Тема 9. Методи вимірювання іонізуючих випромінювань

Вид заняття: лекція

Час: 4 години

 

Навчальні питання:

1. Класифікація та дозиметрія іонізуючих випромінювань.

2. Радіоактивні забруднення.

3. Вимірювання іонізуючих випромінювань.

4. Принципи γ – спектроскопії.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища.- К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища.- К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Класифікація та дозиметрія іонізуючих випромінювань

 

Іонізуюче випромінювання - це потоки частинок і електромагнітних квантів, взаємодія яких з середовищем зумовлює іонізацію його атомів і молекул.

Іонізуюче випромінювання має достатньо енергії для віддалення електронів з орбіт, внаслідок чого атом набуває заряду і стає іонізованим. До іонізуючого випромінювання можна віднести потоки α-частинок, електронів, позитронів, протонів, нейтронів, рентгенівське та γ-випромінювання, космічні промені.

а - частинки - це ядра гелію 4Не, що містять 2 протони і 2 нейтрони;

β - частинки - електрони й позитрони, що посилаються атомними ядрами під час бета-розпаду;

рентгенівське випромінювання - електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між γ - та ультрафіолетовим випромінюванням у межах довжин хвиль 10-14...10-7 м;

γ - випромінювання - короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, меншою ніж 2 · 10-10м;

космічні промені - потік елементарних частинок високої енергії, переважно протонів, що надходять на Землю ізотропно з усіх напрямків космічного простору, а також вторинне випромінювання, що утворюється за взаємодії протонів з атомними ядрами повітря.

У 1896 р. французький фізик А. Бекерель відкрив явище радіоактивності - здатності деяких атомних ядер самовільно (спонтанно) перетворюватися на інші ядра з випромінюванням частинок. До радіоактивних перетворень відносять а- розпад (розпад атомних ядер, що супроводжується посиланням α-частинок), всі види β- розпаду (самовільних перетворень нейтрона в протон і протона в нейтрон усередині атомного ядра) і спонтанний поділ ядер (самовільний поділ важких ядер). Радіоактивний розпад часто супроводжується γ- випромінюванням. Розрізняють природну та штучну радіоактивність, між якими немає принципової різниці. Природна радіоактивність утворюється за бомбардування молекул газу в верхніх шарах атмосфери іонізуючим космічним випромінюванням Сонця та за рахунок присутніх у земній корі радіоактивних елементів (уран, актиній, торій, нептуній). Радіоактивні матеріали небажаного характеру, що осідають по площах, обладнанні та персоналі, називають радіоактивним забрудненням.

Основними джерелами іонізуючих випромінювань і радіоактивного забруднення біосфери є природна радіоактивність, розробка, добування та збагачування копалин, використання радіоактивної сировини в реакторах, переробка ядерного палива в установках, випробування та застосування ядерної зброї, захоронення відпрацьованого палива й радіоактивних відходів, тероризм.

 

Дозиметрія іонізуючих випромінювань

Вимірювання характеристик іонізуючих випромінювань під час їх взаємодії з середовищем, від яких залежать радіаційні ефекти в об’єктах живої та неживої природи, що опромінюються, становить суть дозиметрії.

Доза - це енергія іонізуючого випромінювання, яка поглинається речовиною, що опромінюється. Доза залежить від типу випромінювання, його інтенсивності, тривалості опромінювання та складу речовини, що опромінюється.

Розрізняють такі дози:

Поглинута доза - це розрахована на одиницю маси речовини, що опромінюється, поглинута енергія випромінювання. Одиниці поглинутої дози: 1 Гр = 1 Дж/1 кг; 1 рад = 10-2 Гр. (Термін «рад» походить від англійської фрази «Radiation Absorbed Dose»).

Приріст поглинутої дози за одиницю часу називають потужністюпоглинутої дози. Одиниця випромінювання поглинутої дози – Гр/с, рад/с.

Експозиційна доза визначається як відношення сумарного заряду всіх іонів одного знака, утворених у повітрі вторинними частинками (електронами й позитронами, що утворюються в елементарному об’ємі під час їх повного гальмування) до маси повітря в цьому об’ємі. Одиниці експозиційної дози: 1 Кл/кг1; позасистемна одиниця – рентген.

Приріст експозиційної дози за одиницю часу називають потужністюекспозиційної дози. Одиниця випромінювання потужності експозиційної дози – Кл/кг · с.

Еквівалентна доза - це поглинута енергія випромінювання, біологічно еквівалентна одному рентгену. Під час опромінювання живих організмів, зокрема людини, можуть виникати несприятливі наслідки, що визначають рівень радіаційної безпеки. Біологічні ефекти залежать не тільки від дози, але й від типу іонізуючого випромінювання. Наприклад, при однаковій дозі α- частинки призводять до біологічних руйнувань в десятки разів менших, ніж при дії рентгенівського випромінювання.

Таким чином, знання поглинутої дози недостатньо для оцінки радіаційно-індукованого ефекту. Біологічні ефекти, зумовлені будь-яким іонізаційним випромінюванням, прийнято порівнювати з біологічними ефектами, що виникають під впливом рентгенівського випромінювання з граничною енергією 250 кеВ. Це порівняння здійснюється за допомогою коефіцієнта якості випромінювання k, що визначається як кількість рад рентгенівського або γ-випромінювання і викликає такі самі біологічні пошкодження, як і 1 рад даного іонізуючого випромінювання. Для рентгенівського і γ-випромінювання k = 1,0,α-частинок- 20, β-частинок і електронів - 1,0, нейтронів - 10, важких іонів - 20.

Одиниці еквівалентної дози - зіверт : 1 Зв = 1 Дж/кг = 100 бер.

 

2. Радіоактивні забруднення

 

З точки зору екології найбільш небезпечними є радіоактивні елементи з періодом піврозпаду від кількох тижнів до кількох років. Це, наприклад, стронцій90Sr, що накопичується в кісткових тканинах (28 років), і цезій 137Cs (32 роки). Крім того, небезпечними є ізотопи простих елементів, що входять до складу живої речовини - 14С, 32Р, 45Са, 35S. Небезпечними є радіоактивні опади, що виникають внаслідок випробування ядерної зброї. Радіоактивні домішки розсіюються в атмосфері, а далі через грунт і воду потрапляють у біомасу. Джерелом радіоактивного забруднення є атомна промисловість. Забруднення може відбуватися під час видобування й збагачення копалин, використання сировини в реакторах, обробки ядерного палива в установках. Надзвичайно гострою для навколишнього середовища є проблема утилізації радіоактивних відходів.

Радіоактивні відходи

Всі ядерні реактори використовують уранове паливо. Уран виділяють з руди і очищають за допомогою хімічних процесів. Природний уран складається з 0,72% урану-235 і 99,2% урану-238. Такий уран використовують в реакторах з важкою водою. Для роботи реакторів з легкою водою потрібен уран-235, концентрація якого збільшується в 4…5 разів на збагачувальних підприємствах. Уранове паливо виготовляють у вигляді стрижнів, які занурюють у реактор, де вони залишаються близько двох років. За цей час стрижні стають вкрай радіоактивними внаслідок процесу розпаду та утворення трансуранових елементів - плутонію, америцію, кюрію. Після того, як стрижні виймають з реактора, їх охолоджують протягом одного-двох років у спеціальних басейнах і транспортують у підземне сховище.

 

3. Вимірювання іонізуючих випромінювань

 

Основні методи вимірювання іонізуючих випромінювань ґрунтуються на: збиранні і реєстрації електронів та іонів, що вивільнюються в процесі іонізації; обстеженні флуоресценції речовини, що поглинає іонізуюче випромінювання; використанні та аналізі хімічних реакцій, що викликаються іонізуючим випромінюванням; вимірюванні тепла, яке утворюється за поглинання іонізуючого випромінювання. Серед параметрів іонізуючого випромінювання, що реєструються, слід виділити тип випромінювання, енергію квантів або частинок, величину потоку або швидкості зміни потоку квантів або частинок, часовий або просторовий розподіл іонізуючого випромінювання. Розглянемо основні методи вимірювання іонізуючих випромінювань.

Заповнені газом детектори. В основі роботи детекторів цього типу лежить прикладання напруги до просторово розділених електродів, розташованих у камері, заповненій слабко іонізованим газом. Позитивні іони та електрони, що утворюються в камері, збираються на електродах і спричиняють появу електричного струму або імпульсів. Кількість пар «іон-електрон» прямо пропорційна енергії випромінювання. Серед основних типів заповнених газом детекторів можна виділити іонізаційну камеру, пропорційні лічильники та лічильник Гейгера – Мюллера.

Іонізаційна камера - детектор, дія якого ґрунтується на здатності заряджених частинок викликати іонізацію газу. Принциповою перевагою детектора цього типу є можливість отримання безпосередньої інформації щодо експозиційної або поглинутої дози. Зовнішній вигляд камери наведено на рис. 9.1.

Пропорційний лічильник утворює сигнал, амплітуда якого пропорційна енергії, що виділяється в його об’ємі частинкою, що реєструється. Конструкція детектора передбачає наявність центрального електрода, до якого прямують електрони, що вивільняються завдяки іонізації.

Видно, що поблизу електрода напруженість електричного поля настільки велика, що первинні електрони набувають енергії, достатньої для вторинної іонізації. Внаслідок цього на центральний електрод надходить лавина електронів. Відношення повної кількості зібраних на електроді електронів до їх первинної кількості називають коефіцієнтом газового підсилення; величина його може сягати 102...104.

Рис. 9.1. Іонізаційна камера

Лічильник Гейгера-Мюллера - газорозрядний детектор, що працює при проходженні через нього заряджених частинок (рис. 9.2).

 

Рис. 9.2. Лічильник Гейгера-Мюллера

 

До електродів прикладають напругу величиною кількасот вольт. За проходження іонізуючої частинки в газі утворюються вільні електрони, що рухаються до центрального електрода. Поблизу електрода напруженість електричного поля збільшується, електрони прискорюються настільки, що починають в свою чергу іонізувати газ. Виникає коронний розряд, що поширюється вздовж електрода. В зовнішньому ланцюзі утворюються електричні імпульси, що відповідають спалахам розряду. Кількість цих імпульсів за одиницю часу дорівнює кількості іонізуючих частинок.

Сцинтиляційний лічильник - детектор, основними елементами якого є речовина, що люмінесцірує під впливом заряджених частинок, та фотоелектронний помножувач. Заряджена частинка проходить крізь речовину, викликаючи не лише іонізацію атомів і молекул, а й їх збудження. Перехід атомів і молекул із збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням кванта видимого або ультрафіолетового діапазону. Кожний такий світловий спалах, що називають сцинтиляцією, реєструється фотоелектронним помножувачем, електричні імпульси з виходу якого подаються на систему реєстрації. Зовнішній вигляд сцинтиляційного лічильника зображено на рис. 9.3.

 

Рис. 9.3. Сцинтиляційний лічильник

 

Перевагою такого лічильника є висока чутливість (через високу густину робочої речовини), особливо до γ-випромінювання, швидкодія та здатність визначати енергію частинки або кванта випромінювання.

Напівпровідниковий лічильник - в основі лежить іонізація атомів твердого тіла, за якої утворюються вільні електрони в зоні провідності і дірки у валентній зоні. Частинка, що проникає в кристал, генерує в ньому додаткові електронно-діркові пари. Носії заряду (електрони і дірки) під впливом прикладеного електричного поля переміщуються до електродів, завдяки чому в електричному ланцюзі утворюється електричний імпульс, який підсилюється і реєструється.

Напівпровідникові лічильники на порядок чутливіші, ніж газові.Термолюмінесцентні детектори використовують процес люмінесценції при нагріванні речовини, що попередньо збуджується випромінюванням. Під час нагрівання речовини електрони, що захоплюються уловлювачами, вивільнюються і переходять на рівні з меншою енергією, посилаючи квант світла. Складаються термолюмінесцентні детектори з камери, пов’язаної з системою нагрівання, фотоелектронним помножувачем, підсилювачем та термопарою для вимірювання температури.

Трекові детектори - в основі роботи лежить іонізація атомів або молекул речовини; іони, що утворюються, реєструють завдяки конденсації пересиченої пари (камера Вільсона), пароутворенню перегрітої рідини (бульбашкова камера),утворенню розрядів у газах (іскрова камера).

Фотографічне детектування ґрунтується на використанні плівок, в яких шар емульсії (бромисте срібло на желатиновій основі) має в десятки разів більшу товщину, ніж у звичайних фотоплівках, що підвищує ефективність взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною. Механізм цієї взаємодії полягає в поглинанні іонізуючого випромінювання речовиною за фотоелектричного процесу, завдяки якому енергія випромінювання передається електрону. Цей електрон іонізації утворює інші вільні електрони, що взаємодіють з позитивними іонами срібла і змінюють їх розподіл на плівці.

 

4. Принципи γ - спектроскопії

 

Фотоелектричне поглинання супроводжується перенесенням всієї енергіїγ- випромінювання на внутрішні електронні орбіти атома, внаслідок чого електрон залишає атом, а γ-випромінювання зникає (рис. 9.4).

 

Рис. 9.4. Фотоелектричне поглинання

 

Але вакантне місце на внутрішній орбіті займає електрон із зовнішньої орбіти; цьому переходу відповідає вивільнення певної енергії у вигляді кванта рентгенівського випромінювання. Цей квант називають характеристичним,оскільки він характеризує речовину, що поглинає γ-випромінювання. Фотоелектричний ефект відбувається при дії зовсім малих (десятки кеВ) енергій.

Комптонівський ефект полягає в пружному розсіюванні квантів рентгенівського або γ-випромінювання на вільних або зовнішніх, слабко пов'язаних з атомом електронах. У цьому разі квант передає частину своєї енергії електрону і змінює напрямок руху, тобто розсіюється; зменшення енергії означає збільшення довжини хвилі розсіяного випромінювання.

Утворення пар - процес, що відбувається за достатньо високих рівнів енергії, при яких γ- квант поглинається атомним ядром речовини. За цього поглинання утворюється пара «електрон-позитрон». Це той самий випадок, коли енергія перетворюється на масу. Для утворення пари (згідно з співвідношеннямЕ = тс2) необхідна енергія 1,022 МеВ. Позитрон живе недовго, оскільки при зустрічі з електроном він поглинається останнім, посилаючи два кванти з енергією 0,51 МеВ.

Таким чином, вимірювання залежності інтенсивності γ- випромінювання від довжини хвилі або енергії квантів становить суть рентгенівської таγ- спектрометрії. Основною метою спектрометрії іонізуючого випромінювання є ідентифікація радіонуклідів.

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»