Гамма-излучение: понятие, источники, применение и способы защиты. Большая энциклопедия нефти и газа

Слово радиация, в переводе с английского "radiation" означает излучение и применяется не только в отношении радиоактивности, но целого ряда других физических явлений, например: солнечная радиация, тепловая радиация и др. Поэтому в отношении радиоактивности следует применять принятое МКРЗ (Международной комиссией по радиационной защите) и Нормами радиационной безопасности понятие "ионизирующее излучение".

ионизирующее излучение ( ИОНИЗИРУЮЩАЯ РАДИАЦИЯ )?

Ионизирующее излучение - излучение (электромагнитное, корпускулярное), которое при взаимодействии с веществом непосредственно или косвенно вызывает ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Энергия ионизирующего излучения достаточно велика, чтобы при взаимодействии с веществом, создать пару ионов разных знаков, т.е. ионизировать ту среду в которую попали эти частицы или гамма кванты.

Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны.

Что такое радиоактивность?

Радиоактивность - самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности:

• альфа-распад - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица;
• бета-распад - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бета-частицы, т.е электроны или позитроны;
• спонтанное деление атомных ядер - самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния, плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 1020 для Тория-232;
• протонная радиоактивность - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны).

Что такое изотопы?

Изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый электрический заряд атомных ядер и потому занимающие в периодической системе элементов Д.И. Менделеева одинаковое место. Например: 55Cs131, 55Cs134m, 55Cs134, 55Cs135, 55Cs136, 55Cs137. Различают изотопы устойчивые (стабильные) и неустойчивые - самопроизвольно распадающиеся путем радиоактивного распада, так называемые радиоактивные изотопы. Известно около 250 стабильных, и около 50 естественных радиоактивных изотопов. Примером устойчивого изотопа может служить Pb206, Pb208 являющийся конечным продуктом распада радиоактивных элементов U235, U238 и Th232.

ПРИБОРЫ ДЛЯ измерения радиации и радиоактивности.

Для измерения уровней радиации и содержания радионуклидов на различных объектах используются специальные средства измерения:

• для измерения мощности экспозиционной дозы гамма излучения, рентгеновского излучения, плотности потока альфа и бета-излучения, нейтронов, используются дозиметры различного назначения;
• для определения вида радионуклида и его содержания в объектах окружающей среды используются спектрометрические тракты, состоящие из детектора излучения, анализатора и персонального компьютера с соответствующей программой для обработки спектра излучения.

В настоящее время в магазинах можно купить различные виды измерителей радиации различного типа, назначения, и обладающие широкими возможностями. Для примера приведём несколько моделей приборов, которые наиболее популярные в профессиональной и бытовой деятельности:

Профессиональный дозиметр-радиометр, был разработан для радиационного контроля денежных купюр операционистами банков, в целях исполнения "Инструкция Банка России от 04.12.2007 N 131-И "О порядке выявления, временного хранения, гашения и уничтожения денежных знаков с радиоактивным загрязнением"".

Лучший бытовой дозиметр от ведущего производителя, данный портативный измеритель радиации зарекомендовал себя временем. Благодаря простому использованию, небольшому размеру и низкой цене, пользователи назвали его народным, рекомендуют его друзьям и знакомым, не боясь за рекомендацию.

СРП-88Н (сцинтилляционный радиометр поиска) - профессиональный радиометр предназначен для поиска и обнаружения источников фотонного излучения. Имеет цифровой и стрелочный индикаторы, возможность установки порога срабатывания звукового сигнализатора, что значительно облегчает работу при обследовании территорий, проверки металлолома др. Блок детектирования выносной. В качестве детектора используется сцинтилляционный кристалл NaI. Автономный источник питания 4 элемента Ф-343.

ДБГ-06Т - предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) фотонного излучения. Источник питания гальванический элемент типа «Корунд».

ДРГ-01Т1 - предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) фотонного излучения.

ДБГ-01Н - предназначен для обнаружения радиоактивного загрязнения и оценки с помощью звукового сигнализатора уровня мощности эквивалентной дозы фотонного излучения. Источник питания гальванический элемент типа «Корунд». Диапазон измерения от 0.1 мЗв*ч-1 до 999.9 мЗв*ч-1

РКС-20.03 «Припять» - предназначен для контроля радиационной обстановки в местах проживания, пребывания и работы.

Дозиметры позволяют измерять:

• величину внешнего гамма-фона;
• уровни загрязнения радиоактивными веществами жилых и общественных помещений, территории, различных поверхностей
• суммарное содержание радиоактивных веществ (без определения изотопного состава) в продуктах питания и других объектах внешней среды (жидких и сыпучих)
• уровни загрязнения радиоактивными веществами жилых и общественных помещений, территории, различных поверхностей;
• суммарное содержание радиоактивных веществ (без определения изотопного состава) в продуктах питания и других объектах внешней среды (жидких и сыпучих).

Как выбрать измеритель радиации и другие приборы для измерения радиации вы можете прочитать в статье "Бытовой дозиметр и индикатор радиоактивности. как выбрать? "

Какие виды ионизирующего излучения существуют?

Виды ионизирующего излучения. Основными видами ионизирующего излучения, с которыми нам чаще всего приходится сталкиваться являются:

Конечно существуют и другие виды излучения (нейтронное), но с ними мы сталкиваемся в повседневной жизни значительно реже. Различие этих видов излучения заключается в их физических характеристиках, в происхождении, в свойствах, в радиотоксичности и поражающем действии на биологические ткани.

Источники радиоактивности могут быть природными или искусственными. Природные источники ионизирующего излучения это естественные радиоактивные элементы находящиеся в земной коре и создающие природный радиационный фон, это ионизирующее излучение приходящее к нам из космоса. Чем больше активность источника (т.е. чем больше в нем распадается атомов за единицу времени), тем больше он испускает за единицу времени частиц или фотонов.

Искусственные источники радиоактивности могут содержать радиоактивные вещества полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. В качестве искусственных источников ионизирующего излучения могут быть и различные электровакуумные физические приборы, ускорители заряженных частиц и др. Например: кинескоп телевизора, рентгеновская трубка, кенотрон и др.

Основными поставщиками радия-226 в окружающую природную среду являются предприятия занимающиеся добычей и переработкой различных ископаемых материалов:

• добыча и переработка урановых руд;
• добыча нефти и газа; угольная промышленность;
• промышленность строительных материалов;
• предприятия энергетической промышленности и др.

Радий-226 хорошо поддается выщелачиванию из минералов содержащих уран, этим его свойством объясняется наличие значительных количеств радия в некоторых видах подземных вод (радоновых применяемых в медицинской практике), в шахтных водах. Диапазон содержания радия в подземных водах колеблется от единиц до десятков тысяч Бк/л. Содержание радия в поверхностных природных водах значительно ниже и может составлять от 0.001 до 1-2 Бк/л. Существенной составляющей природной радиоактивности является продукт распада радия-226- радий-222 (Радон). Радон - инертный, радиоактивный газ, наиболее долгоживущий (период полураспада 3.82 дня) изотоп эманации *, альфа-излучатель. Он в 7.5 раза тяжелее воздуха, поэтому преимущественно накапливается погребах, подвалах, цокольных этажах зданий, в шахтных горных выработках, и т.д. * - эманирование- свойство веществ содержащих изотопы радия (Ra226, Ra224, Ra223), выделять образующиеся при радиоактивном распаде эманацию(радиоактивные инертные газы).

Считается, что до 70% вредного воздействия на население связано с радоном в жилых зданиях (см. диаграмму). Основным источником поступления радона в жилые здания являются (по мере возрастания значимости):

• водопроводная вода и бытовой газ;
• строительные материалы (щебень, глина, шлаки, золошлаки и др.);
• почва под зданиями.

Распространяется радон в недрах Земли крайне не равномерно. Характерно его накопление в тектонических нарушениях, куда он поступает по системам трещин из пор и микротрещин пород. В поры и трещины он поступает за счет процесса эманирования, образуясь в веществе горных пород при распаде радия-226.

Радоновыделение почвы определяется радиоактивностью горных пород, их эманированием и коллекторными свойствами. Так, сравнительно слаборадиоактивные породы, оснований зданий и сооружений могут, представлять большую опасность, чем более радиоактивные, если они характеризуются высоким эманированием, или рассечены тектоническими нарушениями, накапливающими радон. При своеобразном «дыхании» Земли, радон поступает из горных пород в атмосферу. Причем в наибольших количествах - из участков на которых имеются коллекторы радона (сдвиги, трещины, разломы и др.), т.е. геологические нарушения. Собственные наблюдения за радиационной обстановкой в угольных шахтах Донбасса показали, что в шахтах, характеризующихся сложными горно-геологическими условиями (наличие множественных разломов и трещин в угле вмещающих породах, высокая обводненность и др.) как правило, концентрация радона в воздухе горных выработок значительно превышает установленные нормативы.

Возведение жилых и общественно-хозяйственных сооружений непосредственно над разломами и трещинами горных пород, без предварительного определения радоновыделения из почвы, приводит к тому, что в них из недр Земли поступает грунтовый воздух, содержащий высокие концентрации радона, который накапливается в воздухе помещений и создает радиационную опасность.

Техногенная радиоактивность возникает в результате деятельности человека в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование радионуклидов. К техногенной радиоактивности относится добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание каменного угля и углеводородов, накопление промышленных отходов и многое другое. Уровни воздействия на человека различных техногенных факторов иллюстрирует представленная диаграмма 2 (А.Г. Зеленков "Сравнительное воздействие на человека различных источников радиации", 1990 г.)

Что такое "черные пески" и какую опасность они представляют?

Черные пески представляют собой минерал монацит - безводный фосфат элементов ториевой группы, главным образом церия и лантана (Ce, La)PO4, которые замещаются торием. Монацит содержит до 50-60% окисей редкоземельных элементов: окиси иттрия Y2O3 до 5%, окиси тория ThO2 до 5-10%, иногда до 28%. Удельный вес монацита составляет 4.9-5.5. С повышением содержания тория уд. вес возрастает. Встречается в пегматитах, иногда в гранитах и гнейсах. При разрушении горных пород включающих монацит, он накапливается в россыпях, которые представляют собой крупные месторождения.

Такие месторождения наблюдаются и на юге Донецкой области.

Россыпи монацитовых песков находящиеся на суше, как правило не вносят существенного изменения в сложившуюся радиационную обстановку. А вот месторождения монацита находящиеся у прибрежной полосы Азовского моря (в пределах Донецкой области) создают ряд проблем особенно с наступлением купального сезона.

Дело в том, что в результате морского прибоя за осенне-весенний период на побережье, в результате естественной флотации, скапливается значительное количество "черного песка", характеризующегося высоким содержанием тория-232 (до 15-20 тыс. Бк*кг-1 и более), который создает на локальных участках уровни гамма-излучения порядка 300 и более мкР*час-1. Естественно, отдыхать на таких участках рискованно, поэтому, ежегодно проводится сбор этого песка, выставляются предупреждающие знаки, закрываются отдельные участки побережья. Но все это не позволяет предотвратить нового накопления "черного песка".

Позволю высказать по этому поводу личную точку зрения. Причиной, способствующей выносу "черного песка" на побережье, возможно является тот факт, что на фарватере Мариупольского морского порта постоянно работают земснаряды по расчистке судоходного канала. Грунт, поднятый со дна канала, сваливается западнее судоходного канала, в 1-3 км от побережья (см. карту размещения мест свалки грунта), и при сильном волнении моря, с накатом на прибрежную полосу, грунт содержащий монацитовый песок выносится на побережье, где обогащается и накапливается. Однако все это требует тщательной проверки и изучения. И если это как, то снизить накопление "черного песка" на побережье, возможно, удалось бы просто переносом места свалки грунта в другое место.

Основные правила выполнения дозиметрических измерений.

При проведении дозиметрических измерений, прежде всего, необходимо строго придерживаться рекомендаций изложенных в технической документации на прибор.

При измерении мощности экспозиционной дозы гамма-излучения или эквивалентной дозы гамма-излучения необходимо соблюдать следующие правила:

• при проведении любых дозиметрических измерений, если предполагается их постоянное проведения с целью наблюдения за радиационной обстановкой, необходимо строго соблюдать геометрию измерения;
• для повышения достоверности результатов дозиметрического контроля проводится несколько измерений (но не менее 3-х), и вычисляется среднее арифметическое;
• при выполнении измерений на территории выбирают участки вдали от зданий и сооружений (2-3 высоты); -измерения на территории проводят на двух уровнях, на высоте 0.1 и 1.0 м от поверхности грунта;
• при измерении в жилых и общественных помещениях, измерения проводятся в центре помещения на высоте 1.0 м от пола.

При измерении уровней загрязнения радионуклидами различных поверхностей необходимо выносной датчик или прибор в целом, если выносного датчика нет, поместить в полиэтиленовый пакет (для предотвращения возможного загрязнения), и проводить измерение на максимально возможно близком расстоянии от измеряемой поверхности.

Cтраница 1

Поток гамма-излучения после прохождения через контролируемый объект и пленку попадает на рабочий блок детектирования, где преобразуется в статистически распределенные электрические импульсы. Средняя скорость поступления импульсов с выхода датчика пропорциональна мощности экспозиционной дозы. Плотность почернения пленки определяется экспозиционной дозой, следовательно, необходимое время просвечивания, при котором обеспечивается оптимальная плотность почернения пленки, можно задавать числом импульсов.  

Плотность возникает, когда поток гамма-излучения взаимодействует с материей.  

Источниками ионизирующих излучений при ядерном взрыве являются потоки гамма-излучений и нейтронов, оказывающие поражающее воздействие в районе взрыва в течение 10 - 15 секунд с момента взрыва, а также гамма-кванты, альфа - и бета-частицы радиоактивных веществ - осколков деления вещества ядерного заряда, выпадающих в районе взрыва и по пути движения образующегося радиоактивного облака и заражающих территорию на десятки и сотни километров. Степень поражения определяется дозой ионизирующего облучения - количеством энергии, поглощенной 1 см3 среды.  

Радиационные сигнализаторы уровня действуют по принципу зависимости интенсивности потока гамма-излучения от плотности контролируемой среды. Источник и приемник радиоактивного излучения устанавливают на заданном уровне на противоположных сторонах контролируемой емкости. Увеличение или уменьшение потока гамма-лучей вызывает срабатывание исполнительного реле.  

Принцип работы гамма-реле состоит в том, что интенсивность потока гамма-излучения, попадающего на преобразовательный элемент, зависит от плотности среды, через которую он проникает. Приемная станция и блок источника гамма-излучения устанавливаются на противоположных сторонах измеряемой емкости на контролируемых уровнях.  

Экспериментальная проверка рассмотренной выше методики была осуществлена как для случая модуляции потоков гамма-излучения, так и для случая модуляции световых потоков.  

Итак, приблизительно 1 / 4 (1 / 2 1 / 2) всей светимости будет наблюдаться в виде обильного потока гамма-излучения, а остальное - в виде мягкого рентгена.  

Блоки источника излучения КО, К1, К2 и КЗ предназначены для формирования направленного потока гамма-излучения, а также для защиты персонала от потоков гамма-излучения, действующих в других направлениях.  

Действие приборов основано на преобразовании датчиком потока гамма-излучений, поступающего от блока источника, в электрический сигнал, передаваемый по кабелю в электронно-релейный блок, для срабатывания реле. Интенсивность потока гамма-излучения, попадающего на датчик, зависит от плотности среды, через которую он проникает.  

Принцип работы гамма-реле состоит в том, что интенсивность потока гамма-излучения, попадающего на датчик, зависит от плотности среды, через которую он проникает. Датчик преобразует поток гамма-излучения в электрический сигнал, усиливает и передает его по кабелю в электронно-релейный блок, где осуществляется его дальнейшее преобразование в показывающий результат.  

Это самый широкий диапазон электромагнитного спектра, поскольку он не ограничен со стороны высоких энергий. Мягкое гамма-излучение образуется при энергетических переходах внутри атомных ядер, более жесткое - при ядерных реакциях. Гамма-кванты легко разрушают молекулы, в том числе биологические, но, к счастью, не проходят через атмосферу. Наблюдать их можно только из космоса.

Гамма-кванты сверхвысоких энергий рождаются при столкновении заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов или земных ускорителей элементарных частиц. В атмосфере они крушат ядра атомов, порождая каскады частиц, летящих с околосветовой скоростью. При торможении эти частицы испускают свет, который наблюдают специальными телескопами на Земле.

При энергии свыше 10 14 эВ лавины частиц прорываются до поверхности Земли. Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. Где и как образуются гамма-лучи ультравысоких энергий, пока не вполне ясно. Земным технологиям такие энергии недоступны. Самые энергичные кванты - 10 20 –10 21 эВ , приходят из космоса крайне редко - примерно один квант в 100 лет на квадратный километр.

Источники

Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS . Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых служат источниками космических лучей - энергичных заряженных частиц, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение (см. ). Ускорение частиц, по всей видимости, обеспечивается мощным электромагнитным полем компактного объекта - нейтронной звезды, которая образуется на месте взорвавшейся сверхновой.

Столкновения энергичных заряженных частиц космических лучей с ядрами атомов межзвездной среды порождают каскады других частиц, а также гамма-квантов. Этот процесс аналогичен каскадам частиц в земной атмосфере, которые возникают под воздействием космических лучей (см. ). Происхождение космических лучей с самыми высокими энергиями еще изучается, но уже есть данные, что они могут генерироваться в остатках сверхновых звезд .

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (рис. художника )

В ходе эволюции крупных галактик в их центрах образуются сверхмассивные черные дыры, массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Они растут за счет аккреции (падения) межзвездного вещества и даже целых звезд на черную дыру.

При интенсивной аккреции вокруг черной дыры образуется быстро вращающийся диск (из-за сохранения момента вращения падающего на дыру вещества). Из-за вязкого трения слоев, вращающихся с разной скоростью, он всё время разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.

Часть вещества при аккреции может выбрасываться в виде струй (джетов) вдоль оси вращающегося диска. Этот механизм обеспечивает активность ядер галактик и квазаров. В ядре нашей Галактики (Млечного Пути) также располагается черная дыра. В настоящее время ее активность минимальна, однако по некоторым признакам около 300 лет назад она была значительно выше.

Приемники

Расположен в Намибии, состоит из 4 параболических тарелок диаметром 12 метров, размещенных на площадке размером 250 метров. На каждой из них закреплено 382 круглых зеркала диаметром 60 см , которые концентрируют тормозное излучение, возникающее при движении энергичных частиц в атмосфере (см. схему телескопа).

Телескоп начал работать в 2002 году. Он в равной мере может использоваться для регистрации энергичных гамма-квантов и заряженных частиц - космических лучей. Одним из главных его результатов стало прямое подтверждение давнего предположения о том, что остатки вспышек сверхновых звезд являются источниками космических лучей.

Когда энергичный гамма-квант входит в атмосферу, он сталкивается с ядром одного из атомов и разрушает его. При этом порождается несколько обломков атомного ядра и гамма-квантов меньшей энергии, которые по закону сохранения импульса движутся почти в том же направлении, что и исходный гамма-квант. Эти обломки и кванты вскоре сталкиваются с другими ядрами, образуя в атмосфере лавину частиц.

Большинство этих частиц имеет скорость, превышающую скорость света в воздухе. Вследствие этого частицы испускают тормозное излучение , которое достигает поверхности Земли и может регистрироваться оптическими и ультрафиолетовыми телескопами. Фактически сама земная атмосфера служит элементом гамма-телескопа. Для гамма-квантов сверхвысоких энергий расходимость пучка, достигающего поверхности Земли, составляет около 1 градуса. Этим определяется разрешающая способность телескопа.

При еще более высокой энергии гамма-квантов до поверхности доходит сама лавина частиц - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. В Аргентине сейчас строится обсерватория имени Пьера Оже (в честь первооткрывателя ШАЛ) для наблюдения гамма-излучения и космических лучей ультравысоких энергий. Он будет включать несколько тысяч цистерн с дистиллированной водой. Установленные в них ФЭУ будут следить за вспышками, происходящими в воде под воздействием энергичных частиц ШАЛ.

Орбитальная обсерватория, работающая в диапазоне от жесткого рентгена до мягкого гамма-излучения (от 15 кэВ до 10 МэВ ), была выведена на орбиту с космодрома Байконур в 2002 году. Обсерватория построена Европейским космическим агентством (ESA) при участии России и США. В конструкции станции использована такая же платформа, как и в ранее запущенной (1999) европейской рентгеновской обсерватории XMM-Newton.

Электронное устройство для измерения слабых потоков видимого и ультрафиолетового излучения. ФЭУ представляет собой электронную лампу с фотокатодом и набором электродов, к которым приложено последовательно возрастающее напряжение с суммарным перепадом до нескольких киловольт.

Кванты излучения падают на фотокатод и выбивают из него электроны, которые движутся к первому электроду, образуя слабый фотоэлектрический ток. Однако по пути электроны ускоряются приложенным напряжением и выбивают из электрода значительно большее число электронов. Так повторяется несколько раз - по числу электродов. В итоге поток электронов, пришедший от последнего электрода к аноду, увеличивается на несколько порядков по сравнению с первоначальным фотоэлектрическим током. Это позволяет регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных квантов.

Важная особенность ФЭУ - быстрота срабатывания. Это позволяет использовать их для регистрации скоротечных явлений, таких как вспышки, возникающие в сцинтилляторе при поглощении энергичной заряженной частицы или кванта.

Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Цель работы

Работа имеет целью практическое обучение методике определения энергии гамма-квантов по ослаблению узкого пучка излучения в веществе путем экспериментального измерения величины массового коэффициента ослабления.

Введение

1. Общие понятия

Гамма-излучение – это фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, ядерных превращениях и при аннигиляции частиц. Гамма-излучение является электромагнитным косвенно ионизирующим излучением. Энергия гамма-квантов, испускаемых радионуклидами, заключена в пределах от 0,01 МэВ до 10 МэВ. Большинство радионуклидов дают гамма-излучение сложного энергетического спектра. Некоторые ядра (их немного) испускают моноэнергетически гамма-излучения.

Для радионуклидов со сложным спектром гамма-излучения в эксперименте может быть определена эффективная энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и у рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.

Характеристиками гамма-излучения являются поток гамма-квантов и плотность потока.

Под потоком гамма-квантов понимают отношение числа квантов dN γ , проникающих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу

Плотность потока гамма-квантов – это отношение потока dФ γ , проникающего в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS

Аналогичными характеристиками, учитывающими энергию гамма-квантов, является поток энергии и плотность потока энергии гамма-излучения.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом осуществляется в основном за счет трех элементарных процессов: фотоэлектрического эффекта, некогерентного рассеяния (эффект Комптона) и образования электронно-позитронных пар (пар-эффекта). При малых энергиях гамма-квантов определенный вклад дает также когерентное рассеяние на электронах.

Вероятность взаимодействия гамма-квантов с веществом характеризуется массовым коэффициентом ослабления. Под ним понимается отношение доли косвенно ионизирующих частиц данной энергии, претерпевших взаимодействие при прохождении элементарного путиdl в среде с плотностью ρ к длине этого пути и к плотности среды

Для фотонного излучения массовый коэффициент ослабления равен сумме массовых коэффициентов ослабления, обусловленных фотоэффектом, некогерентным рассеянием, когерентным рассеянием и образованием электронно-позитронных пар. При этом для гамма-излучения когерентное рассеяние, как правило, не учитывается:

Как видно из приведенного определения, по физическому смыслу массовый коэффициент ослабления – это вероятность для гамма-квантов провзаимодействовать с веществом при единичной массовой толщине мишени.

В расчетах по защите от излучения часто используют линейный коэффициент ослабления гамма-излучения μ, получающийся умножением массового коэффициента ослабления на плотность ρ. По физическому смыслу линейный коэффициент ослабления – это вероятность взаимодействия гамма-кванта с веществом на пути единичной длины. Единицы измерения и μ в системе СИ соответственно м 2 /кг и м -1 .

Величина коэффициентов ослабления сложным образом зависит от энергии гамма-квантов и от материала защиты. Эти зависимости приводятся в справочнике в виде таблиц или графиков (см. приложение 3, рис. 3-6).

Аналитическое выражение для описания ослабления гамма-излучения защитой можно получить для узкого пучка моноэнергетического гамма-излучения. В этом случае в результате любого акта взаимодействия гамма-квант выбывает из пучка. Следовательно, число выбывших из пучка фотонов dN пропорционально пройденной толщине вещества dx и числу падающих фотонов N, т.е.

Для моноэнергетического излучения μ постоянно, и интегрирование полученного выражения дает

Если разделить обе части этого выражения на площадь мишени и время облучения, то получится выражение для плотности потока гамма-квантов

где φ γ0 и φ γ – плотность потока гамма-квантов перед поглотителем и после поглотителя толщиной d.

График зависимости lgφ=f(d) имеет вид, приведенный на рис. 4.1.

Экспериментально построенный график служит для определения значения линейного коэффициента ослабления μ, а затем по справочному графику μ=f(E) – для определения энергии гамма-излучения. Значение μ из графика определяют либо по толщине слоя половинного ослабления d 1/2

либо по тангенсу угла наклона α

При проведении работы измеряют не плотность потока φ γ непосредственно, а пропорционально ему скорость счета импульсов n.

1.2. Описание лабораторной установки

Блок-схема лабораторной установки показана на рис. 4.2. Источниками излучения служат препараты 60 Со или 137 Сs активностью около 10 мКu. Источник помещается в свинцовую защиту, из которой выходит направленный пучок гамма-квантов, проходящий на пути к детектору через поглотитель. Второй коллиматор служит для поглощения гамма-квантов, рассеянных в поглотителе, иначе значение коэффициента ослабления гамма-излучения окажется заниженным.

Измерения выполняются на лабораторной установке, разработанной на основе радиометра КРВП-3Б.

Выполнение лабораторной работы

2.1. Подготовка к работе и производство измерений

Получить у лаборанта источник излучения и набор пластин поглотителя.

Собрать лабораторную установку в соответствии с приведенной на рис. 4.2. блок-схемой. Обратить особое внимание на соосность коллиматоров. Для этого перед установкой источника в коллиматор произвести «прицеливание» путем наблюдения через второй коллиматор. Источник излучения устанавливать после измерения фона в лаборатории.

Подготовить к работе радиометр КРВП-3Б. Обсчитать фон в течение пяти минут.

Установить источник излучения, измерить скорость счета без поглотителя. Затем установить поочередно одну, две, три и т.д. пластины поглотителя, каждый раз измеряя их толщину и скорость счета от проходящего сквозь них пучка гамма-излучения. Время измерения скорости счета выбирать, исходя из 5% точности измерения.

Измерения выполнять до уменьшения скорости счета в 8-10 раз. Результаты измерений и последующих расчетов занести в таблицу отчета.

По результатам измерений построить график lg n=f(d), по графику определить коэффициент ослабления гамма-излучения и по нему – энергию гамма-квантов.

2.2. Оформление отчета по лабораторной работе

До начала работы необходимо на специальном бланке отчета составить краткое описание работы и заготовить таблицу для записи результатов измерений. Подготовить оси координат для нанесения графика зависимости lg n=f(d).

Таблица 4.1 Результаты измерений

N ф = импульсов за t = минут

n ф = имп/мин. Материал поглотителя

По результатам измерений построить график зависимости lgn=f(d), по которому определить величину μ. По графикам (см. приложение, рис. 3, 4, 5, 6) определить энергию γ-квантов. Полученное значение энергии γ-квантов сравнить с табличными значениями (см. приложение 2, табл. 6) и определить погрешность измерения.

3. Техника безопасности

Перед началом работы каждому исполнителю необходимо получить у лаборанта дозиметр для измерения дозы облучения. Источники γ-излучения брать только пинцетом. После укладки источника в коллиматор закрыть обратную сторону коллиматора свинцовой защитой.

В процессе выполнения работы необходимо принимать меры для уменьшения дозы облучения, помня при этом, что доза облучения от точечного источника пропорциональна времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Дозы облучения после работы измеряет лаборант, докладывает преподавателю и заносит в журнал учета доз. Так как в электрической схеме установки имеется опасное напряжение (400 В), вскрывать электрическую схему ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

Контрольные вопросы

С каким видом излучения выполняется работа?

Что такое гамма-излучение?

Каков спектр гамма-излучения?

Какие процессы определяют ослабление гамма-излучения в веществе?

Что такое поток гамма-излучения?

Что такое плотность потока гамма-излучения?

Что такое массовый коэффициент ослабления гамма-излучения?

Каков физический смысл линейного коэффициента ослабления гамма-излучения?

Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения в свинце равен 0,5 см -1 . Чему равна энергия гамма-квантов?

Слой половинного ослабления гамма-излучения в свинце равен 1,4 см. Чему равна энергия гамма-квантов?

Массовый коэффициент ослабления гамма-излучения в свинце равен 0,02 м 2 /кг. Чему равна энергия гамма-квантов?

Какая математическая зависимость описывает ослабление гамма-излучения в веществе?

Какие условия должны соблюдаться, чтобы ослабление гамма-излучения в веществе описывалось экспонентой?

Какой вид имеет график зависимости lgφ γ =f(d)?

Как по графику lgφ γ =f(d) определить энергию гамма-излучения?

Для чего нужны коллиматоры в данной работе?

Каковы пути уменьшения дозы облучения от точечного источника гамма-излучения?

Как измениться доза облучения пальцев рук, если вместо пинцета (R=25см) источник брать руками (R=0,5см)?

Чем обеспечивается необходимая точность измерений в данной работе?

Какой радионуклид исследовался в данной работе?

Какова энергия гамма-излучения у радионуклида в данной работе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5