ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИЛекция 1. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ презентация

Носовский Анатолий Владимирович д-р. техн. наук, проф.

Лекция 1

Основные понятия. Единицы измерения

Биологическое действие излучения

Основы нормирования излучений

Защита от ионизирующих излучений

Методы регистрации излучений

Приборы радиационного контроля

Лекция 2

Лекция 3

Лекция 4

Лекции 6, 7

Лекция 8

Лекция 9,10

Лекции 11,12

Радиационная защита при авариях

Содержание курса

Основные дозовые пределы

Лекция 5

С 1500 г. – добыча урановой руды в Чехословакии и Германии.

В 1896 г. Анри Беккерель открыл, что эта руда может засвечивать фотопленку. Мария и Пьер Кюри установили, что излучение испускают не только уран, но и торий.

Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а элементы, испускающие это излучение, – радиоактивными.

В 1913 г. датский физик Нильс Бор постулировал, что движение электрона в атоме происходит по определенным стационарным орбитам и не сопровождается излучением энергии. Излучение или поглощение имеет место, когда электрон переходит с одной орбиты на другую.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик и французские физики Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри открыли нейтрон – частицу, не имеющую электрического заряда, и имеющую массу, равную массе протона.

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается буквой Z. Если N число нейтронов в ядре, то общее число протонов и нейтронов в ядре составляет A и называется массовым числом, т. е. A = Z + N

Атомы, у которых одинаковые числа протонов Z, но различные числа нейтронов N – называются изотопами.

α-излучение – отклоняется в магнитном поле, положительный заряд

γ-излучение – магнитное поле не влияет, заряд отсутствует

Виды ионизирующих излучений

β- излучение – отклоняется в магнитном поле, отрицательный заряд

корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета-излучение и нейтронное излучение)

электромагнитное (гамма-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны

Схема альфа-распада имеет следующий вид:

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью и имеющих массу 4 и заряд +2

Длиной пробега частицы в воздухе или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника до поглощения ее веществом.

Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно меньше 10 см, в воде или в мягких тканях человеческого тела – несколько десятков микрон.

За счет большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объяс-няет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.

Схема электронного бета-распада имеет вид:

Бета-излучение представляет собой поток электронов (β−-излучение) или позитронов (β+-излучение), возникающих при радиоактивном распаде.

т. е. массовое число при электронном бета-распаде остается постоянным, а заряд ядра увеличивается на единицу.

Схема позитронного β+-распада имеет вид:

т. е. массовое число при позитронном β+-распаде остается постоянным, а заряд ядра уменьшается на единицу

Скорость – в пределах 0,3– 0,99 скорости света.

Энергия не превышает нескольких МэВ.

Длина пробега в воздухе составляет 180 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность β-частиц выше, чем α-частиц из-за меньших величин массы и заряда.

Для полного поглощения потока β-частиц, обла-дающих максимальной энергией 2 МэВ, требует-ся защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм.

Типичные энергетические спектры альфа- и бета-распада

Гамма-излучение – электромагнитное излучение с высокой энергией и малой длиной волны. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3 МэВ) и малая длина волны обусловливают большую проникающую способность гамма-излучения.
Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях.

Схема γ-распада имеет вид:

Звездочка означает, что исходное ядро находится в возбужденном состоянии.

В зависимости от энергии различают:

Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды.

Медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ)

Промежуточные нейтроны (с энергией от 1 до 500 КэВ)

Быстрые нейтроны (с энергией от 500 КэВ до 20 МэВ)

Длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см.

Нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения.

Математическое выражение, описывающее распад, одинаковое для α-, β- и γ-распадов. Это выражение названо универсальным законом радиоактивного распада.

Для данного атомного ядра вероятность радиоактивного распада λ за единицу времени является постоянной. Следовательно, число актов радиоактивного распада dN за время dt определяется только количеством радиоактивных ядер N(t) в данный момент времени t, т. е.

Минус означает уменьшение количества атомов с течением времени.

Разделив обе стороны уравнения на dt, обозначив скорость радиоактивного распада dN/dt, называемую активностью радиоактивного распада, буквой A, опуская знак минус, получим

Это выражение можно использовать для определения величины скорости распада в образце с известным количеством атомов.

τ – время, за которое используется весь источник (распадется N0 атомов) называется средним временем жизни радиоактивного образца и является обратной величиной постоянной распада λ.

Периодом полураспада Т1/2 называется то время, в течение которого распадается половина начального количества атомов данного радиоактивного вещества.

Откуда

Постоянная радиоактивного распада λ выражается в обратных секундах. Закон радиоактивного распада можно записать в следующей форме

Закон радиоактивного распада

Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разных знаков.

Ионизирующее излучение способно выбивать электроны из атомов. При этом видимый свет, ультразвук, ультрафиолетовое, лазерное и микроволновое излучения к ионизирующему излучению не относятся.

Законы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом являются теоретической и практической основой радиационной защиты, на них базируются методы расчета защиты и методы регистрации ионизирующего излучения.

тяжелые заряженные частицы
(α-частицы, протоны и др.)

легкие заряженные частицы (электроны и позитроны)

Взаимодействие излучений с веществом

фотонное излучение (рентгеновское и γ-излучение)

нейтронное излучение (нейтроны различных энергий)

Механизм взаимодействия заряженных частиц с поглощающим веществом состоит в том, что частица, пролетая сквозь вещество, расталкивает атомные электроны своим кулоновским полем, за счет чего теряет свою энергию, ионизируя либо возбуждая атомы. Заряженные частицы передают свою энергию поглощающему веществу, поэтому заряженная частица всегда выходит из поглотителя с меньшей энергией, чем до поглотителя.

Рассматриваются три основных механизма потери энергии:

ионизация

возбуждение

торможение

В различных материалах на образование ионной пары необходима энергия 30–40 эВ. Эта энергия называется энергией образования пары ионов.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

Если при ионизации удаление электронов с орбиты происходит путем их выбивания из нейтрального атома, то при возбуждении электрону передается энергия, недостаточная для его выбивания, в результате чего электрон переходит на более высокий энергетический уровень, при этом он удерживается атомом и нейтраль-ность атома не нарушается. При переходе электрона на прежнюю орбиту испускается характеристическое излучение.

На каждую образовавшуюся пару ионов при ионизации атома приходится примерно два-три возбужденных атома. Потери энергии при ионизации и возбуждении атомов называются ионизационными потерями.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

Причиной возникновения тормозного излучения является кулоновская сила, которая отклоняет заряженную частицу, изменяя направление ее движения, т. е. замедляя его, т. к. меняется направление вектора скорости и скорость уменьшается из-за потери энергии. Тормозное излучение является фотонным излучением с непрерывным спектром, энергетический диапазон которого входит в диапазон рентгеновских лучей.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

Линейный пробег – это путь, пройденный заряженной частицей до полной потери кинетической энергии, или минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения ионизирующего излучения.

Если тормозная способность большая, то частица будет замедляться быстрее и пробег будет малым. Таким образом, пробег обратно пропорционален тормозной способности.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма кинетических энергий взаимодей-ствующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. Таким процессом является упругое рассеяние.

При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии заряженной частицы передается образовав-шимся частицам или фотонам; другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их возбуждение. К таким взаимодействиям относится неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного излучения.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

При прохождении пучка γ-квантов через поглощающее вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка.

Коэффициент пропорциональности μ называется полным линейным коэффициентом ослабления. Полный линейный коэффициент ослабления пропорционален плотности вещества, его порядковому номеру и энергии γ-квантов.

Фотоэффекта

Комптон- эффекта

Эффекта образования пар электрон- позитрон

Взаимодействие гамма-излучения

Электрон, удаленный таким образом из атома, называется фотоэлектроном.

Взаимодействие гамма-излучения

Такое взаимодействие может происходить при энергии фотона не меньше 1,02 МэВ и только в поле ядра. Если энергия фотона больше 1,02 МэВ, то избыточная энергия уносится электронам и позитроном в виде кинетической энергии. Баланс энергии при образовании пар имеет вид

где 2m0c2 – двойная энергия покоя электрона; Eе−+ Eе+ – кинетическая энергия электрона и позитрона, соответственно

Взаимодействие гамма-излучения

Не имея электрического заряда, нейтрон не взаимодействует с электрическим полем заряженных частиц и ядер атомов и может пройти значительное расстояние в поглощающем веществе до столкновения с ядром, т.е. при прохождении через поглощающее вещество нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов.

Упругое и неупругое рассеяние

Радиационный захват с испусканием фотона

Захват с испусканием заряженной частицы

Деление ядер

В поле ядра атома нейтроны в зависимости от их энергии могут испытывать различные типы взаимодействия:

Упругое рассеяние играет большую роль в ослаблении потока быстрых нейтронов. Наиболее эффективное ослабление на единицу массы наблюдается в водородо-содержащих средах. Так как массы протона и нейтрона практически одинаковы, то при столкновении с ядром водорода, нейтрон в среднем теряет половину своей энергии. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов используют водородосодержащие или легкие вещества – обычную или тяжелую воду, парафин, берилий, углерод.

В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной ~ 0,025 эВ, т. е. такие нейтроны становятся тепловыми.

Взаимодействие нейтронов с веществом

т. е. образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия, полученная ядром вследствие такой перестройки, испускается в виде γ-кванта. Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием фотона.

Взаимодействие нейтронов с веществом

Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием заряженной частицы.

Взаимодействие нейтронов с веществом

В этом случае произойдет процесс неупругого рассеяния, поскольку суммарная энергия системы нейтрон + ядро до взаимодействия не равна энергии системы после взаимодействия.

Взаимодействие нейтронов с веществом

При всех процессах взаимодействия нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы – ядра отдачи, α-частицы, протоны и т. д., непосредственно производящие ионизацию, либо γ-излучение, которое, производит ионизацию в результате вторичных процессов.

Взаимодействие нейтронов с веществом