частиц или фотонов можно, зная схему распада нуклида. Взаимодействие заряженных частиц с веществом Заряженные частицы, проходя через вещество, расходуют свою кинетическую энергию, в основном, при взаимодействии с электронами атомов вещества, их переход на возбужденный уровень или ионизацию (отрыв электрона от атома, и с кулоновским полем ядра (образование тормозного излучения. Взаимодействия заряженных частиц разделяют на упругие и неупругие. К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. При неупругом взаимодействии часть

2 кинетической энергии заряженной частицы передается образовавшимся частицам или фотонам другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их возбуждение или перестройку. К таким взаимодействиям относятся неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного излучения. При прохождении ионизирующей частицы через вещество она может испытать рассеяние, поглощение (захват, деление или пройти вещество без взаимодействия. Взаимодействие фотонов с веществом В диапазоне энергий фотонов 2° кэВ < Е < 1 ° МэВ может наблюдаться более десяти различных типов взаимодействия фотонов с веществом. Для защиты от фотонного излучения радионуклидных и реакторных источников главным образом используют фотоэффект, комп-тон- эффект и эффект образования электронно-позитронных пар. При фотоэффекте фотон поглощается атомом, передает свою энергию одному из орбитальных электронов и выбивает его из атома. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом энергии связи электрона в атоме. Поэтому наибольший вклад в этот процесс вносят электроны К-оболочки при условии, что энергия фотона равна или больше энергии Е
к связи электрона на этой оболочке. Если энергия фотона ЕЕ кто фотоэффект может произойти на любой другой оболочке с энергией связи электрона, меньшей Е
к
. Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной оболочке может быть занято электроном с более высокой оболочки. Процесс сопровождается вторичным фотонным характеристическим излучением. Образованные электрон и позитрон производят ионизацию среды, частично их энергия тратится на образование тормозного излучения. Замедлившись, позитрон рекомбинирует с одним из свободных электронов среды, образуя вторичное аннигиляционное излучение с выходом двух фотонов с энергией 0,511 МэВ каждый. Возможна также аннигиляция позитронов в полете. Взаимодействие нейтронов с веществом Не имея электрического заряда, нейтрон не взаимодействует с электрическим полем заряженных частиц и ядер атомов и может пройти значительные расстояния в веществе до столкновения с ядром. Условно принято следующее разбиение нейтронов по энергиям
1. Медленные, Е < 1 кэВ. В эту группу входят тепловые (5 • 10" эВ < Е < °,5 эВ, надтепловые (°,5 эВ < Е < 1 кэВ.
2. Промежуточные, 1 кэВ Е <0,2 МэВ.
3. Быстрые, 0,2 Е 2° МэВ.
4. Сверхбыстрые, Е" 2° МэВ. В поле ядра атома нейтроны в зависимости от их энергии могут испытывать различные типы взаимодействия упругое и неупругое рассеяния, радиационный захват с испусканием фотона, захват с испусканием заряженных частиц и деление ядер. Упругое рассеяние. В этом случае нейтрон рассеивается ядром, изменяет направление движения, теряя часть своей энергии. Полная кинетическая энергия системы нейтрон-ядро остается неизменной. Упругое рассеяние играет большую роль в ослаблении потока быстрых нейтронов, в особенности водородсодержащих средах. Так как массы протона и нейтрона практически одинаковы, то при столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем теряет половину своей энергии. Ослабление быстрых нейтронов в водороде (водородсодержащей среде) приводит к постепенному переходу в область тепловых энергий и поглощению ядрами водорода. В других веществах нейтроны с энергией приблизительно до 1 МэВ преимущественно испытывают упругие рассеяния. Неупругое рассеяние может произойти, если энергия падающего нейтрона Е
0
превысит энергию Е первого возбужденного состояния ядра-мишени. После неупругого рассеяния энергия возбужденного ядра-мишени снимается путем испускания одного или нескольких фотонов, спектр которых определяется структурой энергетических уровней возбужденного ядра. Энергия нейтронов уменьшается. Поглощение нейтронов относится к классу неупругих взаимодействий и для большинства элементов происходит в области малых энергий нейтронов. После поглощения захвата) нейтрона ядро находится в возбужденном состоянии, переход из которого в нормальное

3 состояние сопровождается испусканием одного или нескольких фотонов. Подавляющее большинство нейтронов поглощается в тепловой области энергий, хотя этот эффект может наблюдаться в промежуточной ив резонансной областях энергии. Фотонное излучение, возникающее при радиационном захвате, имеет весьма высокую энергию (6—8 МэВ) и часто играет определяющую роль в формировании поля излучения за защитой. К числу неупругих взаимодействий нейтронов с ядрами относятся также реакции с образованием заряженных частиц пр, паи др.
Дозовые характеристики излучения Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения. Поглощенная доза ионизирующего излучения D - отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе От вещества в этом объеме
D = dW/drn Вместо термина "поглощенная доза излучения" используют краткую форму доза излучения. Единица поглощенной дозы в СИ - грей (Гр, равна поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия, равная 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. Рад равен поглощенной дозе, при которой веществу массой 1 г передается энергия ионизирующего излучения, равная 0,01 Дж.
1 рад = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр. Для оценки воздействия фотонного излучения с энергией до 3 МэВ было введено понятие экспозиционной дозы X, основанной на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе
X= dQ/drn , где dQ суммарный заряд всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе dm воздуха в указанном объеме Единица экспозиционной дозы в СИ - кулон на килограмм (Кл/кг) - экспозиционная доза, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1 кг, производят ионы, несущие суммарный электрический заряд каждого знака равный 1 Кл. До последнего времени использовалась внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р) ( 1 Р = 2,58- 1 °
-4
Кл/кг (точно. Экспозиционная доза не учитывает ионизацию, обусловленную тормозным излучением электронов и позитронов этой величиной для воздуха обычно можно пренебречь из-за ее малости. В условиях равновесия заряженных частиц экспозиционной дозе в 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,9 Гр в биологической ткани, внесистемной единице
1 Р соответствует поглощенная доза °,873 рад в воздухе или °,95 рад в биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в ткани в радах можно считать совпадающими. При одинаковой поглощенной дозе для разных видов излучения биологический эффект оказывается различным (например, а-излучение гораздо опаснее Р- или фотонного излучения. Для сравнения биологических эффектов, производимых одинаковой поглощенной дозой различных видов излучения, используют понятие относительной биологической эффективности излучения (ОБЭ). Под ОБЭ излучения понимают отношение поглощенной дозы образцового рентгеновского излучения, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе рассматриваемого вида излучения, вызывающего тот же биологический эффект.
ОБЭ излучения зависит от многих параметров, но, главным образом от дозы. Единица эквивалентной дозы в СИ - зиверт (Зв), равная эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно 1 Дж/кг. Иными словами, зиверт — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект,

4 как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского или у-излучения. В качестве образцового обычно принимают рентгеновское излучение с граничной энергией 2°° кэВ. Внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рада, равная эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно °, 1 Дж/г. Иными словами, бэр — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 рад образцового рентгеновского или у-излучения ( 1 бэр =°,° 1 Зв). Заметим, что безразмерная единица коэффициента качества в СИ — зиверт нагрей, во внесистемных единицах — бэр на рад. Разные органы или ткани имеют разную чувствительность к излучению. Известно, например, что при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение гонад (половые железы) особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому в последние годы для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной эквивалентной дозы Н
Е
Для определения этой величины необходимо ввести понятие риска. Риск — вероятность возникновения неблагоприятных последствий для человека (частота смертельных случаев, снижение продолжительности жизни, частота возникновения профессиональных заболеваний, травматизма, нетрудоспособности и т.д.) вследствие облучения, аварии или другой причины, проявление которой носит стохастический характер. Таблица 2.5 Взвешивающие факторы = и риск смерти R от злокачественных опухолей и наследственных дефектов в результате облучения на 1 человека при эквивалентной дозе 1 в Орган или ткань Заболевание
R*
2
, Ю 1/(чел-Зв) w i Гонады Наследственные дефекты
*
1 0,40 0,25 Молочная железа Рак
0,25 0,15 Красный костный мозг Лейкемия
0,20 0,12 Легкие Рак
0,20 0,12 Щитовидная железа Рак
0,05 0,03 Поверхность кости Злокачественные новообразования Все другие органы Тоже
0,30„
3 Всего
1,65 1,00 Из них злокачественные опухоли
1,25 Приведенные значения риска смерти R для задач радиационной безопасности следует рассматривать как ориентировочные. В действительности они зависят от многих факторов возраста, пола и т.д. Это значение распределяется поровну между пятью оставшимися органами и тканями, которые получили самую высокую эквивалентную дозу. При равномерном облучении всего организма эквивалентная доза в каждом органе или ткани одна и та же.
Таким образом, эффективная эквивалентная доза при неравномерном по органами тканям облучении равна такой эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при которой риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и приданном неравномерном облучении. Единицы эффективной эквивалентной дозы совпадают с единицами эквивалентной дозы. Эквивалентная доза или эффективная эквивалентная доза характеризует меру ожидаемого эффекта облучения для одного индивидуума. Эти величины являются индивидуальными дозами.