Обнаружение и измерение ионизирующих излучений

Тема: Обнаружение и измерение ионизирующих излучений. Измерение радиоактивности Методы измерения радиоактивности

Основные методы измерения радиоактивности

Фотоэффект Комптон-эффект Образование пар

2. При комптоновском рассеянии гамма-квант передает часть своей энергии одному из внешних электронов атома. Этот электрон отдачи, приобретая значительную кинœетическую энергию, затрачивает её на ионизацию вещества (это уже вторичная ионизация, т.к. g-квант, выбив электрон уже произвёл первичную ионизацию).

g-квант после соударения теряет значительную часть энергии и изменяет своё направление движения, ᴛ.ᴇ. рассеивается.

Эффект Комптона наблюдается в широком интервале энергий гамма-квантов (0,02-20 Мэв).

3. Обраазование пар. Гамма-кванты, проходящие вблизи ядра атома и имеющие энергию не менее 1,02 МэВ, под действием поля атомного ядра превращаются в две частицы алектрон и позитрон. Часть энергии гамма-кванта превращается в экви­валентную массу двух частиц (по соотношению Эйнштейна Е=2me*C²= 1,02 Мэв ). Оставшаяся энергия гамма-кванта передается возникшим электрону и позитрону в виде кинœетической энергии. Образовавшийся электрон ионизирует атомы и молекулы, а позитрон аннигилирует с каким-либо из электронов среды, образуя два новых гамма-кванта͵ обладающих энергией по 0,51 МэВ. Вторичные гамма-кванты расходуют свою энергию на комптон-эффект, а затем на фотоэффект. Чем выше энергия гамма-квантов и плотность вещества, тем вероятнее процесс образования пар. По этой причине для защиты от гамма-лучей используют тяжелые металлы, к примеру, свинœец.

Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом аналогично за счет этих же трёх эффектов.

  1. Характеристическое и тормозное рентгеновское излучение. Отличия и сходства рентгеновского и гамма-излучения. Закон ослабления гамма-излучения.

Гамма-лучи испускаются из ядер р/а изотопов при их распаде, а рентгеновские лучи возникают при переходах электронов в пределах электронных оболочек атома, Частота гамма-лучей выше частоты рентгеновских лучей, а проникающая способность в веществе и эффекты взаимодействия примерно одинаковы.

Чем толще слой поглотителя, тем больше будет ослаблен проходящий через него поток гамма-лучей.

Для каждого материала экспериментально установлен слой половинного ослабления D1/2 (это толщина любого материала вдвое, ослабляющего гамма-излучение.)

Он равен для воздуха -190м, дерева-25см, биологическая ткань-23см, грунт -14см, бетон -10см, сталь-3см, свинœец-2см. (D1/2 » r /23)

Рассуждая аналогично, как и при выводе закона р/а распада, получим:

D/D1/2 -D/D1/2 — 0,693D/D1/2

I = Iо / 2 илиI = Iо * 2 (другой вид записи I = Iоe)

где: I — интенсивность гамма-лучей после прохождения слоя поглотителя толщиной D ;

Iо — начальная интенсивность гамма-лучей.

10. Задачи дозиметрии и радиометрии. Внешнее и внутреннее облучение организма. Соотношение между активностью и дозой, создаваемой их гамма-излучением. Методы защиты от локальных источников излучений .

Дозиметрия — это количественное и качественное определœение величин, характеризующих действия ионизирующего излучения на ве­щество с использованием различных физических методов и примене­нием специальной аппаратуры.

Радиометрия — разрабатывает теорию и практику измерения радио -активности и идентификацию радиоизотопов.

Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и моле­кул биолог-ской среды.

A ¾¾¾® Б.объект

b ¾¾¾® Ионизация

G ¾¾¾® пропорциоеально ¾¾¾®g

n ¾¾¾® поглощённой энергии ¾¾¾® n

r ¾¾¾® излучения ¾¾¾® r (рентгеновское излучение)

Доза излучения — это величина энергии ионизирующего излучения, поглощённая в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Облучение от внешних р/а источников называют внешним облучением. Облучение от РВ, попавших в организм с воздухом, водой, пищей создаёт внутреннее облучение.

Используя значение Кg (величина гамма-постояннай приведена в справочниках для всœех р/а изотопов) можно определить мощность дозы точечного источника любого изотопа.

Р = Кg · А / R² ,где

Р — мощность экспозиционной дозы, Р/ч

Кg — ионизационная постоянная изотопа, Р/ч· см² / мКu

А — активность, мКu

R — расстояние, см.

От локальных источников р/а излучений можно защититься экранированием, увеличением расстояния до источника и уменьшением времени его воздействия на организм.

11. Доза и мощности дозы. Единицы измерения экспозиционной, поглощённой, эквивалентной, эффективной дозы.

Доза излучения — это величина энергии ионизирующего излучения, поглощённая в единице объема (массы) облучаемого вещества. В литературе, документах МКРЗ (международная комиссия по радиационной защите), НКРЗ (национальный комитет России) и НКДАР (научный комитет по действию атомной радиации при ООН) различают понятия:

Экспозиционная доза (ионизирующая способность рентгеновских и гамма лучей в воздухе) в рентгенах; Рентген (Р) — экспозиционная доза рентгеновского или g-излучения (ᴛ.ᴇ. фотонного излучения), создающая в 1 см³ воздуха два миллиарда пар ионов. (В рентгенах измеряют экспозицию источника, поле излучения,как говорят радиологи падающее излучение).

Поглощенная доза — энергия ионизирующего излучения, погло­щенная тканями организма в пересчете на единицу массы в Радах и Греях;

Рад (радиацион абсорбет доза — англ.) — поглощенная доза любого вида ионизирующего облучения, при которой в 1 г массы ве­щества поглощается энергия равная 100 эрᴦ. (В 1 г разной по соста­ву биологической ткани поглощается разное количество энергии.)

Доза в радах = дозе в рентгенах, умноженной на к-т, отражающий энергию излучения и род поглощающей ткани. Для воздуха: 1рад = 0,88 рентг;

для воды и мяг­ких тканей 1рад=0,93Р (в практике принимают 1рад=1Р)

для кост­ных тканей 1рад = (2-5)Р

В системе Си принята единица Грей (в 1 кг массы поглощает­ся 1 Дж энергии излучения). 1Гр=100 рад (100Р)

— Эквивалентная доза — поглощенная доза, умноженная на коэф­фициент, отражающий способность данного вида излучения пов­реждать ткани организма в Бэрах и Зивертах. БЭР (биологический эквивалент рентгена)- это доза любого ядерного излучения, при которой в биологической среде создается такой же биологический эффект, как при дозе рентгеновского или гамма-излучения в 1 рентген. Д в бэрах = Д в рентᴦ.*ОБЭ . ОБЭ — коэффициент относительной биологической эффективности или коэффициент качества (КК)

Для b, g и рентᴦ. излучения ОБЭ (КК) = 1; для a и протонов = 10;

медленные нейтроны = 3-5; быстрые нейтроны = 10.

Зиверт(Зв) — это эквивалентная доза любого вида излучения, поглощённая в 1кг биологической ткани, создающая такой же биологический эффект, как и поглощённая доза в 1Гр фотонного излучения. 1Зв = 100 бэр (и = 100Р)

Эффективная эквивалентная доза — эквивалентная доза, умно­женная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению, в Зивертах.

Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (орга­нов) человека, рекомендованные МКРЗ: (к примеру 0,12 — красный костный мозг, 0,15 — молочная желœеза 0,25 — семенники или яичники;) Коэффициент показывает долю приходящуюся на отдельный орган при равномерном облучении всœего тела

В биологическом плане важно знать не просто дозу излучения, полученную каким-либо объектом, а дозу, полученную в единицу времени.

Мощность дозы — это доза излучения, отнесенная к единице времени.

Д = Р / t К примеру, Р/час, мР/час, мкР/чаc, мкЗв/ч, мБэр/мин, Гр/с и т. д.

О мощности поглощенной дозы го­ворят как о приращении дозы в единицу времени.

12 Характеристика a-,d-частиц и g-излучения.

Свойства разных видов ионизирующих излучений рассмотрим в виде таблицы.

13. Характеристика р/а загрязнения при аварии на АЭС.

Йод-131 Стронций — 90 (Sr-90) — Т 1/2 -28 лет и Цезий — 137

Зонирование после аварии (по загрязнению почвы Сs-137 и годовой дозе) :

Зона отчуждения (отселœения) — более 40 Ки/км².(доза более 50 мЗв/год);

Зона отселœения (добровольного) – от 15 до 40 Ки/км². (доза 20 — 50 мЗв/год);

Зона ограниченного проживания (с временным отселœением беременных женщин и детей) 5 — 15 Ки/км². (доза от 5 до 20 мЗв/год);

Зона радиационного контроля (зона проживания с льготным социально-экономическим статусом) 1-5 Ки/ км² (доза от 1 до 5 мЗв/год).

В РФ от аварии на ЧАЭС частичное радиоактивное загрязнение (более 1 Ки/км 2) получили 15 областей (Брянская, Курская, Калужская, Тульская, Орловская, Рязанская и др.- от 1 до 43% территории).

По законодательству РФ населœение, проживающее на землях с заражением (по цезию) более 1 Ки/км² вправе на минимальные льготы

14. Детекторы ионизирующих излучений. Классификация. Принцип и схема работы ионизационной камеры.

ионизационные камеры;

— пропорциональные счетчики;

Принципиальная схема работы ионизационного детектора.

Эта камера заполненная возду­хом или инœертным газом, в ко­торой расположены два электро­да (катод и анод), создающие электрическое поле.

Сухой воздух или газ являются хорошими изоляторами и не про­водят электрический ток. Но заряженные частицы альфа и бета͵ попав в камеру, производят ионизацию газовой среды, а гамма-кванты сначала образуют в стенках камеры быстрые электроны (фотоэлектроны, комптон-электроны, электронно-позитронные па­ры), которые также ионизируют газовую среду. Образовавшиеся положительные ионы движутся к катоду, отрицательные к аноду. В цепи возникает ионизационный ток, пропорциональный количест­ву излучения.

Ионизационный ток при одной и той же величинœе ионизирую­щего излучения сложным образом зависит от напряжения приложен­ного к электродам камеры. Эта зависимость принято называть вольтамперной характеристи­кой ионизационного детектора.

Ионизационная камера применяется для измерения всœех типов ядерных излучений. Конструктивно оформляются плоскими, цилиндрическими, сферическими, напёрстковыми с объемом от до­лей см³ до 5 литров. Заполнены обычно воздухом. Материал ка­меры — плексиглас, бакелит, полистирол, может быть алюминий. Широко используются в индивидуальных дозиметрах (ДК-0,2; КИД-1, КИД-2, ДП-22В, ДП-24 и др.).

15. Характеристика р/а загрязнения при ядерном взрыве.

При цепной реакции делœения, U-235 и Pu-239 в атомной бомбе образуется около 200 радиоактивных изотопов примерно 35 химических элементов При ядерном взрыве цепная реакция делœения проходит мгновенно во всœей массе делящегося вещества, и образовавшиеся р/а изотопы выбрасываются в атмосферу, а затем выпадают на местности в виде протяжённого радиоактивного следа.

Рис. 2.1. Зоны радиоактивного заражения при ядерном взрыве

Названия зон (в скобках величины Р 1 (Р/ч), Д ∞ (Р)): А – умеренного заражения (8 Р/ч, 40 Р), Б – сильного (80 Р/ч, 400 Р), В – опасного (240 Р/ч, 1200 Р), Г — чрезвычайно опасного заражения (800 Р/ч, 4000 Р).

В справочниках приведены размеры зон в зависимости от мощности взрыва и скорости ветра в верхних слоях атмосферы — указана длина и ширина каждой зоны в км. Вообще, местность считается зараженной, если уровень радиации составляет 0,5 Р/ч — в военное время и 0,1мР/ч в мирное время (естественный радиационный фон в Ярославле — 0,01 мР/ч ,)

Вследствие распада РВ постоянно происходит снижение уровня радиации, по соотношению

Р t = Р 1 t – 1,2

Р

Рис. 2.2. Снижение уровня радиации на следе ядерного взрыва

Графически это круто падающая экспонента. Анализ этого соотношения показывает, что при семикратном увеличении времени уровень радиации снижается в 10 раз. Спад радиации после аварии на ЧАЭС происходил значительно медленнее

Для всœех возможных ситуаций уровни радиации и дозы рассчитаны и сведены в таблицы.

Важно заметить, что для с/х производства радиоактивное заражение местности представляет наибольшую опасность, т.к. люди, животные и растения подвергаются не только внешнему гамма-облучению, но и внутреннему при попадании РВ внутрь организма с воздухом водой и пищей. У незащищённых людей и животных в зависимости от полученной дозы может возникнуть лучевая болезнь, а с/х растения замедляют рост, снижают урожайность и качество продукции растениеводства, а при тяжёлых поражениях происходит гибель растений.

16. Основные методы измерения радиоактивности (абсолютный, расчетный и относительный (сравнительный) Эффективность счетчика. Счётная (рабочая) характеристика.

Абсолютный метод. Тонкий слой исследуемого материала наносится на специальную тончайшую пленку (10-15 мкг/см²) и помеща­ется внутрь детектора, в результате чего используется полный те­лесный угол (4p) регистрации вылетающих, к примеру, бета-частиц и достигается почти 100% эффективность счета. При работе с 4p-счетчиком не нужно вводить многочисленные поправки, как при расчетном методе.

Активность препарата выражается сразу в единицах активнос­ти Бк, Кu, мКu и т.д.

Расчётным методом определяют абсолютную активность альфа и бета излучающих изотопов с применением обычных газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков.

В формулу для определœения активности образца введен ряд поправочных коэффициентов, учитывающих потери излучения при из­мерении.

А = N/w×e×k×r×q×r×g m×2,22×10¹²

A — активность препарата в Кu;

N — скорость счета в имп/мин за вычетом фона;

w — поправка на геометрические условия измерения (телœесный угол);

e — поправка на разрешающее время счетной установки;

k — поправка на поглощение излучения в слое воздуха и в окне (или стенке) счетчика;

r — поправка на самопоглощение в слое препарата;

q — поправка на обратное рассеяние от подложки;

r — поправка на схему распада;

g — поправка на гамма-излучение при смешанном бета-, гамма-излучении;

m — навеска измерительного препарата в мг;

2,22×10¹² — переводной коэффициент от числа распадов в минуту к Ки (1 Ки = 2,22*10¹² расп/мин).

Для определœения удельной активности крайне важно активность приходящуюся на 1 мг перевести на 1 кг.

Ауд = А*10 6 , (Кu/кг)

Препараты для радиометрии бывают приготовлены тонким, толстым или промежуточным слоем исследуемого материала.

В случае если исследуемый материал имеет слой половинного ослабления — D1/2,

то тонкие — при d<0,1D1/2, промежуточные — 0,1D1/2толстые (толстослойные препараты) d>4D1/2.

Все поправочные коэффициенты сами в свою очередь зависят от многих факторов и в свою очередь рассчитываются по сложным формулам. По этой причине расчетный метод очень трудоемок.

Относительный (сравнительный) метод нашел широкое приме­нение при определœении бета-активности препаратов. Он основан на сравнении скорости счета от эталона (препарат с известной актив­ностью)со скоростью счета измеряемого препарата.

При этом должны быть полностью идентичные условия при из­мерении активности эталона и исследуемого препарата.

Апр = Аэт* Nпр/Nэт , где

Аэт — активность эталонного препарата͵ расп/мин;

Апр — радиоактивность препарата (пробы), расп/мин;

Nэт — скорость счета от эталона, имп/мин;

Nпр — скорость счета от препарата (пробы), имп/мин.

В паспортах на радиометрическую и дозиметрическую аппара­туру указано обычно с какой погрешностью производятся измерения. Предельная относительная погрешность измерений (иногда ее назы­вают основной относительной погрешностью) указывается в процен­тах, к примеру, ± 25%. Для разных типов приборов она может быть от ± 10% до ± 90% (иногда указывается отдельно погрешность вида измерения для разных участков шкалы).

По предельной относительной погрешности ± d% можно оп­ределить предельную абсолютную погрешность измерения. В случае если сняты показания прибора А, то абсолютная погрешность DА=±Аd/100. (В случае если А=20 мР, а d = ±25%, то реально А= (20 ± 5)мР. Т.е. в пределах от 15 до 25 мР.

17. Детекторы ионизирующих излучений. Классификация. Принцип и схема работы сцинтиляционного детектора.

Радиоактивные излучения бывают обнаружены (выделœены, детектированы) с помощью специальных устройств — детекто­ров, работа которых основана на физико-химических эффектах, возникающих при взаимодействии излучении с веществом.

Виды детекторов: ионизационные, сцинтиляционные, фотографические, химические, калориметрические, полупроводниковые и др.

Наибольшее распространение получили детекторы основанные на измерении прямого эффекта взаимодействия излучения с ве­ществом — ионизации газовой среды, Это: — ионизационные камеры;

— пропорциональные счетчики;

— счетчики Гейгера-Мюллера (газоразрядные счетчики);

— коронные и искровые счетчики,

а также сцинтилляционные детекторы.

Сцинтиляционный (люминисцентный) метод регистрации излучений основан на свойстве сцинтилляторов испускать видимое све­товое излучение (световые вспышки — сцинтилляции) под действием заряженных частиц, которые преобразуются фотоэлектронным умно­жителœем в импульсы электрического тока.

Катод Диноды Анод Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора и

ФЭУ. Сцинцилляторы бывают органические и

Неорганические, в твердом, жидком или газовом

Состоянии. Это йодистый литий, сер­нистый цинк,

Йодистый натрий, монокристаллы анграцена, и др.

100 +200 +400 +500 вольт

Работа ФЭУ: — Под действием ядерных частиц и гамма квантов

в сцинтилляторе возбуждаются атомы и испускают кванты видимого цвета — фотоны.

Фотоны бомбардируют катод и выбивают из него фотоэлектроны:

Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем первого динода, выбивают из него вторичные электроны, которые ускоряются полем второго динода и т. д., до образования лавинного потока элект­ронов попадающих на катод и регистрирующихся электронной схемой прибора. Эффективность счета сцинтилляционных счетчиков достигает 100%.Разрешающая способность значительно выше чем в ионизационных камерах(10 в-5-й — !0 в-8-й против 10¯³ в ионизационных камерах). Сцинтиллиционные счетчики находят очень широкое применение в ра­диометрической аппаратуре

18. Радиометры, назначение, классификация.

По назначению.

Радиометры — приборы, предназначенные для:

Измерения активности радиоактивных препаратов и источников излучения;

Определœения плотности потока или интенсивности ионизирующих частиц и квантов;

Поверхностной радиоактивности предметов;

Удельной активности газов, жидкостей, твердях и сыпучих веществ.

В радиометрах в основном используются газоразрядные счетчики и сцинтилляционные детекторы.

Οʜᴎ подразделяются на переносные и стационарные.

Как правило они состоят из: — детектора-датчика импульсов; — импульсного усилителя; — пересчетного прибора; — электромеханического или электронного нумератора; — источника высокого напряжения для детектора; — источника питания для всœей аппаратуры.

В порядке совершенствования выпускались: радиометры Б-2, Б-3, Б-4;

декатронные радиометры ПП-8, РПС-2; автоматизированные лаборатории «Гамма-1», «Гамма-2”, «Бета-2»; снабжённые ЭВМ, позволяющие просчитывать до нескольких тысяч образцов проб с автоматической распечаткой результатов. Широко используются установки ДП-100, радиометры КРК-1, СРП-68-01.

Указать назначение и характеристики одного из приборов.

19. Дозиметры, назначение, классификация.

Промышленностью выпускается большое количество типов ра­диометрической и дозиметрической аппаратуры, которые бывают классифицированы:

По способу регистрации излучения (ионизационные, сцинтилляционные и др.);

По виду регистрируемого излучения (a,b,g,n,p)

Источнику питания (сетевые, батарейные);

По месту применения (стационарные, полевые, индивидуальные);

По назначению.

Дозиметры — приборы, измеряющие экспози­ционную и поглощенную дозу (или мощность дозы) излучения. В основном состоят из детектора, усилителя и измерительного уст­ройства, Детектором может служить ионизационная камера, газораз­рядный счетчик или сцинтилляционный счетчик.

Подразделяются на измерители мощности дозы — это ДП-5Б, ДП-5В, ИМД-5, и индивидуальные дозиметры — измеряют дозу излучения за промежуток времени. Это ДП-22В, ИД-1, КИД-1, КИД-2 и др. Οʜᴎ являются карманными дозиметрами, часть из них — прямопоказывающие.

Существуют спектрометрические анализаторы (АИ-З, АИ-5, АИ-100) — позволяющие автоматически определять радиоизотопный состав любых образцов (к примеру, почв).

Имеется также большое количество сигнализаторов о превы­шении радиационного фона, степени загрязненности поверхностей. К примеру, СЗБ-03 и СЗБ-04 сигнализируют о превышении величины загрязненности рук бета-активными веществами.

Указать назначение и характеристики одного из приборов

20. Оснащение радиологического отдела ветлаборатории. Характеристика и работа радиометра СРП-68-01.

Табельное оснащение радиологических отделов областных ветбаклабораторий и специальных районных или межрайонных радиологических групп (при районных ветбаклабораториях)

Радиометр ДП-100

Радиометр КРК-1 (РКБ-4-1ем)

Радиометр СРП 68-01

Радиометр “Бересклет”

Радиометр — дозиметр -01Р

Радиометр ДП-5В (ИМД-5)

Комплект дозиметров ДП-22В (ДП-24В).

Лаборатории могут оснащаться и другими типами радиометрической аппаратуры.

Большинство из указанных выше радиометров и дозиметров имеется на кафедре в лаборатории.

21. Периодизация опасностей при аварии на АЭС.

В ядерных реакторах используется внутриядерная энергия, выделяющаяся при цепных реакциях делœения U-235 и Pu-239. При цепной реакции делœения, как в ядерном реакторе, так и в атомной бомбе образуется около 200 радиоактивных изотопов примерно 35 химических элементов. В атомном реакторе цепная реакция управляема, и ядерное топливо (U-235) “выгорает” в нём постепенно в течение 2-х лет. Продукты делœения – радиоактивные изотопы –накапливаются в ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент). В реакторе атомный взрыв произойти ни теоретически, ни практически не может. На ЧАЭС в результате ошибок персонала и грубого нарушения технологии произошёл тепловой взрыв, и р/а изотопы две недели выбрасывались в атмосферу, разносились ветрами по разным направлениям и, осœедая на обширных территориях, создали пятнистое загрязнение местности. Из всœех р/а изотопов наиболее биологически опасными оказались: Йод-131 (I-131) – с периодом полураспада (Т 1/2) 8 суток, Стронций — 90 (Sr-90) — Т 1/2 -28 лет и Цезий — 137 (Сs-137) — Т 1/2 -30 лет. На ЧАЭС в результате аварии было выброшено 5% топлива и накопившихся радиоактивных изотопов это — 50 МКи активности. По цезию-137 это эквивалентно 100 шт. 200 Кт. атомных бомб. Сейчас в мире более 500 реакторов, и ряд стран на 70-80 % обеспечивает себя электроэнергией за счёт АЭС, в России 15%. С учётом исчерпания в обозримом будущем органических запасов топлива основным источником энергии будет атомная.

Периодизация опасностей после аварии на ЧАЭС:

1. период острой йодной опасности (йод — 131) в течение 2-3 месяцев;

2. период поверхностного загрязнения (коротко и среднеживущие радионуклиды) — до конца 1986ᴦ.;

3. период корневого поступления (Сs-137, Sr-90) — с 1987 года на 90-100 лет.

22. Естественные источники ионизирующих излучений. Космическое излучение и природные РВ. Доза от ЕРФ.

1. Естественные источники ионизирующих излучений (иии)

Природный радиационный фон состоит из:

Космического излучения;

Излучения естественных радиоактивных веществ, находящиихся в земных

породах, воде, воздухе, строительных материалах;

Излучения естественных радиоактивных веществ, содержащихся в растительном

и животном мире (в т.ч. и в человеке).

Космическое излучение — делится на первичное это непрерывно падающий поток ядер во­дорода (протонов) — 80% и ядер легких элементов (гелия (альфа-частицы), лития, бериллия, бора, углерода, азота) — 20%, испаряющихся с поверхностей звёзд, туманностей и солнца и усиленных (ускоренных) многократно в электромагнитных полях космических объектов до энергии порядка 10 10 эВ и выше. (В нашей галактике — Мл. Путь -300 млрд звёзд, а галактик 10 14)

Взаимодействуя с атомами воздушной оболочки земли это первичное космическое излучение рождает потоки вторичного космическо­го излучения, ооотоящего из всœех известных элементарных частиц и излучений (± мю и пи-мезоны — 70% ; электроны и позитроны — 26%, первичные протоны — 0,05%, гамма-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны).

Природные радиоактивные вещества разбивают на три группы:

1) Уран и торий с продуктами их распада, а также калий-40 и рубидий-87;

2) Малораспространённые изотопы и изотопы о большим Т 1/2 (кальций-48, цирконий-96, неодим-150, самарий-152, рений-187, висмут-209 и др.);

3) Углерод-14, тритий, бериллий -7 и -9 — непрерывно образующиеся в атмосфере под действием космического излучения.

Наиболее распространён в земной коре рубидий-87 (Т 1/2 = 6,5.10 10 лет), затем уран-238, торий-232, калий-40. Но радиоактивность калия-40 в земной коре превышает радиоактивность всœех других изотопов вместе взятых (Т 1/2 = 1,3 10 9 лет). Калий-40 широко рассеян в почвах, особенно в глинистых, его удельная активность 6,8.10 -6 Ки/ᴦ.

В природе калий состоит из 3-х изотопов: стабильных К-39 (93%) и К-41(7%) и радиоактивного К-40 (),01%). Концентрация К-40 в почвах 3-20 nKu/г (пико — 10 -12),

Среднемировое принимают 10. Отсюда в 1 м³ (2тонны) — 20 мкКu, в 1км² — 5Кu (корнеобит. слой=25см). Среднее содержание U-238 и Th-232 принимают по 0,7 nKu/ᴦ. Вот эти три изотопа и создают мощность дозы естественного фона от почвы = примерно 5 мкР/ч (и ещё столько же от космич. излучения) Наш фон (8-10 мкР/ч ниже среднего. Колебания по стране 5-18, в мире до130 и даже до 7000 мкР/ч..

Строительные материалы создают дополнитальную гамма-радиацию внутри зданий (из желœезобетона до 170 мрад/год, в деревянных — 50 мрад/год).

Вода, являясь растворителœем, содержит растворимые комплексные содинœения урана, тория, радия. В морях и озерах концентрация радиоактивных элементов выше чем в реках. Минœеральные источники содаржат много радия (7,5*10 -9 Кu/л) и радона (2,6*10 -8 Кu/л). Калия-40 в водах рек и озер примерно столько æå, сколько и радия (10 -11 Кu/л).

Воздух (атмосфера) содержит радон и торон, выделяющиеся из земных пород и углерод-14 и тритий непрерывно образующиеся в ат­мосфере под действием нейтронов вторичного комического излучения, взаимодейству

Радиоактивность препаратов можно определить абсолютным, расчетным и относительным (сравнительным) методом. Последний наиболее распространен.

Активность препарата выражается сразу в единицах активнос­ти Бк, Кu, мКu и т.д.

В формулу для определения активности образца введен ряд поправочных коэффициентов, учитывающих потери излучения при из­мерении.

A — активность препарата в Кu;

поправка на геометрические условия измерения (телесный угол);

-поправка на поглощение излучения в слое воздуха и в окне (или стенке) счетчика;

q -поправка на обратное рассеяние от подложки;

-поправка на гамма-излучение при смешанном бета-, гамма-излучении;

2,22 10 ¹² переводной коэффициент от числа распадов в минуту к Ки (1Ки = 2,22*10¹²расп/мин).

Ауд = А*10 6 , (К u /кг)

Если исследуемый материал имеет слой половинного ослабления — 1/2,

Все поправочные коэффициенты сами в свою очередь зависят от многих факторов и в свою очередь рассчитываются по сложным формулам. Поэтому расчетный метод очень трудоемок.

При этом должны быть полностью идентичные условия при из­мерении активности эталона и исследуемого препарата.

Аэт -активность эталонного препарата, расп/мин;

Nэт-скорость счета от эталона, имп/мин;

В паспортах на радиометрическую и дозиметрическую аппара­туру указано обычно с какой погрешностью производятся измерения. Предельная относительная погрешность измерений (иногда ее назы­вают основной относительной погрешностью) указывается в процен­тах, например,  25%.Для разных типов приборов она может быть от  10% до90% (иногда указывается отдельно погрешность вида измерения для разных участков шкалы).

Детекторы ионизирующих излучений. Классификация. Принцип и схема работы сцинтиляционного детектора.

Виды детекторов: ионизационные, сцинтиляционные, фотографические, химические, калориметрические, полупроводниковые и др.

— пропорциональные счетчики;

— коронные и искровые счетчики,

Сцинтиляционный (люминисцентный) метод регистрации излучений основан на свойстве сцинтилляторов испускать видимое све­товое излучение (световые вспышки — сцинтилляции) под действием заряженных частиц, которые преобразуются фотоэлектронным умно­жителем в импульсы электрического тока.

ФЭУ. Сцинцилляторы могут быть органические и

состоянии. Это йодистый литий, сер­нистый цинк,

100 +200 +400 +500 вольт

в сцинтилляторе возбуждаются атомы и испускают кванты видимого цвета — фотоны.

Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем первого динода, выбивают из него вторичные электроны, которые ускоряются полем второго динода и т. д., до образования лавинного потока элект­ронов попадающих на катод и регистрирующихся электронной схемой прибора. Эффективность счета сцинтилляционных счетчиков достигает 100%.Разрешающая способность значительно выше чем в ионизационных камерах(10 в-5-й — !0 в-8-й против 10¯³в ионизационных камерах). Сцинтиллиционные счетчики находят очень широкое применение в ра­диометрической аппаратуре

По назначению.

Измерения активности радиоактивных препаратов и источников излучения;

Поверхностной радиоактивности предметов;

В радиометрах в основном используются газоразрядные счетчики и сцинтилляционные детекторы.

Как правило они состоят из: -детектора-датчика импульсов;-импульсного усилителя;-пересчетного прибора;-электромеханического или электронного нумератора;-источника высокого напряжения для детектора;-источника питания для всей аппаратуры.

декатронные радиометры ПП-8, РПС-2; автоматизированные лаборатории «Гамма-1», «Гамма-2”, «Бета-2»; снабжённые ЭВМ, позволяющие просчитывать до нескольких тысяч образцов проб с автоматической распечаткой результатов. Широко используются установки ДП-100, радиометры КРК-1, СРП-68-01.

Дозиметры, назначение, классификация.

По способу регистрации излучения (ионизационные, сцинтилляционные и др.);

Источнику питания (сетевые, батарейные);

По назначению.

Подразделяются на измерители мощности дозы — это ДП-5Б, ДП-5В, ИМД-5, и индивидуальные дозиметры — измеряют дозу излучения за промежуток времени. Это ДП-22В, ИД-1, КИД-1, КИД-2 и др. Они являются карманными дозиметрами, часть из них — прямопоказывающие.

Имеется также большое количество сигнализаторов о превы­шении радиационного фона, степени загрязненности поверхностей. Например, СЗБ-03 и СЗБ-04 сигнализируют о превышении величины загрязненности рук бета-активными веществами.

Оснащение радиологического отдела ветлаборатории. Характеристика и работа радиометра СРП-68-01.

Радиометр ДП-100

Радиометр СРП 68-01

Радиометр — дозиметр -01Р

Комплект дозиметров ДП-22В (ДП-24В).

Большинство из указанных выше радиометров и дозиметров имеется на кафедре в лаборатории.

В ядерных реакторах используется внутриядерная энергия, выделяющаяся при цепных реакциях деления U-235 и Pu-239. При цепной реакции деления, как в ядерном реакторе, так и в атомной бомбе образуется около 200 радиоактивных изотопов примерно 35 химических элементов. В атомном реакторе цепная реакция управляема, и ядерное топливо (U-235) “выгорает” в нём постепенно в течение 2-х лет. Продукты деления – радиоактивные изотопы –накапливаются в ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент). В реакторе атомный взрыв произойти ни теоретически, ни практически не может. На ЧАЭС в результате ошибок персонала и грубого нарушения технологии произошёл тепловой взрыв, и р/а изотопы две недели выбрасывались в атмосферу, разносились ветрами по разным направлениям и, оседая на обширных территориях, создали пятнистое загрязнение местности. Из всех р/а изотопов наиболее биологически опасными оказались: Йод-131 (I-131) – с периодом полураспада (Т 1/2) 8 суток, Стронций — 90 (Sr-90) — Т 1/2 -28 лет и Цезий — 137 (Сs-137) — Т 1/2 -30 лет. На ЧАЭС в результате аварии было выброшено 5% топлива и накопившихся радиоактивных изотопов это — 50 МКи активности. По цезию-137 это эквивалентно 100 шт. 200 Кт. атомных бомб. Сейчас в мире более 500 реакторов, и ряд стран на 70-80 % обеспечивает себя электроэнергией за счёт АЭС, в России 15%. С учётом исчерпания в обозримом будущем органических запасов топлива основным источником энергии будет атомная.

1. период острой йодной опасности (йод — 131) в течение 2-3 месяцев;

3. период корневого поступления (Сs-137, Sr-90) — с 1987 года на 90-100 лет.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Факторы, обуславливающие радиоактивность воздуха на открытой местности и в закрытом помещении.

2. Радон, источники, дозы, обусловленные радоном, мероприятия по снижению концентрации радона в закрытых помещениях.

3. Методы определения радиоактивности воздуха. Определение радиоактивности газов и аэрозолей.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА:

1. Используя бета-радиометр РКБ4-1еМ, определить объемную радиоактивность пробы воздуха в учебной комнате.

2. Сравнить полученные результаты с НРБ-99.

Атмосфера является мощным акцептором техногенных, в том числе и ядерно-энергетических, радиоактивных газоаэрозольных выбросов. Их последующее включение в токи воздушных масс, рассеяние, медленная механическая (гравитационная) седиментация ведут к относительно равномерному (глобальному) распределению цезий-стронциевых фоновых загрязнений среды. Наиболее загрязняют атмосферу наземные испытания ядерного оружия. Поступление и последующее распределение радиоактивности подчиняется здесь ряду закономерностей, предполагающих длительное присутствие фактора в составе среды.

До 90% радиоактивных осколков деления попадает в стратосферу, остальное – в тропосферу. При попадании радиоактивных аэрозолей в тропосферу происходит их глобальное «размывание» и перемещение током воздушных масс с большой скоростью, преимущественно по географическим параллелям от мест взрыва. Аналогично распространялись радионуклиды после чернобыльской аварии.

Основная часть загрязнений тропосферы выпадает с осадками в ближайшие дни-недели от момента взрыва в результате вовле­чения аэрозолей в процессы формирования облаков. Незначительная часть радионуклидов сорбируется аэрозолями воздуха, коагу­лируется с последующим «сухим» выпадением частиц. Скорость очищения тропосферы подчиняется экспоненциальному закону с периодом полуочищения 20–40 сут.

Гравитационное оседание частиц, ушедших в стратосферу, происходит крайне медленно, на протяжении десятилетий. Состав радионуклидов ядерного происхождения за время циркуляции в стратосфере меняется. Короткоживущие радионуклиды (наибольшая часть взрыва) распадаются, оставляя место цезий-стронциевым источникам глобального малоинтенсивного загрязнения среды. Переход стратосферных радионуклидов в тропосферу с последующим осаждением происходит преимущественно на широте 25 – 30 град в обоих полушариях с максимумом в Северном.

Безаварийные выбросы атомными электростанциями являются незначительными, но постоянными источниками поступления радионуклидов в атмосферу. Большая часть атмосферных загрязнений, выпадающих на поверхность Земли, при нормальном режиме работы АЭС крайне незначительна. В состав аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу вследствие аварийной утечки теплоносителя первого контура реактора, входит сложный комплекс радионуклидов, в том числе 88 Kr, 134 Cs, 58 Со, 60 Со, 54 Mn, 140 Ва, 140 Zn, 89 Sr, 131 I. Количество радиоактивных веществ, поступающих с выбросами реакторов в атмосферу, невелико.

Наибольшую опасность как потенциальные источники загрязнения атмосферы представляют предприятия по переработке ядерного топлива. Отходы (тепловыделяющие элементы – твэлы) этих предприятий содержат значительное количество долгоживущих радиоактивных веществ. К таким радионуклидам относятся, в частности, тритий (3 Н) и криптон (85 Кг), образующиеся при обработке твэлов. Обработка твэлов сопровождается также выделением газообразных и летучих продуктов деления: 3 Н, 14 С, 85 Кr, 129 I, 131 I, 106 Ru, 134 Cs, 137 Cs, радиоактивные актиноиды.

Особого внимания в плане загрязнения атмосферы заслуживает радиоактивный криптон. Эта химически инертная и безопасная в радиационном отношении составляющая выбросов является агрессивной по отношению к физическим экосистемным функциям атмосферы вследствие ее мощного вклада в ионизацию воздушной среды и трансформации нормального распределения этого процесса в разных слоях атмосферы.

Ионизация верхних слоев атмосферы под действием жесткого ультрафиолетового и ионизирующего излучений ведет к фотодиссоциации кислорода и образованию атмосферного озонового слоя планеты, выполняющего одну из важнейших экосистемных функций – экранирования и фильтрации космических излучений.

Второй, аналогичный, приземный слой атмосферы формируется благодаря реакциям ионообразования в непосредственной близости от поверхности Земли под действием радиации от естественных радионуклидов, преимущественно радона. Образование ионов в приземных слоях играет, очевидно, существенную антибактериальную (противоэпидемическую) функцию в биоценозах.

Распределение антропогенного источника ионизации атмосферы резко отличается от естественного. Практически весь образующийся 85 Kr выбрасывается в атмосферу в северном полушарии. Это приводит к некоторой неравномерности его распределения в атмосфере земного шара. Концентрация 85 Kr в южном полушарии в 1,3–1,4 раза ниже, чем в северном. По высоте 85 Kr распределяется практически равномерно вплоть до 20 – 25 км над уровнем моря. В настоящее время концентрация 85 Кг в атмосфере составляет ~ 3 нКи/м 3 воздуха независимо от высоты над уровнем моря. Равномерное (по высоте) распределение криптона (β-активного излучателя с энергией β-частиц 0,25 МэВ и энергией γ-квантов 0,514 МэВ, периодом полураспада 10,75 лет) в атмосфере может привести к неблагоприятным экологическим последствиям.

Ионы воздуха являются ядрами конденсации и соответственно образования и роста водяных капель, сорбирующих основные сульфатные и нитратные токсические загрязнители атмосферы. Повышенная конденсация, как следствие повышенного диффузного ионообразования, в сочетании с массивным токсическим техногенным загрязнением среды является одним из факторов образо­вания кислых туманов и дождей, закисления почв и ухудшения их репродуктивных функций, ведет к снижению иммунитета и, как следствие, к росту респираторных заболеваний. Массивное (диффузное) увеличение числа ядер конденсации может привести к формированию стратосферного сульфато-нитратного слоя, нарушению радиационного баланса Земли и к последующим труднопредсказуемым (нестабильным) изменениям климата.

Другим критическим радионуклидом, удаляемым в атмосферу в основном с выбросами заводов по переработке ядерного топлива, является тритий. Около 75% трития, содержащегося в ядерном топливе, выбрасывается в атмосферный воздух. Явные экологические изменения от присутствия трития в среде не прогнозируются.

Содержание радиоактивных веществ в воздухе нижних слоев атмосферы связано с несколькими факторами. Одним из них является первичное космическое излучение, под воздействием нейтронной компоненты которого ядра азота воздуха преобразуются в радиоактивный углерод С 14 , имеющий период полураспада, равный 5568 годам. Ежегодно в атмосфере Земли образуется около 10 кг С 14 , который затем участвует в процессах обмена в биосфере и может быть обнаружен практически во всех средах, содержащих углерод. По современным данным, концентрация С 14 в атмосферном воздухе составляет 1,3 × 10 -15 Ки/л. Кроме радиоактивного нуклида углерода под влиянием космического излучения в воздухе образуются тритий, бериллий, фосфор-32 и некоторые другие космогенные радионуклиды, значение кото­рых в радиоактивности воздуха незначительно.

Одними из главных короткоживущих радиоактивных нуклидов воздуха являются радон, образующийся при альфа-распаде радия, и продукты его распада. В атмосфе­ру радон попадает вследствие диффузии из поверхностных земных пород и каменных зданий, а также при сжигании каменного угля, природного газа.

Радон представляет собой инертный газ, не имеющий вкуса и запаха (в 7,5 раза тяжелее воздуха). Радон растворим в воде, но при кипячении полностью из нее удаляется. Радон химически инертен и реагирует только с сильными фторирующими реагентами.

В радиоактивных рядах семейства 238 U, 232 Th образуются альфа-активные радиоизотопы инертного газа радона: 222 Rn (радон), 220 Rn (торон). Все изотопы радона радиоактивны и довольно быстро распадаются: самый устойчивый изотоп 222 Rn имеет период полураспада 3,8 сут., второй по устойчивости – 220 Rn (торон) – 55,6 с. По вкладу в суммарную дозу облучения человека радон-222 примерно в 20 раз важнее, чем радон-220 (торон), поэтому для удобства оба изотопа в дальнейшем будем рассматривать вместе и называть просто радоном.

Характерная особенность изотопов Rn — способность создавать на соприкасающихся с ними телах радиоактивный осадок, состоящий из дочерних продуктов радиоактивного распада радона (ДПР) — короткоживущих и долгоживущих изотопов полония, свинца, висмута.

Схема образования и распада 222 Rn:

226 Ra (1620 лет) — a ® 222 Rn (3,82 дня) — a ® 218 Po (3,05 дня) — a ® 214 Pb (26,8 мин) — b ® 214 Bi (19,7 мин) — — b ® 214 Po (1,6×10 -4 c) — a ® 210 Pb (22 года) — b

Почему радон, имея преимущественно короткоживущие изотопы, не исчезает из атмосферного воздуха? Он постоянно поступает в атмосферу из земных пород при распаде ядер 238 U и 232 Th. Пород, содержащих уран и торий, в земной коре довольно много (например, граниты, фосфориты), поэтому убыль компенсируется поступлением и в атмосфере существует некая равновесная концентрация радона. Образующиеся в результате распада радона в воздухе его ДПР тут же прикрепляются к микроскопическим пылинкам-аэрозолям. Поверхность легких у человека составляет несколько десятков квадратных метров, поэтому легкие — хороший фильтр, осаждающий эти радиоактивные аэрозоли. ДПР радона «обстреливают» альфа- и бета-частицами поверхность легких и обусловливают свыше 80 % дозы, связанной с радоном. Изотоп 222 Rn дает примерно 50–55% дозы облучения, которое ежегодно получает каждый житель Земли, изотоп 220 Rn прибавляет к этому еще ~5–10%. Таким образом, большая часть облучения исходит от дочерних продуктов распада радона. Основной медико-биологический эффект облучения от радона и его ДПР — рак легких.

Концентрацию радона в воздухе определяют по его активности в кубическом метре — Бк/м 3 .

Человек большую часть своей жизни (около 80 % времени) проводит в помещениях (жилье, рабочие места). Полагают, что среднегодовая концентрация радона в них в 20 Бк/м 3 формирует индивидуальную дозовую нагрузку 1 мЗв/год.

Коллективная годовая эффективная доза облучения населения Российской Федерации в 2003 г. за счет природных источников составила 490,9 тыс. чел.-Зв, что соответствует 3,43 мЗв в среднем на одного жителя. Из них 2,22 мЗв за счет наличия радона в воздухе жилых помещений и 0,29 мЗв за счет содержания природных радионуклидов в пище и питьевой воде.

Наибольшие значения средних годовых эффективных доз в расчете на одного жителя за счет облучения природными источниками в 2003 г. зарегистрированы в Еврейской автономной области (11,7 мЗв), в Иркутской области (7,7 мЗв) в Усть-Ордынском Бурятском АО (7,7 мЗв), в Республике Бурятия (6,7 мЗв) в Липецкой (6,5 мЗв) и Читинской (6,2 мЗв) областях. Еще в 8 субъектах Российской Федерации средние годовые эффективные дозы облучения природными источниками в расчете на одного жителя превышают 5 мЗв.

Изотопы радона и продукты их распада широко распространены в природе. Они содержатся в горных породах, воде, воздухе, природном газе, нефти и т.д., поэтому целесообразно выделить из этих объектов те источники радона, которые оказывают непосредственное или потенциальное воздействие на организм человека — это почва и горные породы, строительные материалы, воздух и вода. В первую очередь содержание радона в окружающей среде зависит от концентрации материнских элементов в породах и почвах.

Почва и горные породы являются как непосредственным источником радона, так и природными материалами, которые используются в строительстве (песок, глина, гранит, ил). Радионуклиды, родоначальники радиоактивных семейств, широко распространены в породах и минералах природного происхождения, хотя и в малых концентрациях (средние значения для 238 U — 33 Бк/кг, для 232 Th — 34 Бк/кг), однако распределение их в земной коре очень неравномерно. Наиболее высокие концентрации урана свойственны изверженным (магматическим) породам, в особенности гранитам. Высокие концентрации урана также могут быть приурочены к темноцветным сланцам, осадочным породам, содержащим фосфаты, а также метаморфическим породам, образовавшимся из этих отложений. Естественно, что и почвы, и обломочные отложения, образовавшиеся в результате переработки вышеназванных пород, также будут обогащены ураном.

Из регионов России потенциально опасных выделяют Западную Сибирь (Белокуриха, Новосибирск), Забайкалье (Краснокаменск), Северный Кавказ (Пятигорск) и Северо-западные регионы России.

Основным источником поступления радона в воздух помещений является геологическое пространство под зданием. Радон легко проникает в помещения по проницаемым зонам земной коры. Здание с газопроницаемым полом, построенное на земной поверхности, может увеличивать поток радона, выходящего из земли, до 10 раз за счет перепада давления воздуха в помещениях здания и атмосфере. Этот перепад оценивается в среднем величиной около 5 Па и обусловлен двумя причинами: ветровой нагрузкой на здание (разрежение, возникающее на границе газовой струи) и перепадом температур между комнатным воздухом и атмосферой (эффект дымовой трубы). Образующийся при распаде 238 U и 232 Th радон через трещины и поры в породах земной поверхности и строительных изделиях непрерывно поступает в атмосферный воздух, в жилые и рабочие помещения.

Установлено, что поступление радона в воздух помещений и сооружений в основном связано с геологическими свойствами.

Высокие концентрации радона в почвенном воздухе образуются:

· при неглубоком залегании гранитных пород и хорошо проницаемых осадочных отложений, перекрывающих их;

· в зонах тектонических нарушений, проникающих в осадочный чехол и являющихся путями миграции радона;

· в зонах палеоврезов, заполненных хорошо проницаемыми песчано-гравийными отложениями, при неглубоко залегающих гранитных породах фундамента;

· в зонах развития моренных радоногенерирующих отложений.

Средняя концентрация радона на открытом воздухе зависит от высоты, географической широты, температуры, силы ветра, атмосферного давления и существенно различается для разных точек Земного шара. Влияние на концентрацию радона в атмосфере также оказывает удаленность от суши.

В атмосферу помещений радон поступает следующими путями:

· проникновением из почвогрунтов через фундамент и перекрытия подвальных помещений здания;

· за счет эксхаляции (выделения) из строительных материалов и изделий, из которых построено здание;

· с водопроводной водой и бытовым газом;

· за счет воздухообмена с атмосферным воздухом.

Наиболее существенным источником радона в помещениях является его проникновение из почвогрунтов и строительных материалов, используемых при строительстве домов, зданий и т.д.

Во многих странах обнаружено, что в жилых домах, построенных из материалов, которые содержат повышенные концентрации естественных радионуклидов, концентрации радона достигают значительных уровней, а среднегодовая доза облучения легких человека в результате вдыхания радона и его дочерних продуктов может составить несколько мЗв.

Человек повсюду контактирует с радоном, и, прежде всего, в жилых помещениях и зданиях. Поступая внутрь помещения тем или иным путем, радон накапливается. В результате в помещении могут возникнуть довольно высокие уровни концентрации радона, особенно если дом стоит на грунте с относительно высоким содержанием естественных радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной естественной радиоактивностью.

Таблица 20.

МОЩНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В ВОЗДУХ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Используемые в ряде случаев в строительстве радиоактивные строительные материалы являются, как правило, побочной продукцией, технологическими отходами. Например, фосфогипс является отходом при производстве фосфорной кислоты из осадочной фосфатной руды, красный глиняный кирпич — побочная продукция при получении глинозема из боксита, доменный шлак — побочный продукт процесса производства железа и т.д. В последние годы в качестве строительных материалов используются промышленные отходы. Однако использование некоторых из них впоследствии было ограничено из-за относительно высокого содержания радиоактивных элементов. Например, квасцовые глинистые сланцы в течение нескольких десятилетий использовались в Швеции для изготовления газобетона и составляли до одной трети сбыта в производстве строительных материалов. В 1979 г. производство их было полностью прекращено.

Проведенное изучение объемной активности радона в домах в Финляндии и Великобритании показало, что повышенное его содержание в основном определяется поступлением почвенного воздуха, обогащенного радоном, из грунта под строением. При этом радиоактивность почвенного воздуха определяется характером залегающих пород и количеством воды в них.

Концентрации радона в верхних этажах многоэтажных домов, как правило, ниже, чем на первом этаже. Исследования, проведенные в Норвегии, показали, что концентрация радона в деревянных домах даже выше, чем в кирпичных, хотя дерево выделяет совершенно ничтожное количество радона по сравнению с другими материалами. Это объясняется тем, что деревянные дома, как правило, имеют меньше этажей, чем кирпичные, и, следовательно, комнаты, в которых проводились измерения, находились ближе к земле — основному источнику радона.

В воздухе помещений большинства зданий среднегодовые концентрации радона и его дочерних продуктов не превышают 40 Бк/м 3 и только в 1-1,5 % домов эти концентрации могут быть более 100 Бк/м 3 . Встречаются, однако, случаи исключительно высокого содержания радона в жилых помещениях — до 1000 Бк/м 3 и даже больше, но число таких случаев в разных странах незначительно — 0,01- 0,1 % от общего количества обследованных домов.

Важным, хотя и менее значимым источником поступления радона в жилые помещения представляет собой вода и природный газ. Концентрация радона в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из некоторых источников, особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин, может содержать много радона. Наибольшая зарегистрированная удельная радиоактивность воды в системах водоснабжения составляет 100 млн. Бк/м 3 , наименьшая равна нулю. По оценкам НКДАР, среди всего населения Земли менее 1 % жителей потребляет воду с удельной радиоактивностью более 1 млн. Бк/м 3 и около 10 % пьют воду с концентрацией радона, превышающей 100 000 Бк/м 3 .

Радон поступает в воду из окружающей почвы, а также гранитов, базальтов, песка с которыми соприкасаются водоносные слои. Поэтому концентрация радона в водах зависит от концентрации материнских элементов в горных породах, омываемых ею, коэффициента эманирования, пористости или трещиноватости горных пород и скорости движения воды (расхода потока). Рыхлые или трещиноватые породы характеризуются повышенными концентрациями радона (зоны тектонических нарушений, кора выветривания и т.д.). Кристаллические породы обычно имеют более высокую концентрацию урана, чем средние осадочные породы. Примером пород, которые имеют повышенную концентрацию урана, являются граниты, сиениты, пегматиты, кислые вулканические породы, а также кислые гнейсы.

Подземные воды трещинных массивов кислых кристаллических пород обычно отличаются наиболее высокой концентрацией радона, достигающей 500 Бк/л и выше. Значительно ниже концентрация радона в водах основных изверженных пород. Трещинные воды известняков, песчаников, сланцев обычно имеют концентрацию радона в пределах 10-100 Бк/л. Однако, в отдельных случаях, и в этих породах могут встречаться повышенные концентрации радона. Подземные воды в горизонтах грунтовых вод, залегающих недалеко от поверхности, обычно имеют более низкую концентрацию радона, составляющую менее 50 Бк/л. В поверхностных водах концентрация радона, как правило, не превышает 2-5 Бк/л, главным образом, так как происходит его распад и аэрация в атмосферу.

В зависимости от геологических и гидрогеологических условий в различных районах земли создаются условия для формирования широкого спектра фоновых концентрации радона. Наряду с районами с пониженными фоновыми концентрациями радона в водах имеются территории с весьма высокими содержанием радона. Такие территории обнаружены в Бразилии, Индии, Канаде. В Иране известны родники с высокими концентрациями радона. Повышенными фоновыми концентрациями радона характеризуются скандинавские страны. Многочисленные зоны с высокой концентрацией радона в водах выявлены в США. В России выявлены зоны с концентрацией радона в воде в 300-400 Бк/л. Если в используемой воде содержится много радона, то есть несколько простых способов снижения радона в используемой воде. Самый простой из них, это кипячение. Обычно люди потребляют большую часть воды в виде горячих напитков и блюд (супы, чай, кофе). При кипячении воды или приготовлении пищи радон в значительной степени улетучивается. Также заметно снизить концентрацию можно при использовании фильтров из активированного угля.

Наибольшую опасность представляет поступление радона с водяными парами при пользовании душем, ванной, парной и т. п. Так, при обследовании ряда домов в Финляндии, было выяснено, что концентрация радона в ванной комнате в 40 раз выше, чем в жилой. Всего за 22 минуты пользования душем концентрация радона достигает величины, которая в 55 раз превышает предельно допустимую. В Швеции возникла острая проблема, связанная с проведением кампании за экономию энергии и тщательной герметизацией зданий: с 50-х до 70-х годов скорость вентилирования в домах уменьшилась более чем вдвое, а концентрация радона внутри домов увеличилась более чем в три раза.

В случае, когда для снабжения водой используются артезианские скважины, радон попадает в дом с водой и также может скапливаться в значительных количествах в кухнях и ванных комнатах. Дело в том, что радон очень хорошо растворяется в воде и при контакте подземных вод с радоном, они очень быстро насыщаются последним. В США уровень содержания радона в грунтовых водах колеблется от 10 до 100 Бк/л, в отдельных районах доходя до сотен и даже тысяч Бк/л.

Растворенный в воде радон действует двояко. С одной стороны, он вместе с водой попадает в пищеварительную систему, а с другой стороны, люди вдыхают выделяемый водой радон при ее использовании. Дело в том, что в тот момент, когда вода вытекает из крана, радон выделяется из нее, в результате чего концентрация радона в кухне или ванной комнате может в 30-40 раз превышать его уровень в других помещениях (например, в жилых комнатах). Второй (ингаляционный) способ воздействия радона считается более опасным для здоровья.

Из-за разнообразия условий радононакопления в водах в разных странах приняты различные величины допустимых концентраций радона, которые ограничивают использование вод с высоким его содержанием. Так, в Финляндии предельно допустимые концентрации установлены на уровне 300 Бк/л, в Швеции — 300 Бк/л, в Ирландии — 200 Бк/л. В России нормы радиационной безопасности (НРБ-99), устанавливают предельно допустимое содержание радона в воде в 60 Бк/л при отсутствии в воде других радиоактивных веществ.

Радон проникает также в природный газ под землей. В результате предварительной переработки и в процессе хранения газа перед поступлением его к потребителю большая часть радона распадается и улетучивается, но концентрация радона в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и другие нагревательные устройства, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. При наличии вытяжки, которая сообщается с наружным воздухом, пользование газом практически не влияет на концентрацию радона в помещении.

Экспрессные методы определения радиоактивности в любых объектах позволяют измерять удельную активность пробы или поверхностное радиоактивное загрязнение непосредственно (экспрессно) без так называемого обогащения измеряемых проб, то есть без концентрирования радиоактивных веществ в материале пробы (выпаривания, озоления, прессования, химического обогащения и т. д.).

В лабораториях СЭС, Госагропрома, Укоопсоюза, торговых организаций и других министерств и ведомств в настоящее время используют «Методику экспрессного определения объемной и удельной активности бета-излучающих нуклидов в воде, продуктах питания, продукции растениеводства и животноводства методом «прямого» измерения «толстых» проб.

В ней можно выделить пять основных операций:

  • отбор и подготовка проб исследуемого материала к измерениям;
  • подготовка радиометра «Бета» или другого имеющегося у вас прибора к работе;
  • измерение фона;
  • замер проб исследуемого материала (пищевых продуктов, сырья, воды и других объектов окружающей среды);
  • расчет радиоактивности (удельной массовой или объемной активности) проб и сопоставление их с допустимой нормой.

Отбор проб растений производят, как правило, на тех же участках, что и пробы почв. Для получения объединенной пробы растений массой 0,5-1 кг натуральной влажности, рекомендуется отбирать не менее 8-10 точечных проб. Надземную часть травяного покрова срезают острым ножом или ножницами (не засоряя почвой), укладывают в полиэтиленовый мешочек, вкладывают этикетку из картона или плотной бумаги, на которой отмечают название растения, фазу вегетации, место отбора, вид отбираемой продукции и дату.

Нижняя часть растений часто загрязнена почвой. В этом случае либо нужно срезать растения выше, либо тщательно отмыть материал дистиллированной водой. С посевов сельскохозяйственных культур следует брать пробы по диагонали поля или ломанной кривой. Объединенную пробу составляют из 8-10 точечных проб, взятых либо из наземной части растений или раздельно — стеблей и листьев, плодов, зерна, корнеплодов, клубнеплодов.

Отбор проб зерна производят по всей глубине насыпи зерна или мешка. Ручным щупом точечные пробы отбирают из верхнего и нижнего слоев, касаясь щупом дна. Общая масса точечных проб при отборе должна быть не менее 1 кг. Зерно перемешивают.

Пробы клубнеплодов и корнеплодов отбирают из буртов, насыпей, куч, автомашин, прицепов, вагонов, барж, хранилищ и непосредственно из земли. Пробы отбирают от однородной партии любого количества, одного сортотипа, заготовленного с одного поля, хранящегося в одинаковых условиях.

Точечные пробы отбирают по диагонали боковой поверхности бурта, насыпи, куч через равные расстояния на глубине 20- 30 см. Клубни и корнеплоды берут в трех точках подряд.

Среднюю пробу для анализа выделяют из объединенной, масса ее должна быть 1 кг.

Отбор проб травы и зеленой массы . С пастбищ или сенокосных угодий пробы отбирают непосредственно перед выпасом животных или скашиванием на корм, для чего на выбранном для отбора проб участке выделяют 8-10 учетных площадок размером 1 или 2 м 2 , размещая их по диагонали участка. Травостой скашивают (срезают) на высоте 3-5 см. Полученную со всех точечных проб или учетных площадок зеленую массу собирают на полог, тщательно перемешивают и расстилают ровным слоем, получая таким образом объединенную пробу, из которой отбирают среднюю пробу для анализа. Для составления средней пробы, масса которой должна быть 1 кг, траву берут порциями по 100 г из 10 различных мест.

Пробы грубых кормов , хранящихся в скирдах, стогах отбирают по периметру скирд, стогов на равных расстояниях друг от друга на высоте 1-1,5 м от поверхности земли со всех доступных сторон с глубины не менее 0,5 м.

Отбор проб продуктов (круп, бобовых, семян и т. п.) аналогичен методам отбора проб зерна. Яблоки, помидоры, баклажаны и др. отбирают по методу отбора корнеплодов и т. п. Из небольших партий продуктов (ягоды, зелень и т. п.) точечные пробы берут в четырех-пяти местах. Объединенная проба по весу или объему не должна превышать трехкратного количества, необходимого для измерения на соответствующем приборе.

Отбор молока и молочных продуктов производят из небольших емкостей (бидон, фляга и др.). Отбирают после перемешивания, а из крупных (цистерна, чан) — с разной глубины емкости кружкой с удлиненной ручкой или специальным пробоотборником. Величина средней пробы составляет 0,2-1 л и зависит от величины всей партии продукции.

Отбор проб мяса, органов сельскохозяйственных животных и птицы выполняют на убойных пунктах колхозов, совхозов, мясокомбинатах, рынках, в личных хозяйствах, а также магазинах.

Пробы мяса (без жира) от туш или полутуш отбирают кусками по 30-50 г в области четвертого-пятого шейных позвонков, лопатки, бедра и толстых частей спинных мышц. Общая масса пробы должна составлять 0,2-0,3 кг. Для специального лабораторного исследования отбирают также кости в количестве 0,3-0,5 кг (позвоночник и второе-третье ребро). Пробы внутренних органов животных отбирают в количествах: печень, почки, селезенка, легкие — 0,1 — 0,2 кг, щитовидная железа — весь орган. Птицу (цыплят) берут целыми тушками. Кур, индеек, уток, гусей — до 1/4 тушки. Количество проб определяется объемом и характером исследований.

Отбор проб рыбы производят на рыбокомбинатах, хладокомбинатах, рынках, в магазинах, а также при отлове — непосредственно в водоемах. Мелкие экземпляры рыб берут целыми тушками, крупные — только их среднюю часть. Исследованию подлежат все виды рыбы. Масса средней пробы составляет 0,3-0,5 кг. Количество проб определяется объемом и характером исследований.

Пробы яиц отбирают на птицефабриках, птицефермах совхозов, колхозов, на рынке, в магазинах и личных хозяйствах. Величина пробы — 2-3 яйца.

Отбор проб натурального меда производят на пасеках, в магазинах, на рынках, складах и базах хозяйств и потребкооперации.

Забор меда производят трубчатым алюминиевым пробоотборником (если мед жидкий) или щупом для масла (если мед плотный) из разных слоев продукции. Закристаллизованный мед отбирают коническим щупом, погружая его в мед под наклоном. При исследовании сотового меда из одной соторамки вырезают часть сота площадью 25 см 2 . Если сотовый мед кусковой, пробу берут в тех же объемах от каждой упаковки. После удаления восковых крышечек образцы меда помещают на сетчатый фильтр с диаметром ячеек не более 1 мм, вложенный в стакан, и ставят в духовку газовой плиты при температуре 40- 45 °С. Масса средней пробы — 0,2-0,3 кг.

Пробы шерсти, технической кости, рого-копытного, пушно-мехового сырья и шкур отбирают аналогично с последующим механическим дроблением или измельчением. Масса пробы — 100-200 г.

Отбор проб соков, сиропов, варенья, воды, компотов производят из перемешанной, однородной массы. Масса пробы — 100-200 г.

Пробы готовых мясных продуктов и колбасных изделий отбирают при их передаче в торговую сеть, непосредственно в магазинах или в местах хранения. Масса проб готовых мясных продуктов, полуфабрикатов и колбасных изделий составляет 200-300 г.

Отобранные пробы в необходимых случаях очищают, отмывают и измельчают. Пробы пищевых продуктов обрабатывают так, как на первом этапе приготовления пищи. Корнеплоды, клубнеплоды и картофель моют в проточной воде. С капусты удаляют несъедобные листья. Пищевую зелень, ягоды и фрукты также промывают проточной водой. Мясо и рыбу моют, с рыбы удаляют чешую и внутренности. С колбасных изделий снимают оболочку, с сыра- слой парафина. Подготовленные продукты измельчают при помощи мясорубки, терки, кофемолки и т. д. Пищевую зелень, траву, сено и т. д. измельчают ножом в эмалированной кювете.

Для измерения на радиометре «Бета» измельченный материал при помощи шпателя или ложки помещают в специальную кювету и уплотняют. Избыток с поверхности удаляют так, чтобы продукт находился на одном уровне с верхними краями корытца. При исследовании воды, молока и других жидких и пастообразных пищевых продуктов корытце заполняют контролируемой пробой.

Подготовка прибора к работе. Подготовка приборов «Бета», СРП-68-01 и других к измерению проб, радиоактивного загрязнения поверхностей или фона описаны в предыдущем разделе.

Измерения фона . Эту операцию осуществляют в пустой, чистой (продезактивированной) чашечке-корытце или же ее можно наполнить дистиллированной водой.

Фон измеряют перед началом исследования проб материала и по его окончанию. Если же проб много и измерения проводят длительное время, то повторные (промежуточные) замеры фона производят через каждые 2 ч работы. Затем все замеры фона суммируют и определяют его среднее значение, которое и используют при расчетах активности исследуемых материалов.

Замеры проб исследуемого материала. Подготовленную к исследованию пробу вставляют в свинцовый домик и в таких же условиях, как измерялся фон (одинаковое расстояние от счетчика и время замера) измеряют ее. На радиометре «Бета» и других приборах, как правило, производят одно измерение пробы в течение 1000 с или два замера по 100 с, или три -по 10 с и из двух более близких значений вычисляют среднее.

Правильное наполнение материалом пробы чашечки, кюветы или корытца позволяют потом автоматически переносить полученные значения удельной активности пробы к килограмму массы или литру объема исследуемого материала без дополнительных взвешиваний и перерасчетов. Это предусмотрено конструкцией прибора. Вот почему важно следить за правильным наполнением измеряемой емкости и не допускать недоливания (или недосыпания) материала пробы, так же как и перенаполнения.

Расчет радиоактивности пробы. Поскольку профессиональные радиометры непосредственно радиоактивность материала исследуемой пробы не измеряют, а определяют ее пропорциональную величину N (скорость счета импульсов, фиксируемых счетчиком прибора в единицу времени), то радиоактивность (удельную активность) определяют расчетным путем по формулам:

N = (N пр — N ф) / t ; A = KN (или А = N / P

где N пр — скорость счета частоты следования импульсов при измерении радиоактивного загрязнения «толстого» слоя пробы исследуемого материала (с учетом фона), имп.; N ф — средняя фоновая скорость счета (с пустой кюветой или наполненной дистиллированной водой), имп.; t — время измерения фона и пробы, с/мин); К — переводной коэффициент (берут из паспорта прибора), Ки. с (мин)/л (кг) . имп.; Р — чувствительность радиометра Р = 1/К; А — удельная объемная (Ки/л) или удельная массовая (Ки/кг) активность измеряемой пробы.

Пример . Допустим, что на радиометре «Бета» нужно замерить сухую заварку чая (грузинский, I сорт). На приборе N ф1 получилось равным 20 имп. за t =10 с, а N ф, = 19 и N ф = 21 имп. Среднее значение фона за 10 с измерений составит 20 имп.

Измеряем три раза в течение 10 с пробу чая. Получаем: N пр =30 имп., N пр2 = 34 и N пр3 = 32 имп. Среднее значение N пр = 32 имп.

Коэффициент в данном случае равен:

К = 5,26 . 10 -8 Ки. с/кг. имп.;

А = N К = 1,2 имп./с. 5,26 . 10 -8 Ки. с/кг. имп. = 6,3 . 10 -8 Ки/кг.

Допустимая норма для чая (сухой заварки) составляет 5 . 10 -7 Ки/кг, таким образом видим, что замеренный нами чай находится в пределах нормы, т. е. почти в восемь раз ниже нормы.

Однако следует отметить, что в данную методику расчета Госстандартом СССР с 1988 г. внесено дополнение по учету естественного изотопа калий-40. Первая формула расчета активности приняла вид:

где N K выбирают из таблицы содержания калия-40 в различных продуктах и сырье .

Это изменение в расчетах объясняется тем, что в последние годы из-за чрезмерной химизации полей и в частности использования калийных удобрений в продукцию растениеводства и животноводства поступает значительное количество радиоактивного калия (калия-40), а следовательно, его удельный вес в измерениях радиоактивности продуктов стал значимым и подлежит учету.

Рассмотрим, как переводить одни величины в другие и какие имеются соотношения между отдельными дозиметрическими единицами. Например, между миллирентгенами и кюри, кюри и бэрами и т. д.

Это единицы совершенно разных физических величин, хотя все они характеризуют радиоактивность или ее воздействие и поэтому не имеют строгих математических соотношений. Ориентировочно, очень приблизительно и только для конкретного региона и «букета» радионуклидов из практики (на эмпирической основе) можно предложить некоторые соотношения. Так, уровень радиации (фон) и загрязненность для определенного района можно определить из соотношений, приведенных в табл. 4.

4. Соотношение уровня радиации и загрязненности земли

Зная уровень радиации в данном месте, можно ориентировочно судить о загрязненности радионуклидами данной местности, и наоборот.

Соотношения между одними и теми же величинами в традиционных единицах и единицах системы СИ строго регламентированы и их математические значения приведены в приложении1.

Пример. Допустим, дозиметром измеряли уровень радиации и получили значение 0,020 мР/ч (20 мкР/ч). Определим, какую же дозу от этого фона получит человек, находясь на улице одни сутки, месяц или год, умножив дозу за час на соответствующее время. Получим: за час — 20 мкР, сутки — 480 мкР, месяц -14 400 мкР, год — 172,8 мР.

Но так как человек определенное время (более 50 %) находится в служебном или жилом помещении, то естественно он получит меньшую дозу. Например, в помещении дозиметр показал значение 0,01 мР/ч (или 10 мкР/ч). Значит, он получит дозу: за сутки — 240 мкР, месяц -7200 мкР (7,2 мР), год — 86,4 мР.

Если допустить, что этот человек по роду работы и по условиям проживания в среднем за год 50 % времени находится на улице, а 50% — в помещении, то доза будет средней: за час 15 мкР, сутки — 360 мкР, месяц- 10800 мкР (10,8 мР), за год-130 мР. Ну, и если быть более точным, то человек получит не 130 мР, а 130 мбэр, так как бэр (биологический эквивалент рентгена) — это эквивалентная доза облучения человека.

А теперь определим коэффициент ослабления помещением фонового облучения человека на открытой местности. Возьмем те же значения: на улице фон — 20 мкР/ч, а в помещении — 10 мкР/ч:

К овл = 20/10 = 2

т. е. данное помещение ослабляет внешнее облучение человека в два раза. Этот коэффициент еще называют коэффициентом защиты. В данном случае, мы вычислили коэффициент защиты от облучения человека стенами помещения.

Приведем эмпирическое соотношение по радиоактивности пищевых продуктов. Так, измеренная прибором «Поиск» (или другим) мощность экспозиционной дозы (МЭД), обусловленная гамма-излучающими радионуклидами пищевого продукта, в микрорентгенах в час может быть ориентировочно переведена в единицы удельной радиоактивности кюри на килограмм или кюри на литр:

Примечание. Данные для прибора «Поиск» (по эталону цезий-137) и для проб с плотностью, равной единице .

Из всех бытовых дозиметров и радиометров, предназначенных для населения, только прибор «Белла» проградуирован не в традиционных, а в международных единицах СИ — микрозивертах (единицах эквивалентной дозы). Ориентировочно их можно перевести в традиционные (микрорентгены). Обратимся к описанию прибора «Руководство по эксплуатации» и прилагаемым «Методическим указаниям», утвержденным заместителем директора Института биофизики Минздрава СССР академиком Л. А. Булдаковым 07.09.1989 г.

Диапазон измерений: 0,2-100 мкЗв/ч. Это соответствует: 20-10 тыс. мкР/ч. Для точного перевода: мкЗв=104 мкР.

Мощность дозы естественного фона составляет около 0,15 мкЗв/ч (15 мкР/ч) и в зависимости от местных условий может меняться в два раза.

Для населения, проживающего вблизи АЭС, Национальной комиссией по радиационной защите (НК.РЗ) установлен предел годовой дозы 5 мЗв, что соответствует 500 мбэр или 500 мР (т. к. бэр — это биологический эквивалент рентгена, 1 бэр = 1,04 Р).

Если радиоактивное загрязнение измеряемого пищевого продукта достигает 3700 Бк (»4 кБк), то показания прибора «Белла» возрастут от фона местности на 0,15 мкЗв/ч (15,6 мкР/ч). Это соответствует 1 . 10 -7 Ки/кг (Ки/л) радиоактивного загрязнения и от потребления таких пищевых продуктов рекомендуется отказаться или ограничить их потребление в обычном рационе вдвое, вчетверо, в десять раз (в зависимости от степени загрязнения).

Эта последняя рекомендация Минздрава СССР обязательна для всех приборов: если измеряемое радиоактивное загрязнение равно 1 10~7 Ки/кг (Ки/л) и выше, то такие пищевые продукты употреблять в пищу взрослого человека (и особенно детей) нельзя. Они требуют или специальной переработки (см. рекомендации в III главе), очистки или «разбавления» чистыми продуктами.

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра

экспериментальной физики

атмосферы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16

по дисциплине

“Методы и средства гидрометеорологических измерений”.

ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

Направление — Гидрометеорология

Специальность — Метеорология

Санкт — Петербург

УДК 5

Лабораторная работа № 16. Измерение радиоактивности. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерении”. – С.-Петербург.: РГГМУ, 2004, 14 с.

Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения, посвященные вопросу измерения радиоактивности, и перечень практических операций, выполняемых студентами. Особое внимание уделяется единицам измерения радиоактивности. Работа приобретает тем большую актуальность, что в настоящее время на территории России находится достаточно много загрязненных участков.

Ó Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2004.

Единицы измерения радиоактивности

Радиоактивное излучение возникает при распаде ядер. Жесткая радиация облучает тела, вызывая изменения в веществе, из которого они состоят. Поэтому есть несколько величин, описывающих радиоактивное излучение. Некоторые из них относятся к собственно радиоактивным материалам , другие описывают изменения в облучаемом веществе. Перечислим их.

1. Радиоактивность (А). Это количество ядерных распадов, происходящих в образце радиоактивного вещества за одну секунду. Разумеется, величина А зависит от природы радиоактивного вещества и от его количества. Радиоактивность измеряется в беккерелях (Бк):

Это единица СИ. Но для практического использования она слишком мала. Ею пользуются только тогда, когда радиоактивность вещества заведомо мала — например, при описании радиоактивности продуктов питания, воды или неактивных материалов (песка, почвы и т. п.).В этом случае используют понятие удельной активности, измеряемой в беккерелях на килограмм, или объемной активности, измеряемой в беккерелях на литр. Для описания радиоактивных веществ пользуются другой единицей, называемой кюри (Ки). Один кюри — это радиоактивность одного грамма радия. Известно, что за одну секунду в одном грамме радия происходит 3.7 · 1010 ядерных распадов. Следовательно, можно установить соотношение:

1 Kи = 3.7 · 1010 Бк

Когда исследуется радиоактивное заражение местности, используется такая единица, как кюри на квадратный километр (Kи/км2).

2. Поглощенная доза Д. Это отношение энергии (W), поглощенной облучаемым телом, к массе этого тела (m):

Разумеется, поглощенная доза измеряется в джоулях на килограмм. Такая единица получила название грей (Гр):

1 Гр = 1 Дж/кг

3. Экспозиционная доза J. Это отношение заряда (Q), образующегося в сухом воздухе при облучении, к массе сухого воздуха (m):

Экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм, или в рентгенах (р):

1 р = 2.58·10-4 Кл/кг

(Множи·10-4 появляется при переводе единиц заряда в систему СИ и объема воздуха в массу).

Можно легко установить следующее соотношение:

1 р = 8.77·10-3 Гр

Обычно используют такие единицы, как рентген в час (миллирентген в час, микрорентген в час).

4. Мощность дозы D·. Это отношение поглощенной дозы ко времени поглощения (τ):

Можно связать мощность дозы с радиоактивностью:

где r — расстояние между облучающим радиоактивным веществом и облучаемым телом, К – ионизационная постоянная, коэффициент, характеризующий радиоактивное вещество. Приведем величину К для некоторых изотопов.

Однако наиболее важным является воздействие радиации на организм человека. Поэтому введена еще одна, пятая единица.

5. Эквивалентная доза Де. Это поглощенная доза, умноженная на коэффициент (ke), зависящий от вида излучения. Соответствующая единица получила название зиверт (Зв):

Значение коэффициента ke приведено в таблице 2.

Как видно из таблицы, наиболее опасными являются осколки деления ядер.

Для описания радиоактивности местности используются дольные единицы — миллизиверт, микрозиверт (мЗв, мкЗв), а для определения мощности дозы — миллизиверт в час, микрозиверт в час (мЗв/час, мкЗв/час). Можно легко установить соотношение:

1 мкР/час = 100мкЗв/час,

1 мР/час = 100мЗв/час.

Теперь рассмотрим существующие нормы по основным единицам радиоактивности.

По отношению к радиоактивному облучению население делится на три следующие группы.

1. Специалисты — люди, работающие с радиоактивными веществами и проходящие частый медицинский контроль.

2. Люди, иногда работающие с радиоактивными веществами.

3. Все остальное население.

Нормы для этих групп населения различны. Поскольку первая группа проходит частый медицинский осмотр, причем у врачей существует по отношению к ним радиационная настороженность , то для этой группы нормы самые высокие. Для второй группы нормы приняты в десять раз меньше, для третьей – в сто раз меньше, чем для первой. В таблице 3. приведены нормы для этих трех групп.

Здесь же, в табл. 3 приведены величины естественного радиационного фона. Он может быть различным в разных районах. Так например, скальные породы (мрамор, гранит и т. д.) содержат радиоактивные изотопы, поэтому радиоактивный фон в скалистой местности несколько повышенный, до 0,3 — 0,4 мкЗв/час. Это не является опасным. Однако, если мощность дозы превышает 0,60 мкЗв/час (60 мкр/час), метеоролог-наблюдатель обязан известить об этом органы власти.

Примерное значение удельной активности для пищевых продуктов составляет Бк/кг. Не допускается применение пищевых продуктов с удельной активностью более 1 КБк/кг по β-излучению и 0,1 КБк/кг по α-излучению. Для строительных материалов (песок, щебень и т. д.) допустимые значения составляют не более 4 кБк/кг.

Принцип действия счетчика Гейгера

Основной частью счетчика является газоразрядная трубка, содержащая газ при пониженном давлении (рис.1.)

Когда частица (нейтрон, α-частица и пр.) влетает в трубку, происходит ионизация молекул газа. Образовавшиеся ионы летят к заряженным электродам трубки – аноду (1) и катоду (2). На своем пути они встречаются с другими молекулами газа. Длина свободного пробега (т. е. расстояние между молекулами) такова, что ионы успевают набрать скорость, достаточную для ионизации встретившейся молекулы. Тогда образуется новая пара ионов, которые также летят к электродам, ионизуют другие молекулы и т. д. Возникает лавинообразный процесс ионизации всех молекул газа в трубке. Трубка вспыхивает. Сопротивление трубки Rтр резко падает. Наличие гасящего сопротивления R ~ 107 Ом приводит к тому, что при Rтр<

В дозиметре ДРГБ-01 используется цифровой счетчик, подсчитывающий количество импульсов за определенный интервал времени. Число, соответствующее подсчитанному количеству импульсов, представляется на цифровом индикаторе. Параметры прибора подобраны так, что это число равно активности, измеренной в микрозивертах в час или в килобеккерелях на килограмм.

Порядок работы с прибором ДРГБ-01

Дозиметр ДРГБ-01 позволяет измерять следующие величины.

1. Значение мощности эквивалентной дозы γ-излучения (режим F), выраженное в мкЗв/час. Этот режим предполагает возможность как однократного, так и циклического (периодического) измерения с периодом 20 с.

2. Значение удельной активности объектов, обусловленное присутствием в них β- и γ-излучающих радионуклидов, выраженное в КБк/кг (режим А).

3. Значение поверхностной плотности потока β-частиц, обусловленное загрязнением какой-либо поверхности β-излучающими радионуклидами (режим В).

В настоящей работе предполагается использование дозиметра только в первых двух режимах.

Передняя панель дозиметра показана ни рис. 2.

Порядок работы с дозиметром в режиме F (измерение мощности дозы γ-излучения).

1. Не сдвигая пластиковый экран с задней крышки, сориентируйте прибор, держа его в руках на высоте около 1,5 м над исследуемым участком почвы.

2. Включите прибор, передвинув переключав крайнее правое положение. При этом на цифровом индикаторе (1) появляется буква «F» и начинают высвечиваться цифры 0.00; затем 0.01; 0.02 и т. д.

3. Через 20 секунд индикатор покажет измеренное значение мощности дозы в мкЗв/час. Например, значение F 0.15 означает 0,15 микрозиверт в час (или 15 микрорентген в час).

4. Без дополнительных операций прибор переходит в режим циклического измерения. Каждые 20 секунд на индикаторе появляется новое значение мощности дозы. Этот режим удобно использовать при непрерывном измерении, например, измеряя мощность дозы во время ходьбы вдоль маршрута. Если в циклическом режиме включен звуковой индикатор (переключатель 4 установлен в крайнее правое положение), то звуковой сигнал раздается при превышении мощности дозы 0,60 мкЗв/час (или 60 мкр/час).

5. Если желательно перевести прибор в режим однократного измерения (как это и предполагается в настоящей работе), то необходимо включить питание прибора переключателем (2), затем включить звуковую сигнализацию переключателем (4) и нажать кнопку (3) один раз. На цифровом индикаторе появляются знаки F 0.00; затем F 0.01; F 0.02 и т. д. Через 20 секунд звуковой сигнал укажет на окончание процесса измерения и цифра, появившееся на индикаторе, означает величину мощности эквивалентной дозы в мкЗв/час. Повторить измерения в однократном режиме можно, только предварительно выключив прибор (переключаустанавливается в левое положение), а затем снова включив его.

Порядок работы с дозиметром в режиме А (определение удельной активности воды, почвы, продуктов питания и т. д.).

1. Возьмите стандартную бытовую банку емкостью 0,5 литра (стеклянную или полиэтиленовую), заполните её исследуемым продуктом так, чтобы верхняя граница не доходила до края горловины банки на 3 — 5 миллиметров. Проба готова к измерениям.

2. Удалите прибор от банки на расстояние не менее 1,5 метра и проведите измерение фона. Для этого включите прибор, поставив переключав правое положение, включите звуковую сигнализацию переключателем (4) и нажмите кнопку (3) два раза. На индикаторе появляются знаки R.00.0., далее значение на индикаторе возрастает. Через 520 секунд (8 минут 40 секунд) прибор выдает звуковой сигнал и точка после крайней правой цифры на индикаторе исчезает. Эти цифры не подлежат самостоятельному использованию и не должны записываться в журнал наблюдений.

3. Верните прибор к месту расположения пробы. Не снимая экрана, расположите прибор на горловине банки с пробой так, как показано на рис. 2. Нажмите кнопку (3) один раз. Через 520 секунд прибор выдает звуковой сигнал и точка после крайней правой цифры на индикаторе исчезает. Эти цифры на индикаторе являются примерным значением удельной активности продукта, выраженной в КБк/кг.

4. Для точного определения удельной активности продукта значение, снятое с индикатора, следует умножить на поправочный коэффициент, взятый из таблицы 1. (см. приложение).

5. Повторное измерение удельной активности можно проводить только после выключения прибора и повторения всех операций п. п.2 — 4.

Выполнение работы

1. Получите у лаборанта или преподавателя дозиметр ДРБГ-01. Включите его и измерьте уровень радиоактивного фона в лаборатории в режиме F, выполнив соответствующие операции (см. выше). Соответствует ли это значение норме?

2. Расположите дозиметр над маломощным источником радиоактивного излучения на высотесантиметров. Для обеспечения безопасности работы источник закрыт крышкой и должен находиться в цилиндрическом металлическом экране. Снимите металлическую крышку с источника и в режиме F измерьте уровень излучения от источника на этой высоте.

3. Положите на источник один из образцов парафина, предварительно записав его толщину h. Измерьте уровень излучения. Далее повторите измерения, поместив другой, более толстый образец. Составьте таблицу зависимости уровня излучения от толщины образцов парафина. Комбинируйте образцы, укладывая их друг на друга и определяя суммарную толщину h. Составьте график полученной зависимости Дэ(h).

4. Измерьте удельную радиоактивность водопроводной воды, для чего приготовьте пробу, наполнив водопроводной водой стеклянную банку. Запишите полученное значение и определите удельную активность А в килобеккерелях на килограмм, используя поправочный коэффициент (см. приложение).

5. Измерьте удельную активность гранитного щебня, воспользовавшись готовой пробой, имеющейся в лаборатории. Запишите полученное значение и определите удельную активность А в килобеккерелях на килограмм, используя поправочный коэффициент (см. приложение). Сравните его с активностью водопроводной воды. Чем Вы объясняете разницу в значениях?

6. Выключите прибор, сдайте его лаборанту или преподавателю и уберите своё рабочее место.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Краткое описание принципа действия дозиметра ДРБГ-01.

2. Порядок всех Ваших действий во время работы.

3. Значение радиоактивного фона в лаборатории, выраженное в мкЗв/час и в мкР/час.

4. График зависимости радиоактивного излучения маломощного источника радиации как функцию толщины образцов парафина Дэ(h).

5. Значение удельной активности водопроводной воды и гранитного щебня в КБк/Кг.

6. Объяснение и анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Что такое радиоактивность и в каких единицах она измеряется?

2. Объясните смысл понятий «поглощенная доза» и «мощность дозы» В каких единицах измеряются эти величины?

3. Что такое экспозиционная доза? Объясните физический смысл понятия «рентген» и «рентген в час». Каково соотношение между этими единицами и единицами системы СИ?

4. Что такое эквивалентная доза? Какие единицы применяются для её измерения?

5. Что такое удельная радиоактивность продуктов? В каких единицах она измеряется? Каковы допустимые значения удельной активности для пищевых продуктов? Для строительных материалов?

6. Каковы основные нормы радиоактивного облучения для населения? Почему эти нормы различны для разных групп населения?

7. Вы измеряете уровень радиоактивности на метеорологической станции. Полученное Вами значение — 0,7 мкЗв/час. Является ли это нормальным? Ваши действия в этом случае.

8. Объясните принцип действия счетчика Гейгера.

9. Для чего в схеме счетчика Гейгера ставится гасящее сопротивление?

Список литературы

1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Минздрав России, 19с.

2. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99). Минздрав России, 20с.

3. Дозиметр-радиометр ДРГБ-01 — «ЭКО-1». Руководство по эксплуатациис.

Приложение

Поправочные коэффициенты к показаниям дозиметра ДРГБ-01 для вычисления удельной радиоактивности продуктов.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий