Источники ионизирующего излучения

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или основное. Энергия γ-кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход.

Испускание ядром γ-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. γ-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии, и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в поле атомных ядер вещества.

 Тормозное гамма -излучение, также как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв.

 В межзвездном пространстве  гамма-излучение может возникать  в результате соударений квантов  более мягкого длинноволнового, электромагнитного излучения, например  света, с электронами, ускоренными  магнитными полями космических  объектов. При этом быстрый электрон  передает свою энергию электромагнитному  излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Таким образом, можно па практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщины вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (Комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон.

При фотоэффекте происходит поглощение γ-кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения.

 Таким образом, фотоэффект  преобладает в области малых  энергии γ-квантов ( <100 кэв ). При эффекте Комптона происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при эффекте Комптона γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате эффекта Комптона становится более широким, а само излучение более мягким (длинноволновым).

 Интенсивность комптоновского  рассеяния пропорциональна числу  электронов в 1см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышающих энергию связи электронов в атомах. Если энергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер

 

 

 

 

 

 

3 Технические характеристики источников излучения

 

1. Вид излучения (для радионуклидных – основной по назначению).

2. Геометрия источника (форма  и размеры). Геометрически источники  могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники могут  быть линейными, поверхностными  или объемными.

3. Активность (количество  распадов в единицу времени) и  ее распределение по источнику  для радионуклидных источников. Мощность или плотность потока излучения для физико-технических источников.

4. Энергетический состав. Энергетический спектр источников  может быть моноэнергетическим (испускаются  частицы одной фиксированной  энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические  частицы нескольких энергий) или  непрерывным (испускаются частицы  разных энергий в пределах  некоторого энергетического диапазона).

5. Угловое распределение  излучения. Среди многообразия угловых  распределений излучений источников  для решения большинства практических  задач обычно задаются изотропное, косинусоидальное или мононаправленное.

Приборы, предназначенные для обнаружения и измерения радиоактивных излучений, называются дозиметрическими. Их основными элементами являются воспринимающее устройство, усилитель ионизационного тока, измерительный прибор, преобразователь напряжения, источник тока.

ГОСТ Р 51873-2002 – Источники ионизирующего излучения радионуклидные закрытые. Общие технические требования. Введен в действие в 2003 г. Стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений. Не распространяется на образцовые и контрольные источники, а также на источники, активность радионуклидов в которых не превышает минимально значимой, установленной «Нормами радиационной безопасности».

Согласно стандарту источники должны быть герметичными, с установленными классами прочности, допустимых климатических и механических воздействий по ГОСТ 25926 (но не ниже диапазона от -50 до +50оС и влажности не менее 98% при +40оС). Срок службы источника должен быть не менее:

— двух периодов полураспада - для источников с периодом полураспада менее 0,5 года;

— одного периода полураспада (но не менее 1 года) - с периодом полураспада от 0,5 до 5 лет;

— 5 лет - для источников гамма- и нейтронного излучений с периодом полураспада 5 и более лет. Для источников альфа-, бета- и рентгеновского излучений с периодом полураспада 5 и более лет срок службы устанавливают в нормативном документе на конкретный тип источника.

Источники относятся к невосстанавливаемым промышленным изделиям и не подлежат ремонту. При сохранении радиационных параметров в пределах, удовлетворяющих пользователя, сохранении герметичности и отсутствии дефектов допускается продление срока эксплуатации источника. Порядок продления устанавливают органы государственного управления использованием атомной энергией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Единицы измерения радиоактивности и доз облучения.

 

Мерой радиоактивности радионуклида является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Несистемная единица - Кюри (Ки), активность 1 г радия (Ra). 1 Кюри = 3.7*1010 Бк.

Доза ионизирующего излучения (radiation dose) - количество энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается некоторой средой за определенный промежуток времени.

Поглощённая доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр) = 1 джоуль на килограмм (Дж/кг).

Поглощённая доза различных видов излучения вызывает в единице массы биологической ткани различное биологическое действие. Эквивалентная доза равна произведению поглощённой дозы на средний коэффициент качества излучения по сравнению с гамма-излучением. Значения коэффициента: рентгеновское излучение, электроны, позитроны, бета-излучение -1, нейтроны тепловые – 3, протоны, нейтроны быстрые – 10, альфа-частицы и ядра отдачи – 20. В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв) - доза любого излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический вред, как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Внесистемная единица - бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Экспозиционная доза (Дэксп) служит для характеристики фотонного излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе излучения, при которой в 1 кг атмосферного воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл). Дэксп = Кл/кг. Внесистемная единица - рентген (Р). 1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Основные радионуклиды мониторинга среды.

 

 Ниже в таблице приведены краткие данные по ядерно-физическим характеристикам радионуклидов, содержание которых в окружающей среде, в строительных материалах, в рабочих и бытовых помещениях и, особенно, в пищевых продуктах сельского хозяйства может быть значимым по радиационной опасности для здоровья человека.

Нуклид	Название	Период полураспада	Гамма- кванты, МэВ	Бета-частицы Emax, МэВ
40К 226Ra Þ 206Pb 232Th Þ 208Pb	Калий-40 Ряд урана Ряд тория	1.3 109 год 1620 год 1.4 1010 год	1.461 Много, до 2.45 Много, до 2.62	Много, до 3 Много, до 3	Естественные нуклиды
137Cs 90Sr + 90Y	Цезий-137 Стронций-Иттрий	30 год 30 год, 3 сут.	0.662 -	1.17 0.55, 2.29	Техногенные
131I 144Ce + 144Pr 106Ru + 106Rh	Йод-131 Церий-Празеодим Рутений-Родий	8 суток 285 сут, 17 мин. 372 сут, 30 сек.	0.365 0.133 0.512, 0.622	0.606 0.318, 3 0.04, 3.5	Продукты аварий АЭС

 

 Особого внимания заслуживает Радон-222, продукт распада Ra-226.

 Он является инертным  газом, и выделяется из любых  сред и объектов (почвы, строительные  материалы и пр.), которые практически  всегда содержат уран и продукты  его распада. Средняя концентрация  радона на уровне земли вне  помещений составляет 8 Бк/м3 . Период полураспада радона составляет 3.824 суток, и он может накапливаться в закрытых и плохо вентилируемых помещениях.

Основную часть облучения население Земли получает от естественных источников радиации. Это природные радионуклиды и космические лучи. Полная доза, обусловленная естественными источниками радиации, составляет в среднем около 2,4 мЗв в год.

Любой источник излучения характеризуется:

     - Видом излучения  – основное внимание уделяется  наиболее часто встречающимся  на практике источникам g-излучения, нейтронов, a-, b+-, b--частиц.

       - Геометрией  источника (формой и размерами) –  геометрически источники могут  быть точечными и протяженными. Протяженные источники представляют  суперпозицию точечных источников  и могут быть линейными, поверхностными  или объемными с ограниченными  или бесконечными размерами. Физически  точечным можно считать такой  источник, максимальные размеры  которого много меньше расстояния  до точки детектирования и  длины свободного пробега в  материале источника. Поверхностные  источники имеют толщину много  меньшую, чем расстояние до точки  детектирования и длина свободного  пробега в материале источника. В объемном источнике излучатели  распределены в трехмерной области  пространства.

     - Мощностью  и ее распределением по источнику  – источники излучения наиболее  часто распределяются по протяженному  излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по закону косинуса.

      - Энергетическим  составом – энергетический спектр  источников может быть моноэнергетическим (испускаются частицы одной фиксированной  энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические  частицы нескольких энергий) или  непрерывным (испускаются частицы  разных энергий в пределах  некоторого энергетического диапазона).

- Угловым распределением  излучения – среди многообразия  угловых распределений излучений  источников для решения большинства  практических задач достаточно  рассматривать следующие: изотропное, косинусное, направленное. Иногда встречаются  угловые распределения, которые  можно записать в виде комбинаций  изотропных и косинусных угловых  распределений излучений.