Т. И. Юрасова основы радиационной безопасности

Вид материала

Документы

Содержание 17.1. Методы и средства радиационного контроля. 17.2. Методы дозиметрии ионизирующих излучений. Ионизационная камера

Подобный материал:

• Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Основы радиационной, 237.73kb.
• Федеральный надзор россии по ядерной и радиационной безопасности, 790.94kb.
• Обеспечение радиационной безопасности населения, 185.1kb.
• Система радиационной безопасности ир ввр-м, 257.59kb.
• Конституция Российской Федерации, федеральные закон, 245.01kb.
• Конституции Российской Федерации и федеральных закон, 327.39kb.
• Ю. А. Александров Основы радиационной экологии Учебное пособие, 5090.11kb.
• Й на радиационно-опасных объектах (роо) применяемых в целях предотвращения хищения, 33.21kb.
• Использование систем индикаторов безопасности органами регулирования ядерной и радиационной, 147.24kb.
• 1. Основные документы нормативно-правового обеспечения радиационной безопасности работ, 239.18kb.

17. Основы дозиметрии и приборы контроля активности,

мощности дозы и дозы ионизирующего излучения.


17.1. Методы и средства радиационного контроля.

Общие положения.


Для того, чтобы связать биологические изменения, происходящие в организме при его облучении, с величиной воздействия ионизирующих излучений, необходимо измерить величину этого воздействия. Большой экспериментальный материал показывает, что при облучении всего организма существует прямая связь между величиной биологического эффекта и величиной плотности поглощенной энергии, т.е. энергией, поглощенной 1 см³ ткани.

Вследствие того, что ионизацию в ткани непосредственно измерить невозможно, измеряют ионизацию в воздухе и делают перерасчет на ткань. Для этой цели воздух является наиболее подходящим веществом:

1. воздух является тканеподобным веществом, т.к. при одинаковых условиях облучения энергия, поглощаемая в 1 г воздуха, практически равна энергии, поглощенной в 1 г ткани. Это обусловлено тем, что средний атомный номер воздуха мало отличается от среднего атомного номера ткани. Вследствие этого, измеряя энергию, поглощенную в воздухе, можно достаточно точно определить и энергию, поглощенную в ткани;
   
2. в воздухе можно легко и точно измерить ионизацию, производимую излучением. Так как ионизация (число пар ионов в 1 см³) пропорциональна поглощенной энергии, то по ионизации можно определить и поглощенную энергию, т.е. дозу в воздухе.
   

Ионизирующее излучение не может быть обнаружено органами чувств человека. Чтобы обнаружить и оценить воздействие различных видов ионизирующих излучений на организм человека пользуются всевозможными инструментальными методами их регистрации. Все существующие методы регистрации, определение дозы и ее мощности основаны на взаимодействии излучений с веществом и различаются по характеру используемого эффекта и по способу его регистрации.

Приборы, служащие для измерения дозы ионизирующего излучения, получили название дозиметров. Радиационный контроль является одним из основных элементов службы техники безопасности каждого предприятия или учреждения, имеющего дело с любыми источниками ионизирующих излучений. Целью такого контроля является получение с помощью различных приборов необходимой информации о состоянии радиационной обстановки и уровнях облучения персонала и населения.

Контроль за радиационной обстановкой в зависимости от характера проводимых работ должен включать в себя:

1. контроль за мощностью дозы рентгеновского и -излучений, за плотностью потоков -частиц, нейтронов и других излучений на рабочих местах, в смежных помещениях и на территории учреждения;
   
2. контроль за содержанием радиоактивных газов и аэрозолей в воздухе рабочих и других помещений;
   
3. контроль за уровнем загрязнения радиоактивными веществами рабочих поверхностей и оборудования, кожных покровов и спецодежды работающих;
   
4. контроль за выбросами радиоактивных веществ в атмосферу;
   
5. контроль за содержанием радиоактивных веществ в жидких отходах, сбрасываемых непосредственно в канализацию или в водоемы;
   
6. контроль за сбором, удалением и обезвреживанием радиоактивных твердых и жидких отходов;
   
7. контроль за уровнем загрязнения радиоактивными веществами транспортных средств.
   

Контроль индивидуального облучения персонала в зависимости от характера работ предусматривает:

1. контроль дозы внешнего -излучения, нейтронов, рентгеновского и -излучений с использованием индивидуальных дозиметров;
   
2. контроль содержания радиоактивных веществ в организме или в отдельных органах;
   
3. контроль поступления радиоактивного вещества в организм работников.
   

Результаты радиационного дозиметрического контроля должны регистрироваться в специальных журналах. Эти результаты необходимо периодически анализировать, чтобы вносить изменения в план-график контроля на следующий период и уточнить необходимые точки контроля. Такой анализ рекомендуется проводить не реже одного раза в год. На основании результатов контроля служба радиационной безопасности ежегодно заполняет установленные формы отчетности по состоянию радиационной обстановки в учреждениях и облучаемости персонала и направляет их в вышестоящие организации и местный орган Госсанэпиднадзора.

В связи с многообразием условий, в которых человек может подвергаться воздействию ионизирующих излучений, в настоящее время не существует отдельного прибора, который был бы пригоден для всех условий работ. Выпускается большое количество типов и моделей приборов, имеющих свое особое устройство, назначение и пределы измерений.

Наибольшее распространение получили приборы, основанные на измерении степени ионизации среды, через которую прошло излучение (ионизационный метод). Другие методы регистрации основаны на измерении вторичных эффектов, обусловленных ионизацией: почернение фотографической пленки (фотометод), свечение некоторых веществ под действием излучения (люминесцентный метод), изменение химических свойств веществ (химический метод) и некоторые, другие. Для контроля за содержанием радиоактивных веществ в организме (оценки внутреннего, облучения всего тела или отдельных органов) используют методы прямой прижизненной радиометрии (спектрометрии) -излучения тела или методы косвенной дозиметрии, основанные на измерении активности проб биосубстратов (мочи, кала).

17.2. Методы дозиметрии ионизирующих излучений.


В зависимости от того, какие физические и химические изменения в веществе используют для регистрации излучений, различают следующие методы дозиметрии ионизирующих излучений:


ионизационный;

сцинцилляционный;

химический;

фотографический;

калориметрический;

термолюминисцентный и др.


В каждом из перечисленных методов дозиметрии имеются различные элементы, физические или химические изменения, которые используются для регистрации излучения. Эти элементы называются детекторами.


Ионизационный метод дозиметрии.

Ионизационный метод дозиметрии использует явление ионизации атомов вещества под действием излучений. В результате ионизации появляются положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны, которые увеличивают электропроводность облучаемого вещества. Если к облучаемому веществу приложить разность потенциалов от источника ЭДС, то в цепи появится ток, который может быть зарегистрирован. Этот ток называется ионизационным. При использовании ионизационного метода дозиметрии применяют различные детекторы: ионизационные камеры, газоразрядные, кристаллические и полупроводниковые счетчики.


Сцинцилляционный метод дозиметрии.

Сцинцилляционный метод дозиметрии использует свойство некоторых веществ излучать в виде световых вспышек часть энергии, затраченной на возбуждение и ионизацию атомов (или молекул) вещества. Такие вещества называются сцинтилляторами или фосфорами.

Различные элементы, изготовленные из сцинтиллирующих веществ, являются детекторами при этом методе дозиметрии. Наблюдение световых вспышек осуществляется при помощи фотоэлектронных умножителей. Сцинтиллятор вместе с фотоэлектронным умножителем образуют сцинтилляционный счетчик.


Фотографический метод дозиметрии.

Фотографический метод дозиметрии использует действие ионизирующих излучений на фотопленку или фотографические пластинки. Установлено, что после обработки облучением фотографических материалов их прозрачность уменьшается – происходит почернение. Степень почернения приблизительно пропорциональна дозе облучения.


Химический метод дозиметрии.

Химический метод дозиметрии использует химические изменения, происходящие в некоторых веществах при воздействии на них ионизирующих излучений. При облучении ионизированные и возбужденные молекулы вследствие своей неустойчивости разлагаются с образованием химических радикалов, обладающих высокой реакционной способностью. Они взаимодействуют с другими молекулами вещества и образуют конечные продукты реакции. Количество этих продуктов пропорционально дозе облучения.


Калориметрические методы дозиметрии.

Энергия излучения, поглощаемая веществом, в конечном итоге преобразуется в тепловую при условии, если поглощаемое вещество является химически инертным к излучению, в нем не возникает вторичного излучения и не происходит перестройки кристаллической решетки.

Различными калориметрическими методами можно измерить количество тепла Q (ккал), выделенное в поглощающем веществе. Эти методы основаны на измерении повышения температуры T или на измерении увеличения объема V поглощающего тела. Потери тепла в окружающую среду должны быть минимальными.

Однако калориметрические методы имеют довольно низкую чувствительность по сравнению с другими методами дозиметрии. Поэтому этот метод применяется в основном для измерения мощных потоков ионизирующих излучений, иногда его используют для абсолютных измерений.


а. Ионизационный метод.


Ионизационный метод осуществляется с помощью ионизационных камер, индивидуальных дозиметров ДК-0,2, газовых счетчиков и ряда других приборов. Рассмотрим принцип работы ионизационной камеры.

Ионизационная камера представляет собой (см. рис. 8) конденсатор, состоящий из электродов 1 и 2, между которыми находится газ. Электрическое поле между электродами создается от внешнего источника 4. При отсутствии радиоактивного излучателя 5 ионизация в камере также отсутствует, измерительный прибор тока 3 показывает нуль. Под действием ионизирующего излучения в газе камеры возникают положительные и отрицательные ионы. Под действием электрического поля отрицательные ионы движутся к положительно заряженному электроду, положительные – к отрицательно заряженному электроду. В цепи возникает ток, который регистрируется измерительным прибором 3.

Рис. 8.

Ионизационная камера: 1 и 2 – электроды, 3 – измерительный прибор тока, 4 – внешний источник тока, 5 – радиоактивный излучатель.

Если приложенную к цепи разность потенциалов постепенно увеличивать, начиная с нуля, при постоянной интенсивности излучения, то оказывается, что ток в цепи вначале увеличивается пропорционально приложенной разности потенциалов (см. рис. 9, область а), а затем его увеличение замедляется до тех пор, пока он не становится постоянным по величине, несмотря на увеличение разности потенциалов (рис. 9, область б). При очень больших разностях потенциалов ток снова начинает возрастать (рис. 9, область в).

Полученную зависимость ионизационного тока от напряжения называют вольт-амперной характеристикой ионизационной камеры. Физические явления, происходящие в ионизационной камере, можно объяснить следующим образом.

Величина ионизационного тока определяется суммарным электрическим зарядом ионов, достигших соответствующих электродов в течение секунды. В слабом электрическом поле (область а) только часть образовавшихся ионов может попасть на электроды. Большая же часть ионов с разными знаками рекомбинирует друг с другом, т.е. их заряды нейтрализуются, прежде чем они достигнут электродов. В этом случае камера малоэффективна при регистрации излучения.

В более сильном электрическом поле (область б) скорость движения ионов возрастает, а вероятность рекомбинации уменьшается до нуля, и все ионы, образующиеся в газе попадают на электроды. При этом ионизационный ток возрастает и достигает значения насыщения (I_нас). Ионизационные камеры обычно работают в режиме тока насыщения, при котором каждый акт ионизации дает составляющую тока.


Газовые счетчики.

Газовый счётчик представляет собой датчик (по конструкции он аналогичен ионизационной камере), предназначенный для регистрации отдельных ядерных частиц. В отличие от ионизационных камер газовые

Рис. 9.

Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры.

счетчики используются для усиления ионизационного тока за счет газового разряда.

Обладая высокой чувствительностью, счетчик реагирует на каждую ионизирующую частицу, возникающую внутри объема газа или проникающую в него извне.

В зависимости от характера используемого газового разряда счетчики можно разделить на два типа:

1. Пропорциональные счетчики (счетчики с несамостоятельным разрядом),
   
2. Счетчики Гейгера-Мюллера (счетчики с самостоятельным разрядом). (Устройство счетчика Гейгера показано на рис. 10).
   

Для выяснения качественного различия указанных счетчиков рассмотрим зависимость величины импульса, выраженной в вольтах, от напряжения (см. рис. 11). В отличие от вольт-амперной характеристики ионизационной камеры (рис. 9) в данной зависимости по оси ординат откладывается величина импульсов, полученных от различных ионизирующих частиц, проходящих через счетчик.

Проведем сравнение двух импульсов с различной удельной ионизацией, например, от прохождения через объем счётчика - и -частиц (рис. 11).

При небольших разностях потенциалов на электродах счетчик работает в режиме ионизационной камеры, т.е. величина импульсов в некотором интервале напряжений не будет зависеть от разности потенциалов, а будет определяться только, количеством ионов, которые образуются в газовом объеме счетчика ионизирующей частицей. Иначе говоря, в области насыщенного ионизационного тока, пока не происходит ударной ионизации, амплитуда импульса сохраняет постоянное значение; она строго пропорциональна начальной ионизации (от -частиц величина импульса больше, чем от -частиц), следовательно, пропорциональна и энергии, оставленной частицей в счетчике.

Рис. 10.

Цилиндрический счетчик Гейгера-Мюллера и схема его включения: 1 – нить счетчика (анод), 2 – проводящий слой, нанесенный на корпус (катод), 3 – корпус, 4 – контакт, 5 – изолятор, 6 – стеклянная трубка (изолятор).

Рис. 11.

Зависимость величины импульса, выраженной в вольтах от разницы потенциалов на электродах счетчика.

При дальнейшем увеличении разности потенциалов на электродах счетчика величина импульса будет возрастать, так как при этом вторичные электроны в усиливающемся электрическом поле приобретают достаточную кинетическую энергию, с тем, чтобы произвести ударную ионизацию нейтральных молекул газа на пути своего свободного пробега. В свою очередь, вновь образованные электроны ускоряются электрическим полем и ионизируют новые молекулы. При этом получается лавинный разряд, который сразу прекращается, как только электроны и ионы достигнут соответствующих электродов счетчика (несамостоятельный разряд).

Увеличение ионизационного тока с использованием несамостоятельного разряда называется газовым усилением, а отношение числа ионов, возникающих в результате газового усиления и достигших электродов nk, к первоначальному числу ионов n, образованных ионизирующей частицей, называется коэффициентом газового усиления k.

Для области ионизационной камеры (см. рис. 11) коэффициент газового усиления равен единице.

Из сравнения величин импульсов в пропорциональной области (- и -частиц) следует, что они строго пропорциональны начальной ионизации. Очевидно, что в этой области коэффициент газового усиления одинаков, для импульсов разной величины, т.е. он не зависит от первоначального числа ионов, образованных частицей. Этот коэффициент изменяется от единицы в начале и до 1000 в конце области.

Счетчики, в которых амплитуда импульсов пропорциональна первоначальной энергии частиц, называются пропорциональными счетчиками.

Ионы, образовавшиеся в объеме счетчика за счет вторичных электронов стенок и газа, создают импульсы, суммарная амплитуда которых пропорциональна энергии, поглощенной в газовом объеме счетчика.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то абсолютная величина коэффициента газового усиления очень сильно возрастет и будет зависеть от начальной ионизации. Эта область напряжений называется областью ограниченной пропорциональности. В конце ее происходит сближение кривых с разной начальной ионизацией. Чем больше начальная ионизация, тем меньше коэффициент газового усиления и тем медленнее он увеличивается с ростом разности потенциалов.

За областью ограниченной пропорциональности следует область Гейгера, в которой величина импульса совершенно не зависит от начальной, ионизации; все импульсы при заданном напряжении вне зависимости от рода ионизирующих частиц имеют одинаковую величину. Каждый вторичный электрон, возникший в объеме счетчика, вызывает вспышку самостоятельного разряда.

Счетчики, работающие в области самостоятельного разряда (гейгеровская область) называются счетчиками Гейгера.

Если за гейгеровской областью продолжать повышение .напряжения, то наступает область непрерывного (самопроизвольного) разряда, который уже не вызывается ионизацией. В этом случае счетчик не пригоден для измерения.

Принцип действия газового счетчика такой же, как ионизационной камеры. Отличие от ионизационных камер заключается в том, что газовые счетчики используются для усиления ионизационного тока за счет газового разряда.

Работа газового счетчика радиоактивных частиц основана на использовании явления вторичной ионизации, которое создает огромное усиление тока (газовое усиление). Это явление возникает при большом напряжении: электроны и ионы, созданные ионизирующим излучением (первичная ионизация), движутся под действием электрического поля со столь большими скоростями, что сами ионизируют газ. Возникшие при этом вторичные электроны и ионы могут ионизировать газ, и процесс, таким образом, развивается лавинообразно. Благодаря образованию ионной лавины в таких счетчиках каждая регистрируемая частица образует в 10⁶ раз больше ионов, чем в ионизационной камере такого же размера. Это позволяет измерять излучение малой интенсивности.


б. Сцинтилляционный метод дозиметрии.


Сцинтилляционные методы регистрации излучений основаны на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующих веществах, при прохождении через них заряженных частиц. Для регистрации световых вспышек используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с регистрирующей электронной схемой.

Впервые метод сцинтилляции был использован для визуального подсчета числа -частиц с помощью спинтарископа, схематическое изображение которого показало на рис. 12.

Основным элементом спинтарископа является экран 1, выполненный из сернистого цинка, на котором через лупу 3 можно наблюдать отдельные вспышки (сцинтилляции) от -частиц, излучаемых радиоактивным препаратом, нанесенным на острие 2. Временная разрешающая способность глаз человека позволяет вести счет сцинтилляций на спинтарископе со скоростью не более 60 вспышек в минуту, вследствие чего этот прибор не получил большого распространения. С появлением устойчивых в работе ФЭУ сцинтилляционный метод стал широко применяться в дозиметрии.

Современный сцинтилляционный счетчик представляет собой комбинацию сцинтилляционного кристалла (фосфора) с ФЭУ.

Рис. 12.

Спинтарископ: 1 – экран, 2 – острие для нанесения радиоактивного вещества, 3 – лупа.

ФЭУ позволяет преобразовывать слабые световые вспышки от фосфора в достаточно большие электрические импульсы, которые свободно можно зарегистрировать обычной несложной электронной аппаратурой. ФЭУ в некоторой степени можно сравнить с пропорциональными счетчиками. В пропорциональных счетчиках для увеличения импульса применяется газовое усиление, а у ФЭУ для этой цели используется вторичная эмиссия электронов на динодах, приводящая к значительному усилению электронного тока (коэффициент усиления фотоэлектронных умножителей достигает 10⁶  10⁸).


Сцинтилляционные счетчики.

Рассмотрим схему сцинтилляционного счетчика (см. рис. 13). -излучение, выходящее из источника 1, .поступает на фосфор 2 и создает в нем сцинтилляционные вспышки. Часть фотонов, испускаемых фосфором, попадает на катод ФЭУ 3. ФЭУ представляет собой баллон, в котором создан вакуум. На участок внутренней поверхности ФЭУ нанесен полупрозрачный сурьмяно-цезиевый слой, служащий катодом. Под воздействием фотонов с катода вырываются фотоэлектроны, которые, пройдя фокусирующую диафрагму 4, последовательно направляются электрическим полем на электроды-умножители (диноды или эмиттеры) 5 и собираются на аноде (коллекторе) 6. Для питания фотоумножителя используется источник стабилизированного напряжения и делитель напряжения 7. Далее ток потечет через анод, и на сопротивлении 8 появится импульс напряжения, который, пройдя усилитель 9, поступит на пересчетный прибор 10 и механический счетчик 11.

Рис. 13.	Сцинцилляционный счетчик:
	1 – источник излучения, 2 – фосфор, 3 – катод ФЭУ, 4 – фокусирующая диафрагма, 5 – электроды умножители, 6 – анод,	7 – делитель напряжения, 8 – сопротивление, 9 – усилитель, 10 – пересчетный прибор, 11 – механический счетчик.

Процессы, происходящие в сцинтилляционном счетчике, можно подразделить на следующие стадии:

1. поглощение излучения в фосфоре;
   
2. возбуждение атомов и молекул фосфора вследствие поглощения анергии радиации и излучение фотонов;
   
3. бомбардировка фотонами катода фотоумножителя;
   
4. поглощение фотонов на катоде ФЭУ и выход фотоэлектронов;
   
5. электронное умножение (вторичная эмиссия электронов на динодах).
   

Используемые для сцинтилляционных счетчиков люминисцирующие вещества классифицируются на неорганические и органические фосфоры.

Из неорганических фосфоров наиболее широкое практическое применение нашли три группы кристаллов: сернистый цинк (ZnS), щелочногаллоидные соединения (NaI, KI, CsI и др.) и вольфраматы (CaWO₄, CdWO₄).

Из органических фосфоров используются антрацен C₁₄H₁₀, стильбен, терфенил, нафталин, дифенилацетилен.