Радиометрия внутреннего облучения человека

Классификация приборов

Рис.1.18. Схема стинцилляционного детектора

Коллективная эффективная доза (S)относится, в целом, к облученной популяции. Она равна произведению средней эффективной дозы на число лиц в облученной группе. В определении коллективной эквивалентной и коллективной эффективной доз не указано время, за которое она получена. Поэтому обычно указывается и время за которое получена доза для группы лиц. Единицы коллективных доз - чел*Зви чел*бэр.

Примечание. Заметим, что 1бэр ≈ 1 раду ≈ 1 Р (т.е. строго говоря соответствует).

Подчеркнем, что и эквивалентная и эффективная доза являются величинами, которые предназначены для применения в радиационной безопасности для оценки вероятности стохастических эффектов.

Таблица 1.6.

Взвешивающие коэффициенты W_T^*

Ткань или орган	Коэффициент WT
Половые железы	0,20
Красный костный мозг	0,12
Толстый кишечник	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Молочные железы	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа, клетки костных поверхностей	0,01
Остальные органы	0,05

Примечание к таблице 1.6. При расчетах учитывать, что "остальные органы" включают надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку,вилочковую железу и матку. В тех случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики "остальные органы приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

Полувековая эквивалентная доза. Поглощенная доза при внешнем облучении формируется в то самое время, когда ткань или орган находятся в поле излучения. Однако при внутреннем облучении формирование суммарной поглощенной дозы растягивается во времени, и она накапливается постепенно по мере радиоактивного распада радионуклида и его выведения из организма. Распределение во времени поглощенной дозы зависит от типа радионуклида, его физико-химической формы, характера поступления и ткани, в которой он откладывается. Для учета этого распределения и введено понятие полувековая эквивалентная доза. Она представляет собой временной интеграл мощности эквивалентной дозы в определенной ткани (органе). В качестве предела интегрирования МКРЗ установила 50 лет для взрослых и 70 лет для детей (рис.1.13).

Полувековая эффективная доза может быть получена, если умножить полувековые эквивалентные дозы в отдельных органах на соответствующие весовые множители W_T и затем их просуммировать.

Коллективная эквивалентная доза (S_т) в ткани Т применяется для выражения общего облучения конкретной ткани у группы лиц на основе таблицы 1.5.

Рис.1.13. Мощность эквивалентной дозы в органе (ткани) после поступления радионуклида с коротким и длинным периодом полувыведения.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое экспозиционная доза и в каких единицах измеряется

2. Что такое поглощенная доза и в каких единицах она измеряется

3. Что такое эквивалентная доза и в каких единицах она измеряется

4. Что такое эффективная эквивалентная доза и в каких единицах она измеряется

5. Что такое мощности доз и в каких единицах они измеряются

1.2.4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Для решения задач радиационной безопасности необходимо знать основные характеристики ионизирующих излучений. Известно, что все ионизирующие излучения взаимодействуют со средой и вызывают изменения ее физических и химических свойств. Это и используется для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений.

Наиболее распространенные способы регистрации: фотографический, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, биологический, ионизационный.

Фотографический - основан на потемнении фотоэмульсии под воздействием ионизирующих излучений (разновидность химического).

Химический - основан на измерении концентрации радикалов воды, которые появились в результате ее облучения ионизирующими излучениями. Можно использовать свойство некоторых веществ изменять свой цвет под воздействием излучений.

Полупроводниковый - основан на том, что некоторые полупроводники изменяют свое сопротивление под воздействием ионизирующих излучений.

Сцинтилляционный - основан на том, что некоторые вещества под воздействием ионизирующих излучений испускают фотоны видимого света.

Биологический - основан на исследовании состава крови и структуры зубов.

Ионизационный - основан на ионизации газов.

Наиболее распространенными способами являются ионизационный и сцинтилляционный. Для регистрации каждого вида заряженных частиц и гамма-квантов по вызываемому или ионизационному эффекту применяют счетчики или ионизационные камеры определенного типа и конструкции. Это обусловлено тем, что величина ионизации зависит от вида излучения, его энергии и природы поглощения. Работа детекторов ионизирующих излучений описывается различными характеристиками. Наиболее употребительными являются: эффективность счетчика, мертвое время, рабочее напряжение.

Под эффективностью детектора понимают вероятность того, что попавшая в объем счетчика (камеры) частица будет зарегистрирована.

Под мертвым временем детектора понимают минимальное время между пролетом двух следующих одна за другой частиц, регистрируемых отдельно.

Рабочее напряжение - это такое напряжение на электродах, при котором его незначительные колебания не должны искажать результаты регистрации

Сущность ионизационного метода демонстрируется рисунком 1.14. В состав схемы входит конденсатор, размещенный в герметичной колбе (1), наполненной газом, миллиамперметр (2), источник питания постоянного тока (3), усилитель (4) и выключатель (5). Если замкнуть цепь при отсутствии ионизирующих излучений, то конденсатор в колбе зарядится от источника. Если емкость конденсато­ра небольшая, а инерционность стрелочного прибора значительная, то стрелка прибора практически останется на нуле, так как после импуль­са тока конденсатор окажется заряженным, а цепь разомкнутой.

При облучении колбы ионизирующим излучением в ней произойдет ионизация газа. Чем больше интенсивность облучения, тем больше ионизация газа, тем больше ток пройдет по цепи. Прибор может быть отградуирован в соответствующих единицах и можно регистрировать и измерять ионизирующие излучения.

Чувствительность такого прибора не всегда может оказаться достаточной, чтобы измерять малые уровни радиации. Поэтому используют различные участки вольтамперной характеристики (рис. 1.15). На практике чаще используют участки характеристики 1, 2, 4. Работа на соответствующем участке характеристики зависит от типа детектора, его конструкции и приложенного напряжения.

В зависимости от подаваемого напряжения двухэлектродный промежуток может работать: в режиме ионизационной камеры, пропорционального счетчика или счетчика Гейгера-Мюллера.

Ионизационные камеры - это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующих участку 1 вольтамперной характерис­тики. Принципиальная схема ионизационной камеры показана на рис.1.16. Частица, пролетая в пространстве между электродами, ионизирует атомы и молекулы газа. Затрачивая энергию Е, она создает N _о пар ионов. Связанные с ними заряды обоих знаков имеют величину q_о каж­дый. Если за время t в объем камеры влетело n таких частиц, то сум­марный заряд Q_о каждого знака, вызванный ими будет

Q_о = nеЕ/I (1.54)

где I - энергия ионизации атома /молекулы/ газа в межэлектродном пространстве.

Если напряжение между электродами равно нулю, то возникшие ионы быстро рекомбинируют, в результате чего система возвращается в исходное положение.

Если считать, что для инертных газов I = 30 - 40 эВ, то в случае когда n = 1 и Е = 1 МэВ, величина N_о = 3х10⁴, а Q_о = 5х10^-15 Кл.

Измеряемой величиной в ионизационной камере является электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности падающего излучения. При малой интенсивности излучения ток

в цепи очень мал и его измерение представляет трудность. Поэтому чувствительность такого

прибора при малых плотностях излучений недостаточна.

Рис.1.16. Принципиальная схема ионизационной камеры.

Вольтамперная характеристика зависит от конструктивного исполнения ионизационной рамеры. Наибольшее распространение получили камеры цилиндрической и плоской форм.

Цилиндрические ионизационные камеры конструктивно представляют собой систему, состоящую из пустотелого электропроводящего цилиндра и коаксиально расположенного электропроводящего стержня. Внешний электрод соединяется с положительным полюсом источника питания камеры.

Плоские ионизационные камеры конструктивно выполняются в виде прямоугольной коробки (рис.1.16.), внутри которой размещается стержень или пластина. Внутренняя поверхность коробки покрывается слоем графитового порошка для обеспечения электропроводности. Стержень или пластина являются отрицательным электродом, а слой графита - положительным электродом камеры.

Конденсаторные ионизационные камеры предназначены для измерения дозы облучения. Конструктивно такие камеры представляют собой трубку из электропроводящего материала, которая является отрицательным электродом камеры. Внутри трубки расположен металлический стержень, являющийся положительным электродом камеры и конденсатора. Для расширения пределов измерения параллельно электроду подключается конденсатор с высококачественным диэлектриком. Конденсаторные камеры используются в качестве дозиметра комплектов ДП-24, ДП-22В.

Пропорциональные счетчики - это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующих участку 2 вольтамперной характеристики. Принципиальная схема счетчика показана на рис. 1.17.

В этих приборах первично созданные ионы за счет энергии электрического поля вызывают на пути к электродам дополнительную ионизацию газа. Очевидно, что граничное напряжение между областью ионизационной камеры и областью пропорционального счета создает такое электрическое поле, в котором электроны на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа, наполняющего счетчик.

		R

Рис.1.17. Принципиальная схема пропорционального счетчика.

Если каждая, созданная первичной частицей пара ионов на пути к электродам образует К новых пар ионов, то общий заряд Q_о каждого знака, возникающий в объеме в результате пролета одной частицы будет:

Q_о = КеЕ/I, (1.55)

где К - коэффициент газового усиления.

Коэффициент газового усиления в области пропорционального счета зависит лишь от приложенного напряжения. Поэтому, при данном напряжении импульс на выходе счетчика пропорционален энергии, затраченной частицей на ионизацию. Горящий в пропорциональном счетчике несамостоятельный разряд прекращается при устранении излучений.

Широко распространены цилиндрические пропорциональные счетчики, в которых возле анода, изготовленного в виде тонкой нити, создается сильное электрическое поле. Вторичная ионизация, происходящая в этой области, обуславливает усиление тока. Таким образом, пропорциональные счетчики более чувствительны, чем ионизационные камеры.

Счетчики Гейгера-Мюллера - это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующие участку 4 вольтамперной характеристики, называемому областью Гейгера.

Для того чтобы создать условия для развития газового разряда при сравнительно невысоких напряжениях, рационально использовать не - однородные электрические поля и низкое давление газа, примерно 100 - 200 мм рт. ст. Поэтому счетчики Гейгера - Мюллера изготавливают в виде цилиндрического катода, на оси которого расположен тонкий проволоч­ный анод. При попадании ионизирующих частиц в цилиндр, в газе образуются свободные электроны, которые движутся к нити. Вблизи нити напряженность электрического поля велика и электроны ускоряются настолько, что начинают ионизировать газ. По мере приближения к нити число электронов возрастает лавинообразно, возникает коронный разряд, распространяющийся вдоль нити. Этот разряд обрывается включением большого сопротивления R = 10⁸- 10⁹ Ом (не самогасящийся счетчик Гейгера), либо введением специального состава газовой смеси инертного газа с примесью паров спирта или другого многоатомного га за (самогасящийся счетчик Гейгера). В отличие от ионизационной камеры и пропорционального счетчика, в счетчике Гейгера величина тока не зависит от количества первично созданных ионов, а обуславливается приложенным напряжением и величиной сопротивления, включенного последовательно цепь разрядного промежутка.

Таким образом, счетчик Гейгера-Мюллера пригоден лишь для счета частиц.

Сцинтилляционный счетчик. Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтилляционного детектора и пересчетного устройства. Схема сцинтилляционного детектора показана на рис.1.18. Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Принцип действия заключается в следующем:

1- сцинтиллятор; 2 - фотокатод; 3 - фокусирующая система 4 - анод; 5 - диноды; Резисторы R₁ - R₆ - делитель напряжения.

Под действием ионизирующих излучений, поступающих на сцинтиллятор 1 в нем возникают вспышки света, которые затем попадают на фотокатод 2 (чаще всего - сурьмяно-цезиевый) и выбивают из него фотоэлектроны. С помощью фокусирующего электрода 3 фотоэлектроны попадают на первый динод (5), из которого они выбивают в результате вторичной эмиссии дополнительные электроны. Далее они поступают на следующий динод и т.д. Так происходит умножение электронов (усиление электронного потока). С последнего динода электронный поток попадает на анод, связанный с обычным усилителем. На схеме показан делитель напряжения, который обеспечивает напряжением каждый динод и анод. Для обеспечения работы счетчика применяют значительной величины напряжение.

Сцинтилляционный счетчик нашел достаточно широкое применение, как достаточно точный способ регистрации излучений.

По назначению приборы можно классифицировать следующим образом:

- индикаторы – простейшие измерительно-сигнальные приборы, позволяющие обнаружить факт наличия излучения и ориентировочно оценить некоторые характеристики излучений. Детекторами в них чаще всего являются газоразрядные счетчики;

- приборы контроля облучения людей (дозиметры);

- приборы для измерения мощности дозы гамма и рентгеновского излучения (рентгенометры). В качестве детекторов в них применяют ионизационные счетчики;

- приборы для измерения активности (удельной, поверхностной, объемной) - радиометры. В качестве детекторов в них применяются ионизационные и сцинтилляционные счетчики;

- спектрометры-приборы и установки, предназначенные для определения энергии частиц, энергети­ческого спектра, типа радионуклида;

В последнем случае различают: альфа-спектрометры, гамма-спектро­метры, бета-спектрометры. На практике пользуются и комбинированными приборами.

Радионуклиды, попавшие внутрь организма человека, можно измерять с помощью с помощью специального счетчика излучения человека (СИЧ). Для достижения высокой чувствительности СИЧ детекторы и человека помещают в стальную защитную камеру (толщиной примерно 15 - 20 см), снижающую фоновое облучение.

Спектрометр СИЧ состоит из защитной комнаты, набора сцинтилляционных детекторов, регистрирующей аппаратуры, кресла и носилок для исследуемого человека. В комнате имеются направляющие устройства для вкатывания носилок, кресел с пациентом и системы перемещения детекторов над ним. Человек может при этом находиться в различных положениях: сидеть; лежать на дугообразном ложе, на прямом; стоять. Перемещая детектор, можно исследовать локализацию радионуклидов в теле. Фоновую картину снимают с макета человека, заполненного дисциллированной водой. Ее вычитают от спектрограммы, полученной от человека. Собственный фон установки СИЧ известен.

Для быстрого обследования и выявления лиц, в организме которого содержатся гамма-излучатели, можно измерить радиоактивность гамма-излучения на поверхности тела с помощью радиометра.

В качестве примера возьмем радиометр СПР-68-01 с помощью которого надо измерить скорость счета импульсов N_c в трех точках - в районе легких, желудка и щитовидной железы за время, равное 5 с. Перед обследованием определить фон прибора N_f (обычно N_f =50 имп/с - это соответствует мощности дозы 0,15 мкГр/ч) и ΔN_f - cкорость счета от "заведомо незагрязненных" людей при тех же условиях измерения.

Если радионуклид известен и определена его локалтзация в организме с погрешностью 150 - 200%, можно определить его активность (Бк) по формулам:

А = 2•10³ n[ N_c - (N_f + ΔN_f)] - равномерное распределение радионуклида;

А = 7,9•10² n[ N_c - (N_f + ΔN_f)] - легкие;

А = 4,9• 10² n[N_c - (N_f + ΔN_f)] - желудок;

А = 66[N_c - (N_f + ΔN_f)] - радиоактивный йод-131 в щитовидной железе,

где n - суммарный выход гамма-квантов на распад данного радионуклида (находится по специальным таблицам).

Если результаты измерений соизмеримы с предельно допустимыми значениями, то людей надо обязательно проверить на установке СИЧ.

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные способы обнаружения и измерения ионизирующих излучений

2. Принцип работы ионизационной камеры

3. Принцип работы пропорционального счетчика

4. Принцип работы сцинтилляционного счетчика

5. Классификация дозиметрических приборов

6. Принцип работы СИЧ

1.3. ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Различают естественные и искусственные источники ионизирующих излучений. К естественным источникам относят космическое излучение, излучение от природных радионуклидов земного происхождения. К искусственным источникам ионизирующих излучений относят антропогенный радиационный фон, радиоактивное загрязнение местности и воздушной среды при авариях на радиационно опасных объектах, заражение местности и атмосферы при взрывах ядерных боеприпасов.

1.3.1. КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Космическое излучение делят на галактическое, межгалактическое и солнечное. Их также делят на первичное и вторичное.

Галактическое и межгалактическое космическое излучение - это поток протонов (90%) альфа-частиц (9%). Остальное (около 1%) - это фотоны и другие частицы, ядра легких элементов: лития, бериллия, азота, углеро­да, кислорода, фтора и др. Средний возраст галактического излучения от 1 млн. до 10 млн. лет, а плотность потока частиц величина постоянная и состав­ляет 1 - 2 частицы/см²с.

Низкое содержание нейтронов объясняется тем, что нейтрон в сво­бодном состоянии неустойчив и распадается на протон и электрон. Время "жизни" нейтрона примерно 16 минут. Считается, что электроны, позит­роны и гамма-лучи поглощены космической пылью, поэтому их очень мало в составе космического излучения.

Галактическое излучение обладает очень высокой энергией – 10¹² – 10¹⁴ МэВ. Считается, что такая большая энергия объясняется разгоном частиц магнитными полями звезд.

Такое излучение губительно для всего живого. К счастью, протоны задерживаются радиационными поясами Земли, их энергия несколько уменьшается.

Существование поясов связано с наличием магнит­ного поля Земли. Заряженные частицы обычно движутся вдоль магнитных силовых линий по спирали. Имеется два радиационных пояса. Внешний ра­диационный пояс находится на расстоянии от 1 до 8 радиусов Земли, внутренний - на расстоянии 400 - 10000 км. Наибольший прорыв космического излучения на полюсах, поэтому Северный и Южный полюса по­лучают больше космической радиации.

Частично потерявшие энергию космические лучи попадают в атмосферу и ею поглощаются, вызывая вторичное излучение, представляющее почти все известные частицы и фотоны.

Первичное излучение преобладает до высот 45 км, а вторичное излу­чение достигает максимальной величины на высотах 20 - 25 км. На широте г. Минска человек получает на Земле 50 мрад/год, но с ростом высоты интенсивность облучения с каждым километром увеличивается вдвое.

Космические лучи, проходя через атмосферу, вызывают появление космогенных радионуклидов, которых насчитывается около 20. Наиболее значительные из них тритий, углерод-14, берилий-7, сера-32, натрий-22, 24. Эти радионуклиды, распадаясь, испускают бета-частицы. Наиболее опасными из них являются тритий (период полураспада 12,3 года) и углерод-14 (период полураспада - 5730 лет). Оба радионуклида непрерывно возникают и непрерывно распадаются. Существует определенное равновесие в природе и всегда имеется некоторый его запас. Смешиваясь с углеродом и водородом, тритий и углерод-14 попадают в воду, человека, в животных, в растения и представляют определенную угрозу для жизни и здоровья человека.

Углерод-14 поступает в организм человека через желудочно-кишечный тракт и через легкие. В организме распределяется равномерно. Период биологического полувыведения из организма около 200 дней. Он вызывает трансмутационный эффект: встраиваясь в азотистые основания нуклеиновых кислот, углерод при распаде превращается в стабильный азот-14, что вызывает изменение структуры азотистых оснований, в результате чего меняется смысл генетического кода. Эти изменения не поддаются репарации и их доля от всех мутаций составляет 10%.

Наша справка. С помощью углерода-14 можно определить по останкам людей или животных время их смерти. Пока человек или животное живые, то идет постоянный процесс обновления углерода. После смерти этот процесс прекращается и начинается процесс распада углерода-14. Зная начальное количество и период полураспада можно определить время, прошедшее после смерти животного или человека.

Вклад в космическое излучение вносят и вспышки на Солнце. В этом случае происходит выброс в космическое пространство протонов с энерги­ей до 40 МэВ, иногда энергия достигает и 100 МэВ. Однако, по сравнению с галактическим излучением эта энергия незначительна.

В целом человек, живущий на уровне моря, получает 0,315 мЗв/год, в том числе за счет внешнего облучения - 0,3 мЗв/год и за счет внутреннего облучения 0,015 мЗв/год.