Касьянов М.А., Гуляєв В.П., Друзь О.М., Коструб В.О. Прилади радіаційної, хімічної розвідки та дозиметричного контролю, газоаналізатори. Навчальний посібник

Подождите немного. Документ загружается.

153

Тому вивчення і відпрацювання практичних навичок у роботі з при-

ладами радіаційної і хімічної розвідки, а також дозиметричного контролю

дозволить їм у майбутньому успішно вирішувати завдання в практичній

діяльності з оцінки радіоактивної і хімічної обстановки як у мирний, так і

у воєнний час.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Для чого призначений прилад УГ-2?

2. Перелічте складові приладу (комплект) УГ-2.

3. В чому полягає принцип роботи приладу УГ-2?

4. Для чого призначені індикаторні трубки приладу УГ-2?

5. Для чого призначений прилад ІВА-1В?

6. Перелічте складові приладу (комплект) ІВА-1В.

7. Для чого призначений прилад АГ0012 (AG0012)?

8. Перелічте складові приладу (комплект) АГ0012.

9. Для чого призначений прилад ГСП-1?

10. Чи можливе виявлення іонізуючих випромінювань за допомогою приладу

ГСП-1?

11. Для чого призначений прилад ГСП-11?

12. Перелічте складові приладу (комплект) ГСП-11.

13. Для чого призначений прилад ІЗП?

14. Для чого призначений прилад ПАХ?

15. Для чого призначений прилад 342ЕХО8?

16. Для чого призначені прилади „Сирена‖, „Сирена-2‖, „Сирена-4‖, „Сире-

на-М‖?

17. Для чого призначений прилад ГАІ-1?

154

РОЗДІЛ 5

ДОВІДКОВИЙ МАТЕРІАЛ

ФІЗИЧНА ПРИРОДА ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ І ЇХ

ВЗАЄМОДІЯ З РЕЧОВИНОЮ

РАДІОАКТИВНІСТЬ

Радіоактивність - мимовільне перетворення (розпад) атомних ядер

деяких хімічних елементів (урану, торію, радію, каліфорнія й ін.), що при-

водить до зміни їхнього атомного номера і масового числа. Такі елементи

називаються радіоактивними.

Радіоактивні речовини розпадаються зі строго визначеною швидкіс-

тю, яка вимірюється періодом напіврозпаду, тобто часом, протягом якого

вихідна кількість ядер даної речовини розпадається наполовину. Радіоак-

тивний розпад не може бути зупинений чи прискорений яким-небудь спо-

собом.

Якщо помістити радій у свинцеву коробку з вузькою щілиною, то за

допомогою приладів можна визначити, що через неї виходить пучок ви-

промінювань, що розділяється в магнітному полі (рис. 5.1).

Випромінювання, що відхиляється убік Півночі, називається -

випромінюванням, Півдня - -випромінюванням; випромінювання, що не

відхиляється магнітним полем, називається -випромінюванням (воно не

має електричного заряду).

Альфа-випромінювання - потік позитивно заряджених часток (ядер

атомів гелію), що рухаються зі швидкістю близько 20000 км/с.

Бета-випромінювання - потік негативно заряджених часток (електро-

нів). Їхня швидкість наближається до швидкості світла.

Гама-випромінювання являє собою короткохвильове електромагнітне

випромінювання. По властивостях воно близько до рентгенівського, але

155

має значно більшу швидкість і енергію. Воно поширюється зі швидкістю

світла.

Рис. 5.1. Іонізуюче випромінювання в магнітному полі

Іонізуючі випромінювання мають ряд загальних властивостей, дві з

яких - здатність проникати через матеріали різної товщини й іонізувати

повітря і живі клітки організму - заслуговують особливо пильної уваги.

ІОНІЗАЦІЯ

Іонізуючі випромінювання, проходячи через різні речовини, взаємо-

діють з їх атомами і молекулами. Така взаємодія приводить до порушення

атомів і вириванню окремих електронів з електронних оболонок нейтра-

льного атома. У результаті атом, позбавлений одного чи декількох елект-

ронів, перетворюється в позитивно заряджений іон - відбувається первин-

на іонізація. Вибиті при первинній взаємодії електрони, що мають визна-

чену енергію, самі взаємодіють із зустрічними атомами і також створюють

нові іони - відбувається вторинна іонізація. Електрони, що втратили в ре-

зультаті багаторазових зіткнень свою енергію, залишаються вільними чи

приєднуються, "прилипають" (у газах) до якогось нейтрального атома,

утворюючи негативно заряджені іони. Таким чином, енергія випроміню-

вання при проходженні через речовину витрачається в основному на іоні-

зацію середовища.

Число пар іонів, створюваних іонізуючим випромінюванням у речо-

вині на одиниці шляху пробігу, називається питомою іонізацією, а серед-

ня енергія, затрачувана іонізуючим випромінюванням на утворення однієї

пари іонів, - середньою роботою іонізації.

В міру просування заряджена частка втрачає свою енергію, а на де-

якій відстані від початку шляху швидкість її стає рівною швидкості тепло-

вого руху атомів і молекул середовища. Відстань, пройдена часткою від

місця утворення до місця втрати нею надлишкової енергії, називається

довжиною пробігу.

Природна радіоактивність

Північ

Південь

156

Явище природної радіоактивності полягає в мимовільних перетво-

реннях одних атомних ядер в інші, що супроводжуються випущенням

альфа-частинок, бета-частинок і гама-променів.

Альфа-радіоактивність (альфа-розпад) ядер зв'язана з перетворен-

ням ядер з масовим числом А в ядра з А - 4 при одночасному випущенні

альфа-частинок, що є ядрами гелію

Не

. Бета-радіоактивність (бета-

розпад) ядер зв'язана з перетворенням ядер з порядковим номером Z у яд-

ра з Z+1 (або з Z-1), що супроводжується випущенням бета-частинок

(електронів або позитронів), або Е-захватом. Бета-розпад часто супрово-

джується випущенням гама-променів, що представляють собою потоки

фотонів твердих електромагнітних випромінювань з довжиною хвилі по-

рядку 10

-9

- 10

-11

см. Ядро, що радіоактивно розпадається, називається ма-

теринським, виникаюче ядро - дочірнім. Якщо останнє також розпадаєть-

ся, то іноді говорять про "внучате" ядро.

Мимовільний (спонтанний) розпад атомних ядер діє за законом

eNN

де N

- кількість ядер у даному обсязі речовини в момент часу t=0, N - кі-

лькість ядер у тім же обсязі до моменту часу t, - постійна розпаду. Пос-

тійна має сенс імовірності розпаду ядра за 1 с: вона дорівнює частці

ядер, що розпадаються за 1 сек. Величина 1/ називається середньою три-

валістю життя радіоактивного ізотопу. Для характеристики стійкості ядер

щодо розпаду користуються поняттям про період напіврозпаду Т

1/2

, рівно-

му часу, протягом якого вихідна кількість ядер даної речовини розпада-

ється наполовину. Зв'язок величин и Т

1/2

2ln

2/1

Число розпадів ядер даного препарату в одиницю часу називається

активністю препарату; віднесене до одиниці маси препарату, це число

називається питомою активністю речовини препарату. Активність:

eNNA

РАДІОАКТИВНІСТЬ РЕЧОВИНИ, ОДИНИЦІ ЇЇ

ВИМІРЮВАННЯ

Мимовільний розпад радіоактивних ядер супроводжується іонізую-

чим випромінюванням. Кожен радіонуклід (радіоізотоп) розпадається зі

своєю швидкістю.

Як відомо, ця швидкість розпаду А пропорційна числу ядер радіонук-

ліда:

NА

157

де N - число ядер радіонукліда; - постійна розпаду, що характеризує імо-

вірність розпаду за одиницю часу (частка загального числа атомів ізотопу,

що розпадаються щосекунди ). Чим більше вона, тим швидше відбуваєть-

ся розпад.

Постійна розпаду зв'язана з періодом напіврозпаду співвідношен-

ням:

693,0

2/1

Для кожного ізотопу маються свої значення і Т

1/2

На підставі викладеного можна дати наступне визначення активності

як кількісної характеристики джерела випромінювань.

Активністю називається міра кількості радіоактивної речовини, що

виражається числом радіоактивних перетворень в одиницю часу.

У системі одиниць СІ за одиницю активності прийняте одне ядерне

перетворення в секунду (розп./с). Ця одиниця одержала назву бекереля

(Бк). Позасистемною одиницею вимірювання активності є кюрі (Кі). Кюрі

- це одиниця активності радіонукліда джерела, рівна активності нукліда, у

якому відбувається 3,7 10

актів розпаду в одну секунду.

Одиниця активності кюрі відповідає активності 1 г Ra.

Застосовують також часткові та кратні одиниці. Позасистемна оди-

ниця активності кюрі зв'язана з бекерелем у такий спосіб:

1Кі=3,7 10

розп./с=3,7 10

Бк; 1Бк=2,7 10

-11

Кі; мілікюрі (1мКі)=

=10

-3

Кюрі=3,7 10

Бк; мікрокюрі (1 мкКі)=10

-6

Кюрі=3,7 10

Бк.

Для визначення активності джерел -випромінювання найчастіше за-

стосовується своя одиниця активності - міліграм-еквівалент радію (мг-

екв Ra). Активністю 1 мг-екв Ra володіє така кількість радіонукліда, що

створює таку ж потужність дози, як і 1 мг Ra, укладеного у фільтр із пла-

тини товщиною 0,5 мм.

У практичних випадках часто користуються числом розпадів на хви-

лину, тоді одиниці радіоактивності мають наступні значення:

1 мкКі = 2,22 10

розп./хв;

1 мКі = 2,22 10

розп./хв;

1 Кі = 2,22 10

розп./хв.

Частки, що випускають радіоактивні джерела, утворюють потік, ви-

мірюваний числом часток у 1 с. Число часток, що приходяться на одини-

цю поверхні (квадратний метр або квадратний сантиметр), являє собою

щільність потоку часток [част./(хв/м

), част./(хв см

), част./(с см

) і т.д. ].

У дозиметрії застосовуються питома А

(Бк/кг), об'ємна A

(Бк м

молярна А

мол

(Бк/моль) і поверхнева A

(Бк/м

) активності джерел.

158

Між активністю (Бк) і масою радіоактивних речовин (г) існує визна-

чений зв'язок.

Якщо в узятій кількості радіоактивної речовини відбуватиметься що-

секунди 3,7 10

розпадів, то загальне число атомів N, що дає цю актив-

ність, буде дорівнювати активності речовини (3,7 10

Бк), поділеної на

постійну розпаду , с

-1

, тобто N = А/ :

N = 3,7 10

/ = 3,7 10

1/2

/0,693.

Загальна кількість радіоактивної речовини в грамах m, що дає актив-

ність речовини А=1 Бк, дорівнює:

107,3

де А - атомна маса даного радіонукліда, r; L

= 6,02 10

(моль)

-1

- число

Авогадро; A/L

- маса одного атома.

Підставляючи дані, одержуємо масу речовини в грамах активністю

1 Бк (г/Бк):

.1024,0

1002,6

693,0

2/1

Активність А 1 г будь-якого радіонукліда в одиницях Бк (Бк/г) дорів-

нює:

1017,4

1024,0

2/1

Приклад 1. Визначити масу 1 Бк

210

Ро(Т

1/2

= 138 діб, А = 210).

Рішення. m = 0,24 10

-23

210 138 24 60 60=6,01 10

-23

г.

Приклад 2. Визначити активність 1 г

226

Ra (Т

1/2

=1620 років, А =226).

Рішення. А = (4,17 10

)/(226 31 536000 1620) = 3,61 10

Бк.

Приклад 3. Визначити початкову кількість (М

) радіоактивного ізото-

пу Йоду J

131

, який має період напіврозпаду (Т

1/2

) 8 діб., якщо через час (t)

120 діб його кількість (M

) складе 1 кг.

Рішення. Для рішення необхідно використовувати закон розпаду

атомних ядер, поняття періоду напіврозпаду та невимушеної радіоактив-

ності.

.32768

120

693,02ln

2/1

кг

Приклад 4. Визначити, скільки залишиться (M

) радіоактивного ізо-

топу Йоду J

131

, який має період напіврозпаду (Т

1/2

) 8 діб, через час (t)

40 діб, якщо зараз його кількість складає (М

) 7 кг.

159

Рішення. Для рішення необхідно використовувати закон розпаду

атомних ядер, поняття періоду напіврозпаду та невимушеної радіоактив-

ності.

.21875,07

693,0

2ln

2/1

кгeeMM

ДОЗА ВИПРОМІНЮВАННЯ

Ступінь, глибина і форма променевих поразок, що розвиваються се-

ред біологічних об'єктів при впливі на них іонізуючого випромінювання, у

першу чергу залежать від величини поглиненої енергії випромінювання.

Для характеристики цього показника використовується поняття поглиненої

дози, тобто енергії, поглиненою одиницею маси речовини, що опроміню-

ється. За одиницю поглиненої дози опромінення приймається джоуль на

кілограм (Дж/кг) - грей. Грей (джоуль на кілограм) - поглинена доза ви-

промінювання, передана масі в 1 кг речовини, що опромінюється, і вимі-

рювана енергією в 1 Дж будь-якого іонізуючого випромінювання

(1 Гр=1 Дж/кг).

У радіобіології і радіаційній гігієні широке застосування одержала

позасистемна одиниця поглиненої дози - рад. Рад - це така поглинена доза,

при якій кількість поглиненої енергії в 1 г будь-якої речовини складає 100

ерг незалежно від виду й енергії випромінювання. Похідними даної оди-

ниці є мілірад (мрад), рівний 0,001 рад, і мікрорад (мкрад), рівний

0,000001 рад.

Системна одиниця поглиненої дози в СІ - грей (Гр); 1 Гр дорівнює

1 Дж, поглиненому в 1 кг речовини: 1 Гр = 1 Дж = 100 рад (табл. 5.1).

Таблиця 5.1

Співвідношення між одиницями вимірювання

Величина

Назва, позначення і визначення

Співвідношення

між одиницями

Одиниця СІ

Позасистемна одиниця

Активність

Бк

Бекерель,

дорівнює од-

ному розпаду

в секунду

(розп./с)

Кі

Кюрі, дорів-

нює 3,7 10

розпадів у

секунду

1Бк=1 розп./с=

=2,703 10

Ки.

1Кі=3,7 10

розп./с=

=3,7 10

Бк

160

Продовження таблиці 5.1

Величина

Назва, позначення і визначення

Співвідношення

між одиницями

Одиниця СІ

Позасистемна одиниця

Поглинена

доза

Гр

Грей - поглинена

доза ви промін.,

що відповідає

енергії 1 Дж

іонізуючого

випромінювання

будь-якого виду,

переданого

опроміненій

речовині масою

1 кг

рад

Рад відповідає

поглиненій енер-

гії 100 ерг на 1 г

речовини

1Гр=1Дж/кг=10

ерг/г=

=100рад1рад=100 ерг/г=

=1 10

-2

Дж/кг=

= 1 10

-2

Гр = 1 сГр

Експозиційна

доза

Кл/кг

Кулон на кіло-

грам - експози-

ційна доза фо-

тонного ви про-

мін., при якій

корпускулярна

емісія в сухому

атмосферному

повітрі масою 1

кг виробляє іони,

що несуть заряд

кожного знака,

рівний 1 Кл

Рентген - доза

фотонного ви-

промінювання,

при якій корпус-

кулярна емісія,

що виникла в 1

см

повітря,

створює іони, що

несуть 1 СГСЕ

кількості елект-

рики кожного

знака

1 Кл/кг = 3,88 10

1 P = 2,58 10

-4

Кл/кг

Еквівалентна

доза

Зв

Зиверт - еквіва-

лентна доза

будь-якого виду

випромінювання,

поглинена в 1 кг

біологічної тка-

нині, що створює

такий же біоло-

гічний ефект, як

і поглинена доза

в 1 Гр фотонного

випромінювання

бер

Бер - енергія

будь-якого виду

випромінювання,

поглинена в 1 г

тканині, при якій

спостерігається

той же біологіч-

ний ефект, що і

при поглиненій

дозі в 1 рад фо-

тонного випро-

мінювання

1Зв=1Гр/К=1(Дж/кг)/К=

=100 рад/К=100 бер

1 бер= 1 рад/К=

=(1 10

-2

Дж/кг)/К=

=(1 10

-2

Гр)/К=1 10

-2

Зв=

=1 сЗв

161

Продовження таблиці 5.1

Величина

Назва, позначення і визначення

Співвідношення

між одиницями

Одиниця СІ

Позасистемна одиниця

Керма

Гр

Грей дорівнює

кермі, при якій

сумарна кінети-

чна енергія заря-

джених часток,

звільнених у 1 кг

речовини в поле

побічно іонізую-

чого випроміню-

вання, дорівнює

1 Дж

рад

Керма - кінетична

енергія в радах,

передана заря-

дженим часткам,

утвореним іоні-

зуючим випромі-

нюванням в оди-

ниці маси середо-

вища, що опромі-

нюється

1Гр=1Дж/кг=10

ерг/г=

=100 рад

1 рад = 100 ерг/г =

=1 10

-2

Дж/кг=1 10

-2

Гр=

=1 сГр

Потужність

поглиненої

дози

Гр/с

Грей у секунду,

дорівнює одному

джоулю на кіло-

грам у секунду

рад/с

Рад у секунду

1гр/с=1Дж/(кг с)=1 10

рад/с

1рад/с=1 10

-2

Дж/(кг с)=

=1 10

-2

Гр/с=1 сГр/с

Потужність

експозиційної

дози

Кл/(кг с)

Кулон на кіло-

грам на секунду

Р/с

Рентген у секунду

1 Кл/(кг с) =3,88 10

-3

Р/с

1Р/с=2,58 10

-4

Кл/(кг с)

Потужність

еквівалентної

дози

Зв/с

Зиверт у секунду

бер/с

Бер у секунду

13в/с = 100 бер/с;

1 бер/с = 1 10

-2

Зв/с =

= 1 сЗв/с

Гама постій-

на

аКл м

/(кг с Бк)

Гама - постійна

сі

радіонукліда -

потужність екс-

позиційної дози

в повітрі, ство-

рюваної радіо-

нуклідом актив-

ністю 1 Бк на

відстані 1 м без

початкової філь-

трації

Р см

/(год мКі)

Гама - постійна Г

радіонукліда -

потужність екс-

позиційної дози,

Р/год, створюва-

ної радіонуклідом

активністю 1 мКі

на відстані 1 см

без початкової

фільтрації

сі

, аКл м

/(кг с Бк)=0,1939

Г, 1Р см

/(год мКі);

Г, Р см

/(год мКі)=

=5,1573 Г

си

аКл м

/(кг с Бк)

Потужність дози (потужність поглиненої дози) Р - збільшення дози

в одиницю часу. Вона характеризує швидкість накопичення дози і може

збільшуватися або зменшуватися згодом. Якщо за деякий проміжок часу

t збільшення дози дорівнює D, то середнє значення потужності дози

Р= D/ t.

При відомому законі зміни потужності дози з часом P(t) доза за час t

визначається за формулою:

adttPD

Для характеристики дози по ефекту іонізації, який викликається в по-

вітрі, використовується так звана експозиційна доза рентгенівського і -

162

випромінювань - кількісна характеристика рентгенівського і -

випромінювань, заснована на їхній іонізуючій дії і виражена сумарним

електричним зарядом іонів одного знака, утворених в одиниці об'єму пові-

тря в умовах електронної рівноваги. За одиницю експозиційної дози рент-

генівського і -випромінювань приймається кулон на кілограм (Кл/кг).

Кулон на кілограм - експозиційна доза рентгенівського і -

випромінювань, при якій сполучена з цим випромінюванням корпускуля-

рна емісія на кілограм сухого атмосферного повітря виробляє у повітрі

іони, що несуть заряд у 1 Кл електрики кожного знака.

Позасистемною одиницею експозиційної дози рентгенівського і -

випромінювань є рентген (Р).

Рентген - одиниця експозиційної дози фотонного випромінювання,

при проходженні якого через 0,001293 г повітря в результаті завершення

всіх іонізаційних процесів у повітрі створюються іони, що несуть одну

електростатичну одиницю кількості електрики кожного знака. Помітимо,

що 0,001293 г - маса 1 см

сухого атмосферного повітря при нормальних

умовах [температура 0°С и тиск 1013 г Па (1 атм. фізична чи 760 мм. рт.

ст.)], у якій відбуваються первинні процеси взаємодії фотонів з повітрям.

За визначенням, 1 Р відповідає заряд 1 СГСЕ = nq, де n - число іонів, q -

заряд іона (q = 4,8 10

-10

СГСЕ).

Таким чином, для утворення однієї електростатичної одиниці заряду

потрібно

1008,2

108,4

пар іонів/см

При середній роботі на один акт іонізації, що дорівнює 34 еВ (1 ев =

=1,6 10

-12

ерг), одиниці експозиційної дози в 1 Р буде відповідати:

експ

= 2,08∙10

∙34∙10

-6

=7,06∙10

МеВ/см

;

експ

=7,06∙10

∙1,6∙10

-12

∙10

=0,114 ерг/см

При перерахуванні на 1 г повітря одиниці експозиційної дози в 1 Р

буде відповідати:

експ

=1,61∙10

-12

∙34∙10

=5,47∙10

МеВ/г;

експ

=5,47∙10

∙1,6∙10

-12

∙10

=87,7 ерг/г.

Таким чином, для одержання експозиційної дози в 1 Р потрібно, щоб

витрачена на іонізацію в 1 см

(чи в 1 г) повітря енергія була відповідно

дорівнювала:

1P=7,06∙10

МеВ/см

=5,47∙10

МеВ/г=0,114 ерг/см

=87,7 ерг/г.

Величини 0,114 ерг/см

і 87,7 ерг/г прийнято називати енергетичними

еквівалентами рентгена. Співвідношення між поглиненою дозою випромі-

нювання, вираженої в радах, і експозиційною дозою рентгенівського і -

випромінювань, вираженої в рентгенах, для повітря має вид: