ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

 

1. Цель работы – освоить технологию радиационной оценки окружающей среды и провести измерения её параметров в лаборатории и на прилежащей к МГУДТ территории.

 

2. Общие сведения.

Приведём некоторые общие сведения о радиоактивности, нужные для понимания необходимости знаний радиационной эколгии для каждого человека XXI века.

Радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер, приводящий к изменению их атомного номера или массового числа и сопровождающийся альфа-, бета- и гамма-излучениями.

Хотя радиобиология как наука существует с 20-ых годов ХХ столетия, но в биологическом воздействии ионизирующего (радиоактивного) излучения до сих пор остается много неясного. Особенно это относится к воздействию на человека.

 

«Радиация уменьшает нормальную продолжительность жизни мышей и других животных. Такое явление, вероятно, наблюдается и у человека. Степень сокращения продолжительности жизни у мышей зависит от дозы и становится незаметной при очень малых дозах» (Ш. Ауэрбах. Генетика в атомном веке. – М.: Атомиздат, 1968, стр. 10).

 

«При самых низких дозах облучения рентгеновскими лучами у мышей (и человека) может не быть видимых повреждений. Однако именно эти кажущиеся безвредными дозы ионизирующих излучений заставляют генетика беспокоиться о судьбе человечества в атомный век» (там же, стр. 11).

 

Именно низкие дозы, не дающие видимых последствий, представляют собой скрытую опасность деградации геномов любых живых организмов, в том числе и человека. Причём, чем более высокоорганизован биологический вид, тем хуже он приспособлен к усилению любого ионизирующего излучения. Это значит, что при росте радиационного фона первыми страдают люди и их домашние животные. Эффективный общественный контроль фоновых значений гамма-излучения и загрязнённости наиболее распространёнными радиоизотопами среды нашего обитания, может осуществляться только при условии, что граждане всех стран, обладающих современными ядерными технологиями, имеют индивидуальные средства контроля и умеют ими пользоваться. Тем более, что радиометры не дороже мобильных телефонов, а технология измерения не сложнее правил эксплуатации этих, уже повсеместно распространённых, средств связи.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Под радиационными параметрами в данной работе подразумеваются:

α-излучение –это поток α-частиц, образующийся при распаде неустойчивых ядер атомов. Альфа-частицы представляют собой блоки ядерных частиц, включающие в себя два протона и два нейтрона, аналогичные ядрам гелия. Энергия этих частиц относительно невелика, порядка нескольких МэВ. Вследствие большой массы эти частицы быстро теряют свою энергию, поэтому в воздухе их пробег составляет 8 – 9 см, а в живой ткани всего несколько десятков микрон. Однако, несмотря на небольшую проникающую способность, удельная ионизация очень велика и составляет на воздухе несколько десятков тысяч пар ионов на один см пути. Если источник этого излучения находится вне организма, то из-за незначительной проникающей способности он не представляет большой опасности, но при проникновении внутрь с воздухом или пищей, становится наиболее опасным из всех видов ионизирующего излучения. Примерно в 20 раз более опасным, чем γ-излучение.

β-излучение – это поток электронов, образующейся в ходе ядерного распада при расщеплении нейтронов на протон и электрон. Энергия этих частиц тоже порядка нескольких МэВ, но, обладая значительно меньшей массой, β-частицы имеют большую, чем α-частицы проникающую способность и пробегают в воздухе до 15 м, а в живых тканях до 2,5 см. Ионизирующая способность β-частиц много меньше, чем у α-частиц, и составляет всего несколько десятков пар на 1 см пробега.

Нейтронное излучение – это поток не имеющих электрического заряда нейтральных ядерных частиц, примерно такой же массы, как и положительно заряженные протоны. Нейтроны состоят из протона и электрона (поэтому их суммарный заряд равен нулю) и сами по себе не вызывают ионизации, но преобразуют свою энергию при соударении со встреченными на своём пути ядрами атомов. Результаты этих соударений могут быть различными. При неупругих взаимодействиях возможно возникновение вторичных излучений, которые могут иметь как заряженные частицы, так и волновую составляющую (γ-излучение). При упругих столкновениях возможна ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии.

Рентгеновское излучение –это волновое излучение не ядерного происхождения, возникающее при воздействии β-частиц на атомы окружающего вещества. Энергия фотонов рентгеновского излучения составляет примерно 1 МэВ, обладает большой проникающей и малой ионизирующей способностью, и потому широко применяется в медицине.

γ-излучение –это ядерное волновое излучение такой же электромагнитной природы, как и рентгеновское и потому тоже имеет относительно небольшую ионизирующую способность при весьма значительной проникающей. Энергия фотона γ-излучения может достигать во много раз больших значений, чем фотон рентгеновского диапазона.

Повреждения, вызванные в живом организме радиацией, и изменения в облучаемых материалах, проводимые с целью получения новых свойств, будут тем больше, чем больше энергии излучение передает тканям или материалам. Количество такой переданной облучаемому объекту энергии характеризуют физической величиной, называемой дозой.

Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся ли они вне организма или попали внутрь него с пищей, водой или воздухом.

Поглощенной дозой называется количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма). Но по величине поглощенной дозы еще нельзя предсказать последствия облучения. При одинаковой поглощенной дозе α-излучение гораздо опаснееβ- илиγ-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, ее измеряют в зивертах (Зв).

Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах.

В дозиметрии определено еще и понятие мощность дозы – доза облучения (поглощенная или эквивалентная) за единицу времени. Длительные исследования действия излучений на организм человека позволили установить «безопасное» значение мощности эквивалентной дозы. Международной комиссией оно установлено равным 0,02 Зв в год для профессионалов, работающих с излучениями и проходящих регулярные медицинские обследования, и в четыре раза меньшим 0,005 Зв в год для остального населения. Эти значения безопасны в том смысле, что современная медицина не может обнаружить ни немедленных, ни отдаленных последствий такого облучения.

Активность радионуклида измеряется в беккерелях (Бк, Bq): 1 Бк соответствует 1 распаду в 1 с для любого радионуклида.

Поглощенная дозаравна количеству энергии, поглощенной единицей массы облучаемого тела, и измеряется в грэях (Гр, Gy): 1 Гр = 1 Дж/кг.

Эквивалентная дозаопределяется по поглощенной дозе умножением ее на коэффициент К, зависящий от вида излучения, и измеряется в зивертах (Зв, Zv): 1 Зв = K×1 Гр.

K = 1	Рентгеновское, γ- и β-излучение
K = 3	тепловые нейтроны
K = 7	протоны с энергией 5 МэВ
K = 10	нейтроны с энергией 0,5 МэВ
K = 20	α-частицы

 

Приведем некоторые широко распространенные внесистемные единицы и их связь с единицами СИ:
кюри (Ки, Cu), единица активности изотопа:
1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк;
рад (рад, rad), единица поглощенной дозы излучения:
1 рад = 0,01 Гр;
бэр (бэр, rem), единица эквивалентной дозы:
1 бэр = 0,01 Зв.

 

3. Порядок выполнения работы.

Работа выполняется в два этапа.

Первый этап проводится в лаборатории и включает в себя:

- знакомство с прибором РКСБ – 104;

- освоение технологии измерений и определение в лаборатории радиационных параметров гамма-поля и радиоактивного загрязнения образцов грунта, пищевых продуктов или воды.

Второй этап проводится на территории прилежащей к зданию МГУДТ и имеет целью обследование радиационной обстановки у главного входа и на набережной, где имеются локальные аномалии ионизирующей радиации несколько превышающие фон. Эти аномалии предлагается найти, нанести на схему местности и оценить их экологическую опасность.

 

Этап I. Цель – освоить работу с прибором РКСБ-104, провести с его помощью измерения радиационного фона в лаборатории и проверить на радиоактивную загрязнённость представленные образцы.

 

4. Назначение и технические возможности прибора.

Прибор РКСБ-104 предназначен для индивидуального использования населением для оценки радиационной обстановки на местности, в жилых и рабочих помещениях и контроля радиационной загрязненности поверхности пищевых продуктов и бытовых предметов. Он выполняет функции как радиометра, позволяющего оценить радиационный фон и загрязнённость поверхности окружающих предметов наиболее распространенными радиоизотопами, так и дозиметра, автоматически сигнализируя превышение установленного потребителем уровня ионизирующего γ-излучения.

 

Прибор обеспечивает последовательное измерение:

1) мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения;

2) плотности потока бета-излучения в веществах;

3) удельной активности радионуклида цезия-137 в веществах.

 

Последние два вида измерений обеспечивают контроль наиболее распространённых антропогенных радиоизотопов, загрязняющих биосферу в результате испытаний ядерного оружия, использования «мирного» атома в энергетике и современных технологиях.

Кроме того, в режиме дозиметра, прибор обеспечивает подачу звукового сигнала при превышении порогового значения мощности эквивалентной дозы гамма-излучения, установленного потребителем.

 

Рабочие условия эксплуатации прибора:

Температура окружающего воздуха – от (-10) до 35 ºС.

Относительная влажность воздуха, при температуре 30 ºС – до 75%.

Атмосферное давление – 86 – 107 кПа.

 

При соблюдении рабочих условий и правил эксплуатации средняя наработка прибора на отказ – не менее 4000 часов.

 

 

4.1. Каткое описание прибора

 

 

Рис. 1. Прибор РКСБ-104

1. Корпус; 2. Крышка; 3. Отсек питания; 4. Крышка-фильтр;

5. Запирающая клавиша; 6. Жидкокристаллический экран; 7. Разъем для подключения внешнего детектора; 8. Газоразрядный счетчик

 

На лицевой стороне прибора имеются: жидкокристаллический экран (6); два переключателя режимов работы S2 и S3; переключатель включено-выключено – S1. На нижней стороне прибора имеются две крышки. Большая верхняя крышка-фильтр (4) открывает доступ к движкам-переключателям (S4) процессора и одновременно служит фильтром, экранирующим встроенное устройство детектирования излучений, состоящее из двух параллельно включённых газоразрядных счётчиков (8) типа СБМ20 – две желтые трубочки в прозрачных плёночных фильтрах-изоляторах.

 

Внимание! При работе со снятой крышкой следует соблюдать особую осторожность, чтобы случайно не повредить плёночные фильтры-изоляторы трубчатых счётчиков, т. к. во включённом состоянии эти счётчики находятся под напряжением 400 В!

 

Для того чтобы снять крышку-фильтр (4), надо последовательно сдвинуть вниз и слегка потянуть на себя запирающую клавишу (5), расположенную посередине верхнего края крышки.

Осторожно, при чрезмерном усилии клавиша легко отламывается!

Для того чтобы установить крышку-фильтр обратно, надо вставить под небольшим наклоном на место её нижний край и, сдвинув вниз запирающую клавишу, закрыть крышку и отпустить запирающую клавишу.

Маленькая нижняя крышка (3) открывает доступ в нишу для батареи питания типа «Корунд» и студентам самостоятельно её открывать не следует. В случае неполадок с питанием, о чём извещает символ «V» в правом нижнем углу экрана, следует обратиться к преподавателю.

Прибор хранится в пластмассовой коробке, состоящей из двух одинаковых половинок. Каждая из них может служить дополнительным фильтром при измерении 5.2 и кюветой для веществ, при измерениях 5.2 и 5.3.

 

 

5. Порядок выполнения работы в режиме радиометра.

Подготовьте следующую таблицу для записи результатов измерений.

Таблица 1 (на отдельной странице)

Результаты измерений

№ измерения	γ фоновое	γ`	γ + β	γ``	α+β+γ
Среднее значение

 

γ фоновое – мощность полевой эквивалентной дозы фонового γ-излучения;

γ` – поправка величины плотности потока β-излучения с поверхности, увеличивающаяся за счёт фонового γ-излучения;

γ + β – измеренная суммарная величина плотности потока β-излучения и фонового γ-излучения;

γ`` – поправка удельной активности, увеличивающаяся за счёт фонового γ-излучения;

α+β+γ – суммарная величина излучения от альфа, бета и гамма распада.

 

5.1. Измерение мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения в помещении лаборатории (графа 2 таблицы № 1, положение переключателей – рис. 2).

5.1.1. Перед включением прибора снять заднюю крышку-фильтр. Для этого необходимо сдвинуть вниз и слегка потянуть на себя запирающую клавишу.

5.1.2. Установить движки кодового переключателя S4 как указано на рис. 2.

 

	Am	>
		>	Ф
	H	<
		<	БД
		<
		<
		<
		<
	+
	-

 

Рис. 2. Положение переключателей на задней панели прибора при измерении мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения в помещении лаборатории

 

5.1.3. Установить на место крышку-фильтр.

5.1.4. Для начала измерения гамма-излучения достаточно положить прибор на парту и передвинуть тумблеры S2 и S3 вверх, затем включить прибор тумблером S1. При этом на табло начнут появляться последовательно возрастающие цифры. Примерно через полминуты цифры на табло перестают меняться, звучит прерывистый сигнал и в правом нижнем углу табло появляется символ F. Пока звучит сигнал, необходимо переписать значащие цифры табло в верхнюю строку второй графы таблицы № 1.

Через 14 секунд звуковой сигнал умолкает, и прибор сам начинает новое измерение (выключать прибор тумблером S1 до окончания серии измерений не следует). Измерительные циклы повторяются 12 раз с записью результатов измерения во вторую графу таблицы № 1. В таблицу записываются только значащие цифры (без нулей впереди). По окончании серии измерений прибор выключить тумблером S1.

5.2. Измерение загрязнённости поверхностей бета-излучающими радионуклидами (для граф 3 и 4 таблицы № 1 одинаковое положение переключателей – рис. 3).

5.2.1. Снимите крышку-фильтр и переведите движки кодового переключателя S4 в положение указанное на рис. 3.

 

	Am	>
		<	Ф
	H	>
		<	БД
		>
		<
		<
		>
	+
	-

 

Рис. 3. Положение переключателей на задней панели прибора при измерении загрязнённости поверхностей бета-излучающими радионуклидами и гамма поправки к её расчётам

 

5.2.2. Установите крышку-фильтр на прежнее место.

5.2.3. Тумблеры S2 и S3 должны оставаться в верхнем положении.

5.2.4. Положите прибор в одну из половинок пластмассовой упако-вочной коробки и поместите поперёк кюветы с исследуемым веществом.

5.2.5. Включите прибор тумблером S1, при этом на табло будут появляться сменяющие друг друга цифры. Когда примерно через 18 с они остановятся, зазвучит прерывистый сигнал, и в правом нижнем углу появится символ F, следует записать результат измерения в третью графу таблицы № 1 и ждать окончания следующего цикла. И так 12 раз, не выключая прибора. В таблицу записываются только значащие цифры (без нулей впереди).

5.2.6. Выключите прибор.

5.2.7. Снимите заднюю крышку-фильтр, поместите прибор на прежнее место (в одну из половинок пластмассовой упаковочной коробки), включите его тумблером S1 и проведите повторную серию измерений, записывая результаты в четвертую графу таблицы № 1.

5.2.8. Выключите прибор.

5.3. Измерение загрязненности поверхностей альфа-излучающими радионуклидами (для граф 5 и 6 таблицы № 1 одинаковое положение переключателей – рис. 4).

5.3.1. Снимите заднюю крышку-фильтр.

5.3.2. Переведите движки кодового переключателя S4 в положения, показанные на рис. 4.

 

 

	Am	<
		>	Ф
	H	>
		<	БД
		<
		>
		<
		>
	+
	-

 

 

Рис. 4. Положение переключателей на задней панели прибора при измерении активности радионуклида цезия-137

 

5.3.3. Установите крышку-фильтр на прежнее место.

5.3.4. Установите прибор на кювету, как показано на рис. 5. (без половинки пластмассовой упаковочной коробки).

5.3.5. Включите прибор тумблером S1 и проведите 12 измерений, записывая результаты в графу 5 таблицы № 1.

5.3.6. После снятия всех отсчётов выключите прибор.

5.3.7. Снимите с прибора крышку-фильтр и установите его на прежнее место поперёк кюветы с контролируемым веществом.

5.3.8. Включите прибор и повторите серию из 12 измерений, записывая результаты в шестую графу таблицы № 1.

5.3.9. Выключите прибор и установите на место крышку-фильтр.

 

 

Рис. 5. Положение прибора над образцом при измерении активности радионуклида цезия-137

 

 

6. Расчёты.

6.1. Расчёт мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения.

Во второй графе таблицы № 1 отбросить одно минимальное и одно максимальное значение.

Суммировать оставшиеся 10 значений и рассчитать среднее, поделив сумму на 10.

Полученный результат будет представлять собой мощность полевой эквивалентной дозы гамма-излучения в мкР/ч. Для пересчёта в мкЗв/ч необходимо полученный результат умножить на коэффициент 0,01.

6.2. Расчёт φ – загрязнённости поверхности бета-излучающими радионуклидами.

В третьей (γ ) и четвёртой (γ + β) графах таблицы № 1 отбросить по одному максимальному и одному минимальному значению и рассчитать средние значения, поделив каждую сумму на 10.

Рассчитать φ – плотность потока бета-излучения с поверхности, загрязнённой бета-излучающими радионуклидами, подставив полученные средние значения в формулу (1).

 

φ = 0,01[(γ + β) - γ`)] мкЗв/ч (1)

 

6.3. Расчёт удельной активности α-распада (радионуклида).

В пятой (γ``) и шестой (α+β+γ) графах таблицы № 1 отбросить по одному максимальному и одному минимальному значению.

Суммировать оставшиеся 10 значений и рассчитать средние значения, поделив каждую сумму на 10.

Рассчитать удельную активность α-распада, подставив полученные средние значения в формулу (2).

 

Аm = 20 [(α+β+γ) – (γ''+ φ)] Бк/кг (2)

 

Справочная информация:

В среднем по Москве естественный радиационный гамма-фон составляет 15 мкР/ч, колеблясь в пределах от 5 мкР/ч до 25 мкР/ч.

В других регионах этот показатель может очень сильно изменяться, от 5 мкР/ч на поверхности морей и океанов до 100 мкР/ч и более в горах.

Значение допустимых уровней содержания радионуклидов Cs-137 в продуктах питания и питьевой воде (Бк/кг, Бк/л):

Хлеб, хлебопродукты
Картофель
Овощи (лиственные, корнеплоды)
Фрукты
Мясо и мясные продукты
Рыба и рыбные продукты
Молоко и молочные продукты
Яйца (шт.)
Вода
Свежие дикие ягоды и грибы
Сушеные дикие ягоды и грибы
Другие продукты

7. Выводы

По полученным результатам сделайте выводы о радиационной обстановке в лаборатории и загрязнённости радионуклидами проверенных образцов.

Этап II. Проведение оценки радиационного фона и загрязнения на прилежащей к университету территории.

1. Цель работы на этом этапе – закрепление на практике полученных в лаборатории навыков и обучение работе с прибором на местности при измерении радиационных параметров на прилежащей к МГУДТ территории.

2. На заранее подготовленном плане местности намечаются точки измерения.

3. На каждой выбранной точке проводится полный комплекс отработанных в лаборатории измерений с аналогичной записью результатов в таблицу, тоже заранее подготовленную для каждой точки.

4. Для ускорения измерений на каждой точке следует работать по трое. При этом каждый студент обеспечивается персональным прибором и проводит самостоятельно порученный преподавателем вид измерений.

5. Полученные в таблицах цифры подвергаются такой же, как в лаборатории обработке. Результаты наносятся на план местности и делаются соответствующие выводы, исходя из нижеследующего.