Теоретичні відомості, опис приладів та методики вимірювань

Загальною властивістю випромінювань, що виникають при радіоактивному розпаді ядер, є властивість проникати через речовину, зазнаючи втрат енергії, в основному на іонізацію.

Альфа-частинки мають велику іонізуючу (малу проникаючу) здатність. Проходячи через шар речовини, a-частинки зазнають пружного розсіювання на ядрах атомів і вільних електронах і непружного зіткнення з орбітальними електронами.

Бета-частинки (електрони), в основному, втрачають енергію на рентгенівське випромінювання в результаті гальмування в полі атомних ядер речовини. Іонізуюча здатність a-частинок значно менша, ніж b-частинок. Так, на своєму шляху у повітрі вони утворюють іонів у декілька сот разів менше ніж b-частинки.

Енергія g-квантів при радіоактивності 10⁻² − 10⁻¹Мев. Механізм взаємодії g-випромінювання а речовиною залежить як від властивостей середовища, так і від енергії g-кванту. Основними процесами взаємодії є фотопоглинання або фотоефект, комптон-ефект і утворення пар електрон-позитрон. У результаті кожного з цих процесів у опромінюваному середовищі виникає велика кількість електронів, що швидко рухаються. Значна частина їх має енергію, що достатня для іонізації атомів середовища. Енергія, що поглинається при цьому опромінюваним середовищем, визначає радіаційний ефект.

Іонізуючі випромінювання виявляють сильну вражаючу дію на живі істоти. Ураження проявляється як на рівні молекул і клітин, так і на рівні окремих органів або всього організму. При досить великих дозах організм гине, при менших − виникають різні захворювання (променева хвороба). Ураження мажуть бути різними в залежності від частинок і дози опромінення. Крім того, дія опромінення може бути різною для різних організмів і різних органів.

Дія радіації може бути прямою (частинки, рентгенівське і g-випромінювання безпосередньо діють на молекули) або посередньою (якщо в реакції з молекулами вступають продукти радіолізу води, що міститься в тканинах). Переважаючою вважають пряму дію.

Ураження молекул білків, нуклеїнових кислот та інших кліткових структур, що породжуються іонізацією, проявляються в розривах зв'язків (вибиваються електрони, що відповідають за зв'язок між окремими частинами молекул), в утворенні зшивок, радіаційному окисленні і т.д. При високих дозах опромінення складні органічні молекули перетворюються в короткі уривки і клубки. Із-за радіаційного спотворення просторової структури деякі молекули (наприклад, молекули ферментів) втрачають свою біологічну активність. Це проявляється, перш за все, у пригнобленні і порушенні обміну речовин у клітині і може призвести до її загибелі. Найбільш чутливим до опромінення є ядро клітини. При його ураженні порушується здатність клітини до ділення, розлагоджується синтез білків та нуклеїнових кислот. Вважають, що основні причини, які призводять до загибелі клітини, − ушкодження хромосомного апарату і накопичення радіотоксинів внаслідок порушення обміну речовин. Клітини, що швидко діляться, особливо чутливі до радіації.

Досвід показує, що дія ядерних випромінювань на тканини живого організму визначається не тільки дозою опромінення, але і природою іонізуючих частинок. Важкі частинки (a-частинка, нейтрони, протони, іони) викликають більше фізіологічних порушень, ніж легкі (b⁻-, b⁺-, g- випромінювання). Особливо небезпечні сильно проникаючі потоки нейтронів.

Під дією випромінювань, що випускаються радіоактивними ізотопами, у опромінюваному об'єкті накопичуються різноманітні порушення. Поглинута енергія випромінювання служить зручною фізичною величиною, що характеризує дію радіації на організм. Енергію будь-якого виду випромінювання, що поглинута одиницею маси речовини, називають поглинутою дозою. В СІ за одиницю поглинутої дози використовується грей (Гр) (позасистемна одиниця − рад). Поглинута за одиницю часу доза називається потужністю поглинутої дози і вимірюється в СІ у Гр/с. Для обліку радіаційної небезпеки різних видів випромінювання введена еквівалентна доза, що дорівнює добутку поглинутої дози на коефіцієнт якості; його значення подаються у спеціальній таблиці. Одиниця еквівалентної дози в СІ − зіверт (позасистемна бер). Міжнародна комісія з радіаційного захисту вважає, що шкідливі ефекти можуть проявитися при дозах, що перевищують 50 бер. Нормами радіаційної безпеки, що прийняті в 1976 році, встановлена гранично допустима доза (ГДД). Вона дорівнює 0,5 бер для населення і 5 бер для персоналу, що працює з радіоактивними джерелами, за рік.

Для рентгенівського випромінювання задані дози вимірюються в рентгенах (Р), а їх потужність у Р/год.

Рентген − це така доза рентгенівського або g-випромінювання, при якій у 1 см³ атмосферного повітря при 0 °С і 760 мм рт. ст. утворюється 2,08×10⁹ пар іонів. На утворення однієї пари іонів у повітрі в середньому витрачається 32,5 еВ. Отже, дозі в 1 рентген відповідає в середньому енергія 8,38×10⁻⁶ Дж на 1 г повітря. Поглинання у тканині дещо більше, так що 1 Р еквівалентний 9,3×10⁻⁶ Дж/г або 10⁻² Гр.

Зменшення дози опромінення може бути досягнуте трьома шляхами: зменшенням часу перебування в зоні дії випромінювання, застосуванням захисних екранів, що послаблюють потік іонізуючого випромінювання, збільшенням відстані від джерела випромінювання.

Допустимий час роботи у годинах за робочий тиждень у місці, де виміряна потужність дози опромінення Р (Р/год), (і не може бути зменшена), може бути обчислена за формулою:

(1)

де 0,1Р − ГДД за тиждень.

Якщо згідно до умов роботи з джерелом випромінювання заданим є час роботи (годив за тиждень), то безпечна відстань R_б від відкритого точкового джерела може бути визначена завдяки виміряній потужності дози Р_r на будь-якій відстані r від препарату за формулою

(2)

де Р_доп = 1,2×10⁻¹ Р/год − допустима потужність дози опромінення (по НРБ-76), Р_r − потужність дози, що виміряна на відстані r від джерела (препарату).

При заданому часі роботи в зоні джерела і заданому положенні працюючого відносно джерела, виконується захист екрануванням. Кращим матеріалом для захисту від g-випромінювань у лабораторних умовах є свинець.

Перетворення поглинутої речовиною енергії до будь-якого вигляду, що зручний для реєстрації, здійснюється в так званих детекторах − обов'язкових елементах приладів, що застосовуються для виявлення іонізуючих випромінювань. До детекторів, що базуються на виявленні ефекту від іонізації в газі, відносяться іонізаційні камери та газорозрядні лічильники.

В іонізаційній камері електрони та додатні іони, що утворені випромінюванням, під дією сил електростатичного поля переміщуються до відповідних електродів, що призводить до появи струму в зовнішньому колі. Сила цього струму може служити мірою іонізаційного ефекту.

У газорозрядному лічильнику, на відміну від іонізаційної камери, використовується ефект газового підсилення за рахунок вторинної іонізації, в результаті якого число електронів та додатних іонів, що досягають відповідних електродів, у багато разів перевищує число іонів, що утворені при первинній іонізації.

За призначенням дозиметричні прилади поділяють на індикатори, рентгенометри, радіометри та дозиметри. В даній роботі використовується рентгенометр ДП-5В. Прилад складається із зонду з гнучким кабелем, вимірювального пульту, телефону та футляру з контрольним джерелом.

Під дією радіоактивного випромінювання на газорозрядний лічильник у його колі з'являються короткочасні імпульси електричного струму, які на навантаженні лічильника створюють короткочасні імпульси напруги. Число цих імпульсів, що виникають за одиницю часу, пропорційне до ступеня забрудненості радіоактивною речовиною досліджуваного предмету або потужності дози гама-випромінювання, що діє на лічильник. Тому вимірювання ступеня забрудненості або потужності дози зводиться до вимірювання середньої частоти надходження імпульсів.

Для вимірювання середньої частоти імпульсів, що виникають, служить реєструюча система, в яку входять нормалізатор, інтегруючий контур і вимірювальний прилад.

Нормалізатор калібрує імпульси напруги, що поступають від лічильника, по амплітуді і тривалості. Завдяки цьому, заряд що йде з виходу нормалізатора на інтегруючий контур від кожного імпульсу, має практично однакову величину. В інтегруючому контурі струм, що зумовлений імпульсами, які надходять, усереднюється і перетворюється в постійний струм, сила якого пропорційна до середньої частоти імпульсів, що поступають на інтегруючий контур за одиницю часу, тобто в кінцевому випадку пропорційна до потужності b- і g-випромінювання або забрудненості досліджуваної поверхні. Цей постійний струм фіксується вимірювальним приладом, шкала якого проградуйована у відповідних одиницях потужності дози.

Інтенсивність випромінювання можна приблизно оцінити і слух за допомогою головних телефонів.