Дозиметрия ионизирующих излучений

Радиационная защита и безопасность включают в себя систему критериев, методов и средств, направленных на обеспечение безопасности человека при использовании источников ионизирующего излучения. Важной задачей радиационной защиты является оценивание последствий облучения человека как возможности возникновения и развития тяжелых радиогенных заболеваний – эффектов излучения. В решении этой задачи существенную роль играет дозиметрия ионизирующих излучений, предназначенная для того, чтобы характеризовать условия облучения с использованием физических величин, необходимых для оценки радиогенного риска. Для достижения своих целей радиационная защита и безопасность опираются на систему величин, которые условно можно разделить на две части:

- радиометрические величины, служащие для характеристики источников и полей ионизирующего излучения;

- дозиметрические величины, используемые для целей радиационной защиты и безопасности и служащие для характеристики воздействия излучения на человека.

Физические процессы, лежащие в основе явления радиоактивности и взаимодействия излучения с веществом, имеют вероятностную природу. Их характеристиками являются дискретные значения случайных величин – число ядерных превращений в единицу времени, число взаимодействий частиц в среде и т.д. При математическом описании этих явлений используют непрерывные функции, характеризующие зависимости, связывающие математические ожидания (ожидаемые значения) соответствующих случайных величин. Этот подход позволяет использовать операторы дифференцирования и интегрирования при определении радиометрических и дозиметрических величин.

1. Радиометрические величины

1.1. Характеристики источников ионизирующего излучения

1. Радиоактивность – способность нестабильных атомных ядер спонтанно (самопроизвольно) превращаться в другие ядра с испусканием излучения (корпускулярных частиц или фотонов).

Радиоактивный распад – ядерное превращение с изменением состава ядра (-распад, -распад, спонтанное деление и др.).

Электромагнитный переход – ядерное превращение с изменением только энергетического состояния ядра.

2. Возможные превращения ядра представляют в виде схемы переходов, которую именуют (исторически) схемой распада. Для примера на рис. 1.1 представлена схема -распада. Бета-распад может осуществляться тремя способами: ^-распад изображен стрелками направо, е-захват – стрелкой налево, ⁺-распад – вертикальной стрелкой посередине и дальше стрелками налево. Процессы -распада можно наглядно объяснить, если предположить (условно), что в ядре нейтрон превращается в протон или наоборот. Если нейтрон «превратится» в протон (по схеме n  p + e^ + , где – антинейтрино), то возникший электрон не может оставаться в ядре и вылетает из него. Таким образом, заряд ядра увеличивается на единицу и элемент превращается в элемент – это и есть процесс ^-распада. Одновременно с электроном из ядра вылетает антинейтрино. Если в ядре протон «превращается» в нейтрон (p n + e⁺ + ), то заряд ядра уменьшается на единицу, т.е. элемент превращается в элемент – это ⁺- распад, который сопровождается вылетом из ядра позитрона и нейтрино. Поскольку масса протона меньше массы нейтрона, для осуществления ⁺- распада протон заимствует из энергии связи других нуклонов ядра энергию 2m_ec² – это энергетическое условие ⁺- распада.

Рис. 1.1. Принятые обозначения для схемы -распада

3. Число q испускаемых при ядерных превращениях в единицу времени корпускулярных частиц (-, ⁺-, ^-частиц) или -квантов можно определить из схемы распада нуклида, используя понятие выхода частиц. Выход частиц  – вероятность испускания частиц на одно ядерное превращение (для -квантов данного перехода между уровнями энергии  называется квантовым выходом перехода, а если при переходе происходит конверсия на атомной оболочке, то выходом конверсионного электрона), тогда

q = A, (1.1)

где A – активность радионуклида, Бк.

4. Активность радионуклида в источнике А – отношение числа спонтанных ядерных переходов dN из определенного энергетического состояния ядра радионуклида в источнике за интервал времени dt к этому интервалу:

А = . (1.2)

Единица активности радионуклида – беккерель (Бк), физическая размерность [1/с].

Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемная единица активности – кюри (Ки), 1 Ки = 3,710¹⁰ Бк.

Соотношение между активностью А и числом радиоактивных атомов N(t), имеющихся в источнике в данный момент времени t,

А(t) = N(t), (1.3)

где  – постоянная распада, характеризующая вероятность ядерного превращения одного атома в единицу времени, с^-1.

Период полураспада Т_1/2 – время, в течение которого распадается (испытывает ядерные превращения) половина атомов радионуклида, с. Период полураспада Т_1/2 связан с постоянной распада  соотношением

. (1.4)

5. Закон радиоактивного распада радионуклида в источнике (уменьшение активности со временем)

, (1.5)

где A₀ – активность радионуклида в источнике в начальный момент времени t = 0.

6. Закон накопления числа радиоактивных ядер N(t) при постоянной скорости их образования ₀ и начальном значении N(0) = 0

N(t) . (1.6)

7. При распаде ядра может образоваться ядро нового нуклида в нестабильном состоянии, при распаде нового нуклида также может образоваться нестабильное ядро и т.д., пока цепочка распадов не закончится устойчивым (стабильным) нуклидом. Принято называть первичное ядро материнским, вторичные – дочерними.

Если в начальный момент времени t = 0 в источнике имелись атомы только материнского радионуклида и его активность составляла А₁(0), то для неветвящейся (простой) цепочки распада из n последовательно распадающихся радионуклидов с постоянными распада ₁, . . . , _n изменение активности может быть рассчитано по формуле

A_j(t) = A₁(t)_j, j = 2,..,n, (1.7)

где

A₁(t) = A₁(0) , (1.8)

j =

. (1.9)

В частности, для двух радионуклидов, материнского А₁ и дочернего А₂, формула (1.7) выражается следующим образом:

А₂(t) = . (1.10)

Используя значения , можно рассчитать суммарную активность всех n радионуклидов, находящихся в источнике:

, (1.11)

где A₁(t) – активность материнского радионуклида (формула (1.8)); определяется по формуле (1.9).

8. Соотношение между массой m радионуклида в граммах и его активностью А в беккерелях¹

m = 2,410^-24 М А , (1.12)

где М – атомная масса радионуклида,  период полураспада в секундах.

9 . Активность А [Бк] радионуклида, имеющего массу m [г], период полураспада [с] и атомную массу М²,

А = . (1.13)