3.2._Дозиметрия

3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
3.2. Дозиметрия
1
3.2 Дозиметрия
3.2.1. Ионизирующее излучение и его характеристики. Флюенс.
Экспозиционная доза. Поглощенная доза. Коэффициент качества
излучения. Эквивалентная доза. Единицы измерения доз.
Дозиметрия – раздел прикладной ядерной физики, в которой
рассматриваются физические величины, характеризующие распределение
ионизирующего излучения и его взаимодействие с веществом.
Дозиметрические величины устанавливают связь между измеряемой
физической величиной и величиной радиационного эффекта в веществе.
Во всех случаях взаимодействия излучения с веществом происходит
преобразование энергии излучения в другие виды энергии. Радиоактивные
частицы взаимодействуют с ядрами, электронами, атомами и молекулами.
Первопричиной радиационных эффектов является поглощенная энергия.
Радиационно-индуцированный эффект – это нагрев тела, изменение его
физических свойств (структуры), химических свойств, биологических
изменений.
Важнейшая задача дозиметрии – определение дозы излучения в
различных средах и особенно в тканях живого организма.
Ионизирующее излучение – поток частиц или электромагнитных квантов,
взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации его атомов и
молекул. Ионизирующим излучением являются потоки электронов,
позитронов. дейтронов,  -частиц и других заряженных частиц, а также
потоки нейтронов, рентгеновского и  -излучения. Видимый свет и
ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующему излучению, хотя
УФ-излучение ионизирует воздух.
Ионизирующее излучение формирует поле излучения. Поле излучения –
область пространства, каждой точке которого поставлены в соответствие
физические величины, являющиеся характеристиками поля излучения. Это
флюенс, плотность потока частиц, керма и энергетический спектр.
Флюенс (перенос) ионизирующих частиц – отношение числа
ионизирующих частиц dN , проникающих в объём элементарной сферы к
площади dS поперечного сечения этой сферы

dN
[част/см2].
dS
(3.4)
Плотность потока ионизирующих частиц – флюенс частиц за малый
промежуток времени , деленный на этот промежуток

d
[част/см2 сек].
dt
(3.5)
Керма (кинетическая энергия, освобожденная в веществе) – сумма
начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, образованных
косвенным ионизирующим излучением в единице массы облучаемого
вещества в результате взаимодействия с веществом
3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
K
3.2. Дозиметрия
dE k
[Дж/кг].
dm
2
(3.6)
Керма – мера энергии, переданной излучением заряженным частицам в
данной точке облучаемого объёма.
Энергетический спектр ионизирующих частиц – распределение
ионизирующих частиц по их энергиям.
Экспозиционная доза (доза облучения) – отношение суммарного заряда
всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении всех
вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объёме
воздуха, деленный на массу воздуха в этом объёме:
X 
dQ
[Кл/кг].
dm
(3.7)
Рентген – внесистемная единица экспозиционной дозы. При дозе в 1
рентген в 1см3 воздуха (при 0оС и 760 мм рт ст) образуется 2,08 109 пар
ионов, имеющих заряд 1 СГС q каждого знака.
1 Р = 2,54 ∙ 10-4 Кл/кг соответствует 96 эрг/г.
(3.8)
Мощность экспозиционной дозы – приращение экспозиционной дозы за
малый промежуток времени, деленное на этот промежуток:
dX
X =
[мкР/сек],
dt
(3.9)
где 1 микрорентген = 10-6 рентген.
Дозиметрические приборы регистрируют только мощность экспозиционной
дозы.
Поглощенная доза излучения –
средняя энергия ионизирующего
излучения, поглощенная элементом вещества, деленная на единицу массы
вещества в этом объёме:
D
dE
[Дж/кг].
dm
(3.10)
В системе СИ 1 Грей = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 эрг/г.
При расчете поглощенной дозы принимается следующий состав мягкой
биологической ткани: 76,2% кислорода, 11,15 углерода, 10,15 водорода, 2,6%
азота (по массе). Тканевая молекула живого организма C5 H 40O18 Nx . В
условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1Р соответствует
поглощенная доза в воздухе 0,873 рад, в ткани человека 0,96 рад.
Для электромагнитного фотонного излучения, чем выше Z , тем больше
поглощенная доза. Поглощенная доза для нейтронного излучения зависит от
энергии нейтронов.
Коэффициент качества излучения k – безразмерный коэффициент
показывает, во сколько раз радиационноная опасность в случае хронического
облучения выше, чем в случае образцового гамма-излучения с энергией 1
3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
3.2. Дозиметрия
3
МэВ. Коэффициент качества для различных видов излучения приведен в
табл. 3.1:
Таблица 3.1
Коэффициент качества для различных видов излучения
Вид излучения
Коэффициент
качества k
1
Рентгеновское и  излучение
Электроны и позитроны
1
Нейтроны с энергией <20 кэВ
3
Протоны с энергией <10 МэВ
10
Нейтроны с энергией 0.5 МэВ
10
Нейтроны с энергией 5 МэВ
7
20
 -излучение с энергией<10 МэВ
Тяжелые ядра отдачи
20
Эквивалентная доза – поглощенная доза излучения, умноженная на
средний коэффициент качества излучения для биологической ткани
стандартного состава
H  kD,
(3.11)
[H] = 1 зиверт = 100 бэр (внесистемная единица бэр – биологический
эквивалент рентгена).
Эквивалентная доза используется в радиационной безопасности для учета
вредных эффектов при хроническом облучении человека малыми дозами, не
превышающими 250 мЗв в год (5 предельно допустимых доз в год).
Эквивалентную дозу нельзя использовать для оценки последствий
аварийного облучения человека. Не существует приборов, измеряющих
поглощенную и экивалентную дозы. Их можно только рассчитать.
Естественный фон ионизирующего излучения – космические лучи,
радиоактивность почвы, воды, воздуха создают в среднем мощность
эквивалентной дозы
dH
H 
 0,125 сантизиверт/год = 0,125 бэр/год.
dt
(3.12)
3.2.2. Действие ионизирующих излучений на структуру вещества.
Химическое действие ядерных излучений
Энергия заряженных частиц,  -квантов и нейтронов в основном
тратится на ионизацию и возбуждение атомов. Ионизация в конечном счете
ведет к нагреванию вещества и не вызывает в нем необратимых изменений.
Однако заметная доля энергии потока частиц затрачивается на необратимое
изменение структуры вещества, которое называется радиационным
повреждением.
3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
3.2. Дозиметрия
4
Радиационные дефекты – устойчивые нарушения правильного
расположения атомов или ионов в узлах кристаллической решетки при
облучении потоками микрочастиц.
Главным механизмом является ударное выбивание атомов из
кристаллической решётки с образованием первичного радиационного
дефекта типа Френкеля (вакансия и междуузельный атом). Заряженные
частицы и нейтроны выбивают атомы непосредственно,  -кванты через
промежуточные фотоэлектроны или комптоновские электроны.
Часто появление в решетке новых атомов возникает при внедрении
падающих тяжелых частиц и за счет ядерных реакций с распадами продуктов
реакций. Такие явления возникают при облучении нейтронами и ионной
бомбардировке.
Возникновение F -центров окраски происходит, когда в кристалле

поваренной соли NaCl отрицательный ион хлора Cl теряет два электрона и
выскакивает из решетки Cl   Cl   2e  . Вместо него вакансия заменяется
электроном.
Генерация радиационных дефектов меняет свойства материалов:
Возникает радиационное распухание – изменение формы и размеров
облученных образцов. Изменяются механические свойства – модуль
упругости растет, пластическое разрушение сменяется хрупким
разрушением. В полупроводниках радиационные дефекты выступают как
центры рассеяния носителей заряда и меняют концентрацию и природу
основных носителей заряда, т.е. р-n проводимость.
Изменение механических свойств, однородности состава
и
геометрических размеров конструкциооных материалов ограничивают срок
работы ядерных реакторов. Облучение полупроводников сопровождается
существенными изменениями параметров полупроводниковых приборов. Все
материалы и приборы обладают определенной радиационной стойкостью,
которая обязательно учитывается при конструировании. Изменение свойств
на 20–30% и максимальные уровни облучения приведены в табл. 3..:
Максимальные уровни облучения материалов
Неорганические материалы Доза  -излучения,
грей
Стекло
5∙107
Сталь конструкционная
5∙107
Бетон
5∙107
Кремниевые транзисторы
103–105
Германиевые транзисторы 104–106
Радиолампы
-
Таблица 3.2.
Флюенс нейтронов
част/см-2
5∙1017
1019
1020–5 1020
3∙1011–1013
4∙1012–1014
1016
Химическое действие ядерных излучений
Ядерные излучения могут вызвать в веществах различные химические
реакции. Радиационная химия – раздел химии, которая изучает химические
3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
3.2. Дозиметрия
5
процессы, происходящие под действием ионизирующих излучений.
Механизм радиационно-химических реакций следующий. Поток частиц
вызывает в среде возбуждение, ионизацию и диссоциацию молекул.
Возникшие возбужденные молекулы и ионы вступают в химическую
реакцию непосредственно или через образование свободных радикалов.
Энергия ядерных излучений ~МэВ >> энергии потенциальных барьеров и
химических связей 1-10 эВ. Ядерные излучения образуют химически
высокоактивные ионы и радикалы и осуществляют сильно эндотермические
химические реакции с высоким активационным барьером.
Характеристикой радиационно-химической реакции являются выход G –
число молекул, превратившихся или снова образовавшихся в веществе на 100
эВ поглощенной энергии излучения. Для большинства радиационнохимических реакций G =4÷10. Для устойчивых к радиации молекул G =0,1.
Для цепных радиационно-химических процессов G =105÷106.
В газовой фазе первичные продукты – ионы и возбужденные
короткоживущие молекулы ~10-8 сек, реагируя с молекулами среды и друг с
другом, приводят к образованию свободных радикалов, ион-радикалов и
стабильных продуктов.
В жидкой фазе в облученной воде и разбавленных водных растворах в
результате радиационно-химических реакций образуются гидратированные
(в воде) и сольватированные электроны (электроны, захваченные средой в
результате поляризации молекул, окружающих такие электроны). При
радиолизе воды возникают переплетающиеся многоступенчатые реакции и
образуются радикалы OH  , Н -, водород, кислород, перекись водорода
H 2 O 2 и ионы H 3 O  .
В твердых телах с ионным типом связи эффекты облучения обусловлены
микродефектами вдоль треков, что приводит к деструкции. В твердых телах с
ковалентными связями (в полимерах) происходит отрыв атомов и разрыв
главной цепи макромолекулы. В целлюлозе при облучении происходит
преимущественно деструкция, в полиэтилене – преимущественно сшивание
полимерных молекул.