Практическая работа №4 Методы обнаружения и измерения радиоактивных излучений
Цель работы: Изучить характеристики методов обнаружения и измерения радиоактивных излучений, блок- схему, устройство и принцип работы дозиметрических приборов
Исследования радиоактивного излучения различных радиоактивных веществ показали, что в его состав входят три вида различных по своей природе излучения, которые были названы: альфа (a), бета (b) и гамма (g) лучами.
Проникающая способность их: альфа задерживается 1-м листом бумаги, бэта-100 листами бумаги и гамма - толстым слоем металла.
Под воздействием лучей, излучаемых радиоактивными веществами, обычный воздух ионизируется (выбиваются электроны из внешней оболочки атомов), становится проводником электрического тока; происходит почернение (засвечивание) фотоэмульсии на фотобумаге или на пленке, а также происходит свечение некоторых веществ.
Энергию любого вида излучения, поглощенную в одном грамме вещества называют поглощенной дозой. Единицей измерения поглощенной дозы является – Рад.
Однако, Рад не учитывает те биологические эффекты, которые производит проникающая радиация при взаимодействии с веществами.
Поэтому возникла необходимость вести такую измеряемую величину, которая бы учитывала не только выделение энергии, но и биологические последствия облучения. Эту единицу называют - Бэр
1 рад =1 Бэру
Для того, чтобы увязать поглощенную дозу излучения с биологическим эффектом, введена единица измерения радиации - рентген (Р).
1 рентген=1рад=1бэр
1 милирентген=1.10-3Р
1 микрорентген=1.10-6Р
Рентген – это такая доза излучения, при которой в 1см3 воздуха (при нормальных условиях) образуется 2 млрд. пар ионов, каждый из которых имеет заряд, равный заряду электрона.
Доза излучения (поглощенная доза) – энергия радиоактивного излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества или человеком. С увеличением времени облучения доза всегда растет. При одинаковых условиях облучения она зависит от состава вещества. Поглощенная доза нарушает физиологические процессы в организме и приводит в ряде случаев к лучевой болезни различной степени тяжести. В качестве единицы поглощенной дозы излучения в системе СИ предусмотрена специальная единица – грей (Гр).
1 грей – это такая единица поглощенной дозы, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 джоуль (Дж). Следовательно 1 Гр = 1 Дж/кг.
Поглощенная доза излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия.
Мощность дозы (мощность поглощенной дозы) – приращение дозы в единицу времени. Она характеризуется скоростью накопления дозы и может увеличиваться или уменьшаться во времени. Ее единица в системе СИ – грей в секунду. Это такая мощность поглощенной дозы излучения, при которой за 1 с в веществе создается доза излучения в 1 Гр.
На практике для оценки поглощенной дозы излучения до сих пор широко используют внесистемную единицу мощности поглощенной дозы – рад в час (рад/ч) или рад в секунду (рад/с).
Эквивалентная доза. Это понятие введено для количественного учета неблагоприятного биологического воздействия различных видов излучений. Определяется она по формуле Дэкв=Q·Д. Где Д – поглощенная доза данного вида излучения, Q – коэффициент качества излучения, который для различных видов ионизирующих излучений с неизвестным спектральным составом принят для рентгеновского и гамма-излучения-1, для бета- излучения-1, для нейтронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ-10, для альфа- излучения с энергией менее 10 МэВ-20. Из приведенных цифр видно, что при одной и той же поглощенной дозе нейтронное и альфа-излучение вызывают, соответственно, в 10 и 20 раз больший поражающий эффект.
В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв).
Зиверт равен одному грею, деленному на коэффициент качества. При Q=1 получаем
Мощность эквивалентной дозы – отношение приращения эквивалентной дозы за какой-то интервал времени. Выражается в зивертах в секунду. Поскольку время пребывания человека в поле излучения при допустимых уровнях измеряется, как правило, часами, предпочтительно выражать мощность эквивалентной дозы в микрозивертах в час.
Радиоактивное излучение не имеет ни запаха, ни цвета. Поэтому его можно обнаружить только с помощью специальных приборов.
В основе методов обнаружения и измерения радиоактивных излучений лежат изменения физико-химических свойств облучаемой среды.
В настоящее время известно 5 методов:
1. Сцинтилляционный
2. Фотографический
3. Химический
4. Люминесцентный
5. Ионизационный
Сцинтилляционный метод основан на том, что некоторые вещества, например: сернистый цинк, йодистый натрий, под воздействием радиоактивных излучений испускают фотоны видимого света, при этом возникают вспышки света, то есть сцинтилляции, которые могут быть зарегистрированы приборами.
Фотографический метод основан на использовании воздействия радиоактивных излучений на фотоэмульсию. Р. И. воздействует на молекулы бромистого серебра и выбивает из них электроны связи, в результате пленка при последующем проявлении темнеет. Степень потемнения пленки (фотобумаги) пропорциональна дозе радиоактивных излучений. Сравнивая потемневшую пленку с эталоном, определяют полученную пленкой дозу облучения.
Химический метод основан на изменениях химического состава облучаемой среды, в результате ионизации молекул среды. Например, хлороформ распадается с образованием соляной кислоты. Кол-во образовавшейся кислоты пропорционально дозе излучения Р. В. и может быть определено по изменению цвета лакмусовой бумаги (индикатора).
Ионизационный метод заключается в том, что радиоактивное излучение ионизирует газ (воздух), превращая их из диэлектриков в проводников электрического тока. Так, если два электрода, разделенные прослойкой воздуха или газа, включить в электрическую цепь постоянного тока, то включенный в эту цепь гальванометр не обнаружит прохождения тока по линии, т. к нейтральные атомы (молекулы) газа разрывают цепь; (при этом воздух(газ) является диэлектрическим материалом).
Если на газ (воздух) между электродами будут воздействовать радиоактивные излучения, то электрически нейтральные атомы (молекулы) разделяются на пары: - положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны, которые пойдут к соответствующим электродам и приобретут направленное движение. При этом через объем газа (воздуха) будет проходить так называемый ионизационный ток Прохождение тока по замкнутой цепи будет обнаружено гальванометром.
Люминесцентный метод основан на способности некоторых веществ накапливать энергию от ядерных излучений, а затем при нагревании или освещении ультрафиолетовыми лучами, они отдают накопленную ранее энергию, которую можно измерить в лабораторных условиях. К таким веществам относятся фтористый кальций, активизированное серебро, метафосфорное стекло и др.
Блок-схема устройства дозиметрических приборов и принцип работы.
Почти все современные дозиметрические приборы работают на основе ионизационного метода.
Сущность его заключается в том, что под воздействием ядерных излучений в изолированном объеме, происходит ионизация газа: - электрически нейтральные атомы (молекулы) газа распределяются на положительные и отрицательные ионы.
Если в этот объем поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами создается электрическое поле. В результате в ионизированном газе возникает направленное движение зараженных частиц, т. е. через газ проходит электрический ток, называемый ионизационным током.
Измеряя его величину можно судить об интенсивности радиоактивных излучений.
Практически, этот метод воплощен в виде специальных устройств ионизационной камеры и газоразрядного счетчика.
Приборы, работающие на основе ионизационного метода, устроены в принципе одинаково и включают: воспринимающее 1, усилительное 2, измерительное 3 устройства, блок питания 4, и источника питания 5 (Рис 3.)
3
Рис. 3. Блок-схема устройства дозиметрических приборов.
Воспринимающее устройство 1-детектор излучений (датчик)- предназначено для преобразования воздействующей на него энергии радиоактивных излучений в электрическую. В качестве воспринимающего устройства в полевых приборах применяют ионизационные камеры или газоразрядные счетчики.
Усилительное устройство 2 предназначено для усиления слабых сигналов, вырабатываемых воспринимающим устройством до уровня, достаточного для работы измерительного устройства.
В качестве усилительного устройства применяют электрометрические лампы.
Измерительное устройство 3 служит для измерения сигналов, вырабатываемых воспринимающим устройством. (Шкалы приборов градуированы непосредственно в единицах тех величин, для измерения которых предназначен прибор).
В блоке питания 4 напряжение источников питания преобразуется в постоянное высокое напряжение, необходимое для работы газоразрядных счетчиков.
В качестве источников питания 5, обеспечивающих работу прибора, используют сухие элементы или аккумуляторы.