Материал: Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовинами

Експозиційна доза є якісною характеристикою фотонного випромінювання (рентгенівського і γ-випромінювання), вона визначається по іонізації повітря, тобто коли поглинена енергія в деякому об’ємі повітря дорівнює сумарній кінетичній енергії електронів і позитронів, утворених фотонним випромінюванням в тому ж об’ємі. Безпосередньо вимірюваною фізичною величиною при визначенні експозиційної дози γ-випромінювання є електричний заряд іонів одного знака, утворених в повітрі за час опромінення:

                                                                                              (2.1)

де Dексп - експозиційна доза, Кл/кг; Q - повний заряд іонів одного знаку, Кл; m - маса об’єму повітря, кг.

Позасистемною одиницею експозиційної дози є рентген (Р), 1 Р = 0,285 мКл / кг [3].

Поглинута доза характеризує зміни, що відбуваються в опромінюваній речовині (повітрі, воді, дереві, залізі і т.д.). Поглинута доза - це енергія, передана речовині масою водну одиницю:

де Dпогл - поглинена доза, Дж/кг; E - енергія іонізуючого випромінювання, поглинена опромінюваною речовиною, Дж; m - маса речовини, що піддалася опроміненню, кг [2].

У системі СІ поглинена доза виміряється в Гр (грей): 1 Гр = 1 Дж/кг. У практиці часто використовується спеціальна одиниця поглиненої дози - рад. Один рад відповідає такій поглиненій дозі, при якій кількість енергії, що виділяється одним грамом будь-якої речовини, була рівною 0,01 Дж, тобто:

рад = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр. Поглинута доза пов’язана з експозиційною дозою наступним рівнянням:

                                                                         (2.3)

де К1 - коефіцієнт, який враховує вид речовини, що піддається опроміненню (повітря, вода і т.п.), тобто враховує відношення енергії, поглиненої даною речовиною, до електричного заряду іонів, утворених в повітрі такої ж маси [3].

При експозиційній дозі в 1Р енергія γ-випромінювання, що витрачається на іонізацію 1 г повітря, дорівнює 0,87 рад, тобто для повітря:

Оскільки тканини організму мають дещо інший ефект поглинання в порівнянні з водою, то використовуються перехідні коефіцієнти для різних тканин тіла людини:

·        для води в організмі К1 = 0,887 - 0,975 рад / Р,

·        для м’язів К1 = 0,933 - 0,972 рад / Р,

·        для кісток К1 = 1,03 - 1,74 рад / Р.

В цілому для організму людини при опроміненні від γ-джерела коефіцієнт К1 = 1 рад / Р = 0,01 Гр / Р [2].

Еквівалентна доза враховує не тільки енергію, передану речовині, але і ті біологічні ефекти, які спричиняє іонізуюча радіація в тілі людини:

                                               (2.4)

де Dекв - еквівалентна доза, Зв; К2 - коефіцієнт якості опромінення (таблиця 2.1) [2].

Таблиця 1.2 Середні значення коефіцієнта якості К2 [2]

У системі СІ одиницею вимірювання еквівалентної дози є зіверт (Зв).Спеціальної одиницею еквівалентної дози є бер (біологічний еквівалент рентгена). Для рентгенівського і γ-випромінювання коефіцієнти К1 = 1 рад / Р, К2 = 1 бер / рад [2].

Потужність експозиційної, поглинутої або еквівалентної дози  характеризується дозою, отриманою за одиницю часу, тобто:

                                                                                       (2.5)

де ΔD - приріст дози за проміжок часу Δt [2].

Потужність експозиційної дози  вимірюється в системі СІ в Кл/(кг·с); позасистемною одиницею є Р/с, Р/год, мР/год, мкР/год і ін. Потужність поглиненої дози  в системі СІ вимірюється в Гр/с, мкГр/с і т.д. Потужність еквівалентної дози  вимірюється в системі СІ в Зв/с, мЗв/год, мкЗв/год; позасистемною одиницею є бер/с, бер/год і т.д. За значеннями потужності дози можна визначити дозу опромінення:

                                                                                    (2.6)

якщо потужність дози не змінюється в часі, то:

                                                                     (2.7)

де t - час впливу іонізуючого випромінювання [2].

Величина потужності експозиційної дози від точкового джерела прямо пропорційна активності радіонукліда і обернено пропорційна квадрату відстані до нього. Крім цього, різні радіонукліди при однаковій активності створюють різну величину експозиційної дози, що враховується γ-постійної:

                                                                             (2.8)

де  - потужність експозиційної дози, Р/год; Kγ - γ-стала радіонукліда Р·см2/(год·мКі); A - активність радіонукліду, мКі; R - відстань від точкового радіонукліда до місця вимірювання, см [2].

Гамма-стала показує, яку потужність експозиційної дози створює даний радіонуклід активністю 1 мКі на відстані 1 см. За еталон прийнятий 226Ra масою 1 мг, укладений в платинову упаковку товщиною 0,5 мм, що створює на відстані 1 см потужність дози Dексп = 8,4 Р/ год. Значення γ-сталих наведені в таблиці 2.2, наприклад, для 137Cs Kγ = 3,19 Р·см2/(год·мКі).

Таблиця 2.2 Радіобіологічні властивості деяких радіонуклідів [4]

Нуклід     Ефективна енергія Ееф, МеВ         Гамма-стала Kγ, Період напіврозпаду Т1/2, днівКритичний

Таблиця 2.3 Гранично-допустимі дози (ГДД) опромінення для категорій населення А і Б [4]

Для визначення дози опромінення від точкових джерел γ-випромінювання зазвичай використовується формула (2.7.), тобто приймається потужність дози постійною в часі [2].

Приклади розрахунків

. Визначити еквівалентну дозу і порівняти з допустимою, отриману робочим від точкового ізотропного джерела 60Со активністю (А) 1,1·10-2 Kі, якщо він працює з джерелом протягом всього робочого часу на відстані (R) 0,8 м. Тривалість робочого часу (t) для персоналу становить 1700 год/рік (36-годинний робочий тиждень).

Розв’язок. Визначаємо потужність експозиційної дози на робочому місці за формулою (2.8):

де значення γ-сталої беремо з таблиці 2.2.,

.

Експозиційну дозу, отриману робітником за рік, визначаємо за формулою (2.7.):

Тоді еквівалентна доза, отримана робочим, становить:

Тобто еквівалентна доза перевищує майже в 4 рази ГДД для категорії А (таблиця 2.3) [2].

. На відстані (R) 0,3 м від точкового джерела радіонукліда 60Со потужність еквівалентної дози від γ-випромінювання складає  = 450 мкЗв/год. На якій відстані від джерела (RГДД) можна працювати, щоб доза опромінення персоналу не перевищувала ГДД при 36-годинному робочому тижні і рівномірному розподілі дози протягом року [2].

Розв’язок. Еквівалентну дозу, отриману робітником за рік, визначаємо за формулою (2.7.):

Отримана доза перевищує ГДД (0,05 Зв/рік) у 15,3 рази, тому необхідно збільшити відстань від джерела випромінювання до робочого місця. Потужність дози, а отже і доза, зменшуються зі збільшенням квадрата відстані (по залежності 2.8.), тому необхідну відстань RГДД можна обчислити за відношенням:

;

,

; .

Таким чином встановлено, що відстань від джерела випромінювання до робочого місця повинно бути не менше 1,17 м [2].

ВИСНОВКИ

Корпускулярні частки ядерного походження, а також фотонне випромінювання (γ-кванти і рентгенівські промені) володіють значною кінетичної енергією. Взаємодіючи з речовиною, вони втрачають цю енергію в результаті пружних взаємодій з ядрами атомів або електронами або за рахунок непружної взаємодії з електричним полем атома і електричним полем ядра. При цьому вся або частина енергії витрачається на збудження атомів (перехід електрона з більш близької на більш віддалену від ядра орбіту), а також на іонізацію атомів або молекул середовища (відрив одного або більше електронів від атомів).

Пружна взаємодія характерна для нейтральних частинок (нейтронів) і фотонів, що не мають заряду. При цьому нейтрон, взаємодіючи з атомами, може відповідно до законів класичної механіки передавати частину енергії, пропорційну масам частинок, що стикаються. Якщо це важкий атом, то передається тільки частина енергії. Якщо це атом водню, рівний масі нейтрона, то передається вся енергія.

Аналогічно взаємодія з речовиною і фотона. Він самостійно не здатний іонізувати середовище, але вибиває електрони з атома, які і спричиняють іонізацію середовища. Заряджені частинки (α і β-частинки, протони та ін) здатні іонізувати середовище за рахунок непружних взаємодій з електричним полем атома і електричним полем ядра.

Для кількісної оцінки дії іонізуючого випромінювання на опромінюваний об'єкт в дозиметрії введено поняття “доза”. Розрізняють експозиційну, поглинену та еквівалентну дози. Експозиційна доза є якісною характеристикою фотонного випромінювання (рентгенівського і γ-випромінювання); поглинута доза характеризує зміни, що відбуваються в опромінюваній речовині; еквівалентна доза враховує не тільки енергію, передану речовині, але і ті біологічні ефекти, які спричиняє іонізуюча радіація в тілі людини.

СПИСОК ВИКОРИСТПНИХ ДЖЕРЕЛ

1.   Ким Д. Радиационная экология : учеб. пособие / Д. Ким, Л. А. Геращенко. Братск: ГОУ ВПО БрГУ, 2010. - 213 с.

2.      Штольц В. Дозиметрия ионизирующего излучения: Пер. с нем. / В. Штольц, Р. Бернхардт. - Рига: Зинатне, 1982. - 142 с.

3.      Іванов Є. А. Радіоекологічні дослідження: Навч. посібник. - Львів: Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2004. - 149 с.

4.      Шаров Ю. Н. Дозиметрия и радиационная безопасность / Ю. Н. Шаров, Н. В. Шубин. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 280 с.

.        Савельєв И.В. Курс общей физики / И. В. Савельєв. - М.: Наука, 1979. - 304 с.

.        Голубев Б. П. Дозиметрия и защита от ионизирующих злучений / Б. П. Голубев. - М.: Атомиздат, 1976. - 504 с.

.        Ландау Л. Д. Квантовая механика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Физматгиз, 1963. - 704 с.