Коротка теорія і метод вимірювань

 

Одним із основних факторів впливу на навколишнє середовище є радіоактивне випромінювання. Явище радіоактивності полягає у самодовільному перетворенні (переважно розпаді) ядер певних хімічних елементів в ядра інших елементів. Вказаний процес сопроводжується особливого роду випромінюванням - радіоактивним випромінюванням, здатним іонізувати гази, спричиняти хімічну і біологічну дію. Особливість радіоактивного випромінювання полягає в тому, що воно невидиме. Його можна виявити за допомогою різних явищ при взаємодії з речовиною, наприклад іонізації чи фотохімічної дії.

Радіоактивність е виключно властивістю атомного ядра і залежить тільки від його внутрішнього стану. Неможливо вплинути на хід радіоактивного процесу, змінюючи температуру, тиск, електричне і магнитне поля, вид хімічної сполуки даного радіоактивного елементу і його агрегатний стан.

Дослід показує, що кількість ядер радіоактивного ізотопа, яка розпадається за одиницю часу, пропорційна вихідній кількості радіоактивних ядер - тобто, за один і той же час завжди розпадається одна й та сама частка радіоактивних ядер. Вказана закономірність носить назву закону радіоактивного розпаду, в інтегральному вигляді її можна подати, як

 

N = N₀ е^-λ∙t, (1)

 

де N- кількість радіоактивних ядер, які залишились після розпаду; N₀ – кількість ядер на початку розпаду; t - час розпаду; λ - стала радіоактивного розпаду, характерна для даної радіоактивної речовини константа, яка визначає швидкість розпаду.

На практиці замість λ часто використовують період напіврозпаду Т - час, протягом якого розпадається половина початкової кількості ядер. Із (1) випливає, що

 

(2)

 

Період напіврозпаду різних радіоактивних ізотопів хімічних елементів змінюється у широких межах: від часток секунд до мільярдів років.

У складі радіоактивного випромінювання розрізняють три види випромінювання - альфа-, бета- і гама- промені, на які воно розподіляється в поперечному електричному або магнітному полях.

1. Альфа-промені являють собою потік високошвидкісних ядер гелію ₂Не⁴. Вони мають високу іонізаційну здатність (в повітрі можуть утворювати до 0,5∙10⁶ іонів на частинку) і незначну проникну здатність (для біологічних тканин - близько декількох десятків мкм).

2. Бета-промені - це потік надшвидкісних (0,3-0,99 швидкості світла) електронів або позитронів. Бета-випромінювання має значно меншу іонізаційну здатність, ніж альфа-промені, але більшу проникну здатність (в біологічних тканинах - до 1 см).

3. Гама-промені являють собою електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі порядка часток ангстрема (1 Ả = 10^-10 м). Енергія гама-квантів природних радіоактивних елементів значно нижча від енергії α – та β - частинок і не перевищує 2-6 МеВ. Гама-кванти, не мають заряду і маси спокою і, тому, викликають слабку іонізуючу дію, але мають значну проникну здатність. Шлях пробігу їх у повітрі досягає 100-150 м.

Радіоактивні елементи поширені в природі в дуже малих кількостях. Вони містяться в твердих породах земної кори, у воді, в повітрі, а також у рослинних і тваринних організмах, в які вони попадають із оточуючого середовища.

В земній корі радіоактивні елементи знаходяться переважно в уранових рудах та торієвих пісках, і майже всі вони є ізотопами важких елементів з атомним номером, більшим від 83. Ядра важких елементів нестійкі. Вони зазнають багатократних послідовних ядерних перетворень. В результаті виникає певний ланцюг радіоактивних розпадів, в яких ізотопи, що розпадаються, генетичне пов'язані між собою. Така сукупність радіоактивних елементів від вихідного (материнського) до кінцевого (стабільного) ізотопа називається радіоактивним сімейством або рядом. Назва сімейства береться від материнського елемента. На сьогодні відомі три природні радіоактивні ряди: ряд урана U-238, ряд актиноурана U-235 і ряд торія Тh-232. Кінцевими продуктами розпаду у всіх випадках є ізотопи свинцю.

До основних природних радіоактивних елементів, крім урана і торія, відносяться також К-40 та RЬ-87. Найбільш поширеним радіоактивним ізотопом земної кори є RЬ-87.Але загальна радіоактивність К-40 перевищує загальну радіоактивність всіх інших природних радіоізотопів. Калій-40 широко розсіяний в грунтах, особливо в глиноземах, які завдяки сорбційним процесам завжди багатші радіоактивними елементами, ніж піщані грунти та вапняки. Важкі радіоактивні елементи (уран, торій, радій) містяться переважно в гірських гранітних породах. Оскільли земні породи використовуються в будівницьтві, то вони можуть впливати на радіаційний фон всередині будівель. Найвищий рівень фону спостерігається в будинках із залізобетону та глинозему.

Радіоактивність атмосфери зумовлюється надходженням до неї радіоактивних речовин із земної кори у вигляді газів (радон, торон) чи аерозолей (калій-40, уран, радій і ін.), а також в результаті дії на компоненти атмосфери космічного випромінювання - таким шляхом утворюються радіоактивні ізотопи вуглець-14 та тритій (водень-3).

Слід відмітити, що на організм людини і тварин діють не тільки джерела зовнішнього природного радіоактивного фону, але й внутрішнє випромінювання природних радіонуклідів, в першу чергу К-40, Rа-226, С-14, Н-3, що надходять і накопичуються (інкорпорнуються) в организмі через їжу, воду, повітря.

Крім природних джерел радіації, на рослинний та тваринний світ можуть впливати штучні джерела іонізуючого випромінювання, особливо такі потужні, як ядерний та термоядерний вибухи, а також можливий радіоактивний фон від атомних електричних станцій (АЕС). Під час ядерних вибухів в результаті безпосереднього поділу важких ядер, продуктів їх розпаду та наведеної радіоактивності утворюється понад 200 радіоактивних елементів. Найбільш важливими за своїми фізичними та радіотоксикологічними характеристиками е такі радіонукліди: Sr-89, Sr-90, Zn-95, Nb-95, Ru-103, Ru-106, J-131, Сs-137, Ва-140, Се-144. Відповідно до свого періоду напіврозпаду, виду та інтенсивності випромінювання, здатності до інкорпорування в склад біологічних тканин, особливостей накопичення та виведення із організму, найбільшу небезпеку становлять J-131, Ва-140, Sr-89 - в перший час після вибуху, Sr-90, Сs-137 - в подальшому. Стронцій-90 і цезій-137 крім значного періоду напіврозпаду (біля З0 років) мають надзвичайну здатність включатись в біологічний кругообіг речовин і затримуватись в організмі.

Крім сталої розпаду та періоду напіврозпаду швидкість радіоактивного розпаду характеризується ще однією величиною - активністю радіоактивного препарату А, яка визначається кількістю розпадів за одиницю часу:

(3)

Одиницею активності в SI є один розпад за секунду (1/с) - беккерель (Бк). Допускається застосування позасистемних одиниць - розпад за хвилину та кюрі.Кюрі (Кі) визначається як активність такого препарату, в якому відбувається 3,7∙10¹⁰ розпадів в секунду. 1 Кі відповідає активності 1 г радію.

Оскільки активність в даний момент часу пропорційна вихідній кількості радіоактивних ядер, то нею можна вимірювати загальну кількість радіоактивного ізотопа замість маси, що значно простіше.

Для даного радіоактивного препарату або радіоактивної речовини використовують питому масову А_m або об'ємну А_v активності, відповідно за формулами:

(4)

 

Для характеристики дії іонизуючого випромінювання на речовини введено поняття дози випромінювання D₀ — як величини енергії, поглинутої одиницею маси опроміненої речовини. Вимірювання D₀ безпосередньо в глибині тканин живих организмів ускладнено, тому визначають так звану експозиційну дозу D_і, яка характеризує іонізаційну здатність рентгенівських та гама-променів в повітрі, а від неї переходять за допомогою відповідних коефіцієнтів до D₀.

За одиницю експозиційної дози в Міжнародній системі одиниць прийнятийкулон на кілограм (Кл/кг) - така експозиційна доза рентгенівського та гама-випромінювання, при якій споріднена емісія іонів кожного знаку в 1 кг сухого повітря становить 1 Кл. На практиці застосовується позасистемна одиниця експозиційної дози -рентген (Р), яка еквівалентна іонізаційній здатності випромінювання в одну електростатичну одиницю заряду на мілілітр повітря (1 Р = 2.58∙10^-4 Кл/кг), (1 Кл/кг = 3876 Р).

Одиницею дози іонізуючого випромінювання незалежно від виду випромінювання в СІ виступає -грей (Гр). Широкого поширення набула позасистемна одиниця дози довільного виду іонізуючого випромінювання - рад (1 рад = 0,01 Гр).

Між поглинутою дозою D₀ та експозиційною дозою D_і, випромінювання дослідним шляхом для різних речовин встановлено співвідношення:

D₀ = f∙D_i, (5)

 

в якому перехідний коефіцієнт f відбиває здатність речовини поглинати даний вид випромінювання — для повітря - 34,1 (В); - для води - 36,0 (В);- для кісткової тканини – 136 (В); - для м'яких тканин тварин - 38,8 (В).

Біологічна дія однакових доз різних видів випромінювання неоднакова. Величина Q, яка показує у скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більша, ніж ефективність дії рентгенівського чи гама-випромінювання при однакових поглинутих дозах в живих тканинах називається відносною біологічною ефективністю (ВБЕ) або коефіцієнтом якості (КЯ) випромінювання.

Для оцінки біологічної дії випромінювання вводиться еквівалентна доза іонізуючого випромінювання:

 

D_e = Q∙D₀, (6)

 

в якій враховується і поглинута доза, і якість іонізуючого випромінювання. Одиниці вимірювання еквівалентної дози:зіверт (Зв) - в СІ, а також біологічний еквівалент рада – берад (13в = 100 берад).

ВБЕ (КЯ) РІЗНИХ ВИДІВ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Вид випромінювання	Величина ВБЕ (КЯ)
Рентгенівське і гама-випромінювання
Бета-випромінювання
Протони
Нейтрони повільні	З-5
Нейтрони швидкі
Альфа-випромінювання
Важкі ядра

У біологічному відношенні важливо знати не просто дозу, одержану об'єктом, а також протягом якого часу t вона була поглинута. Для цього вводять поняття потужності дози:

Р₀ = D₀ / t (7)

 

Відповідно розрізняють потужності експозиційної та еквівалентної доз.

Торкаючись біологічної дії випромінювання, слід відмітити його високу біологічну активність. Іонізуюче випромінювання викликає іонізацію біологічних молекул, утворює активні радикали інших речовин і цим збуджує довготривалі хімічні реакції в живих організмах, внаслідок чого порушується хід біохімічних процесів з наступними функціональними і морфологічними змінами в клітинах і тканинах організму.

Детальний механізм біологічної дії іонізуючих випромінювань на організм досить складний і до кінця не вияснений. Відомий ряд загальних закономірностей цієї дії:

І/ глибинні порушення життєдіяльності викликаються дуже малою кількістю поглинутої енергії, основна парадигма сучасної радіаційної гігієни грунтується на безпороговій концепції біологічної дії іонізуючого випромінювання;

2/ для біологічної дії іонізуючих випромінювань характерний латентний період, тобто променеве ураження відбувається не відразу, а через деякий час (декілька тижнів – місяців);

З/ біологічна дія іонізуючих випромінювань не обмежується організмом, який зазнав опромінювання, а може поширюватись і на наступні покоління (генетичний ефект).

Ступінь радіочутливості органів та тканин живого організму неоднакова. Вважається, що найбільший радіобіологічний ефект викликає загальне рівномірне опромінення організму. Смертельною для більшості ссавців є експозиційна доза гама-випромінювання величиною 1000 Р (для людини – 600Р). Одноразова доза відповідає опроміненню за час, що не перевищує 4 доби.

Флора і фауна Землі безперервно опромінюється в полі природних джерел іонізуючого випромінювання (космічні промені та радіонукліди грунту, води і повітря). Природний радіаційний фон (ПРФ) коливається поблизу середнього показника 0,1 … 1,0 мЗв/рік, може багатократно підвищуватись (до 100 … 600 раз) в місцях залягання уранових руд, торієвих пісків, виходу на поверхню радонових джерел. Багаторічні спостереження не відмічають суттєвого відхилення у стані здоров'я населення, що проживає в районах з підвищеним радіаційним фоном, що доводить можливість адаптації і значної пристосованості людини і тварин до природного рівня радіації та його коливань у певних межах. Значення малих доз, близьких до ПРФ, продовжує залишатись неясним – в багатьох випадках такі дози діють стимулююче, стерилізуюче, терапевтичне.

Значні дози опромінення справляють пошкоджувальну дію на організм. При цьому передбачається, що високий рівень радіації однозначно пов’язаний з частотою патологічних відхилень у людини, особливо злоякісних новоутворень, а також з частотою генетичних змін.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1: Дозиметрія фонового випромінювання

 

1. Ознайомтесь з приладом радіаційного контролю об'єктів АНРИ-01- 02 "Сосна".

Дозиметр-радіометр АНРИ-01-02 призначений для виміру дози гама-випромінювання, виміру густини потоку бета-випромінювання із забруднених поверхонь, оцінки об'ємної активності радіонуклідів в речовинах. Прилад відноситься до іонізаційних детекторів випромінювання типу "іонізаційна камера" з інтегральним режимом відліку, в яких фіксується зумовлений іонізуючою дією випромінювання струм насичення несамостійного газового розряду. В. радіометрі використовується розрахунковий і порівняльний методи вимірювання радіоактивності.

На передній панелі приладу розташовані органи управління та цифрове табло (індикатор) на рідких кристалах. На задній стороні радіометра міститься відкидна кришка - екрануючий фільтр детектора. До приладу додається спеціальна кювета.для вимірів об'ємної активності радіонуклідів в пробах рідких та сипучих речовин.

2. Проведіть виміри (3-6 разів) потужності експозиційної дози фонового радіоактивного випромінювання в лабораторії:

- переведіть перемикач режиму роботи в положення "МД";

- увімкніть живлення (перемикач живлення переведіть в положення "ВКЛ");

- натисніть кнопку "ПУСК" і після того, як відлік на індикаторі припиниться внутрішнім таймером приладу, зафіксуйте показання потужності експозиційної дози в мкР/год.

3. Визначте потужність поглинутої дози людиною в умовах фонового випромінювання (коефіцієнт поглинання прийняти рівним 38,8 Дж/Кл).

4. Обчисліть за середніми значеннями потужностей доз річні дози (експозиційну, поглинуту та еквівалентну) фонового випромінювання в умовах лабораторії.

5. Порівняйте одержані результати з граничною дозою за календарний рік - РД (допустимий середньорічний рівень опромінення для населення категорії "Б" — окремі особи населення, які можуть зазнати опромінення): 5 мЗв. Зробіть висновок відносно радіаційної безпечності лабораторії.

6.Знайдіть потужність еквівалентної дози нейтронного (брати швидкі нейтрони) випромінювання P_Е в рад/с при тотожній до п. 4 річній поглинутій дозі.

Результати вимірювань та розрахунків занесіть до таблиці 1.

 

Таблиця 1

Потужність дози	Доза за рік	PЕ
Експозиц., (мкР/год)	Поглинута, (Гр/с)	Експозиц., (Кл/кг)	Поглинута, ( Гр)	Еквівал., (Зв)	Нейтрони (рад/с)

Завдання 2: Оцінка об’ємної активності радіонуклідів

 

1. Заповніть кювету радіометра досліджуваною речовиною (рідиною або твердим подрібненим матеріалом) до відмітки "РІВЕНЬ" і встановіть на неї прилад (екрануюча кришка під час вимірювань повинна бути відкритою).

2. Переведіть перемикач режиму роботи в положення "Т" і увімкніть живлення приладу.

3. Натисніть кнопку "ПУСК" і через заданий проміжок часу t від 5 до 10 хв. (в залежності від активності проби) припиніть відлік імпульсів, натиснувши кнопку "СТОП". Зафіксуйте число відрахованих імпульсів N_фп на індикаторі радіометра.

4. Перед визначенням об'ємної фонової активності на контрольних пробах чистої питної води кювету радіометра ретельно промийте розчином прального порошку або пасти і витріть насухо.

5. Наповніть кювету до відмітки "РІВЕНЬ" чистою питною водою і проведіть вимірювання фонової об'ємної активності аналогічно п.п. 2-3 при часі відліку t₀ = 10 хв. Зафіксуйте число відрахованих фонових імпульсів N_ф на індикаторі.

6. Оцініть величину об'ємної активності радіонуклідів досліджуваної речовини за формулою:

 

де k_n - стала приладу. Величина коефіцієнта k_n і залежить від характеристики досліджуваної речовини. Орієнтовно для проб, які містять ізотопи Сs-137, k_n =8∙10^-9 Кі∙хв/(л∙імпульс). Подайте об'ємну активність в Міжнародній системі одиниць СІ.

 

Результати дослідження оформіть у вигляді таблиці 2.

Таблиця 2

t	Nфп	t0	NФ	АV , Ki/л	АV , СІ

 

Завдання 3: Визначення потоку бета-випромінювання

1. Переведіть перемикач режиму роботи в положення "МД".

2. Увімкніть живлення приладу.

3. Підготуйте модель радіоактивне (бета-) забрудненої поверхні: в якості моделі використовується екран демонстраційної електронно-променевої трубки або осцилографа в режимі роботи.

4. Піднесіть радіометр площиною задньої кришки до досліджуваної поверхні на відстань 0,5 -1 см і натисніть кнопку "ПУСК", після припинення відліку таймером, запишіть показання індикатора приладу.

5. Відкрийте задню кришку приладу і виконайте вимірювання відповідно попередньому пункту. Зафіксуйте нове показання індикатора.

6. Визначте густину потоку бета-випромінювання з поверхні за формулою:

q = k_s (N_γβ -N_γ),

де N_γ - показання радіометра з закритою задньою кришкою без врахування коми в числовому значенні на табло імпульсів; N_γβ — показання приладу з відкритою задньою кришкою без відповідного врахування коми; k_s — коефіцієнт відліку приладу — k_s = 0,5 част/(см² ∙хв∙імпульс).

7. Переведіть знайдене значення густини потоку в систему СІ.

 

Повторіть виміри 1-2 рази, результати вимірювань і обчислень занесіть до таблиці 2, де наведіть також середні значення.

Таблиця 2

Ny

Nyβ

q

q, CI