Измерения ионизирующих излучений.

Тема 10. Средства радиационной разведки и дозиметрического контроля.

Учебные вопросы:

1. Понятие о дозиметрии.

2. Измерения ионизирующих излучений.

3. Приборы для измерения ионизирующих излучений.

4. Приборы для измерения полученных доз облучения.

5. Радиационная разведка. Организация, задачи, методика ведения.

6. Организация радиационной разведки на этапах медицинской эвакуации в ЧС.

7. Проведение контроля загрязнения объектов продуктами ядерного взрыва.

8.Организация и проведение дозиметрического контроля облучения личного состава на этапах медицинской эвакуации.

1. Понятие о дозиметрии.

Степень, величина и форма лучевых поражений, развивающихся у биологических объектов при воздействии на них ионизиру­ющих излучений, в первую очередь зависят от величины поглощен­ной энергии излучения.

Для характеристики этого показателя используется понятие поглощенной дозы, т.е. энергии, поглощенной массой облучаемо­го вещества. За единицу поглощенной дозы облучения принимается Джоуль на килограмм (Дж/кг) – Грей (Гр., Гй.).

Грей - это поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж любого вида ионизирующего излучения.

В радиобиологии и радиационной гигиене широкое примене­ние получила внесистемная единица измерения поглощенной дозы - рад (ра­диационная адсорбированная доза).

Рад - это такая поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 грамме любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энер­гии излучения.

1 Дж/кг = I Гр = 100 рад.

Для характеристики дозы по эффекту ионизации, возникающему в воздухе, используется т.н. экспозиционная доза рентгенов­ского и гамма-излучений - количественная характеристика рент­геновского и гамма-излучении, основанная на их ионизирующем действии и выраженная суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице объема в условиях элект­ронного равновесия.

За единицу экспозиционной дозы рентгеновс­кого и гамма-излучений принимается Кулон на килограмм (Кл/кг).

Кл/кг - экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излу­чении, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на килограмм сухого атмосферного воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в 1 Кулон электричества каждого знака.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений является Рентген (Р).

Рентген - это единица экспозиционной дозы гамма- фотонного излучения, при прохождении которого через 1 см³ сухого атмосферного возду­ха в результате завершения всех ионизационных процессов в воз­духе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака (или образуется 2,08*10⁹ пар ионов).

При этом существует следующая взаимосвязь доз экспозици­онной и поглощенной:

Д _экс.= 0,877 Д _погл.

Поглощенная и экспозиционная дозы излучений, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспози­ционной доз.

Мощность экспозиционной дозы гаммы-излучения можно опре­делить как количество гамма-квантов, (в рентгенах), испущенных объектом за единицу времени (Р/ч, мР/ч, мкР/ч).

Мощность поглощенной дозы - это количество энергии, пог­лощенной единицей биологической ткани за единицу времени (Рад/с, Гр/с).

Измерения ионизирующих излучений.

Методы регистрации ионизирующих излучений (ИИ).

Ионизи­рующие излучения в объектах вызывают эффекты первичные или вто­ричные.

Обнаружение ИИ происходит по следующим процессам:

- ионизация;

- возбуждение атомов;

- образований вторичных излучений.

Все методы регистрации ионизирующих излучений можно раз­делить на следующие группы:

1. Ионизационный - при этом регистрируются эффекты ионизации.

2. Методы, основанные на регистрации вторичных эффектов:

- фотографический;

- химический;

- экзоэмиссионный;

- биологический.

При этом под биологическим методом понимают определение реакции живого организма на действие ионизирующих излучении - выживаемость, морфологические и функциональные изменения, вре­мя их развития, интенсивность выраженности первичной реакции на облучение.

Рассмотрим некоторые методы регистрации ионизирующих излучении более подробно.

Ионизационный метод.

На основе этого метода выполнено подавляющее большинство войсковых дозиметрических приборов:

- для ведения радиационной разведки - ДП-64, ДП-5 в модификаци­ях А, Б, В;

- индивидуальные дозиметры ДКП-50А, ИД-1,

- радиометрическая лаборатория ДП-100 АДМ.

Воспринимающая часть устройства представляет собой разно­видность газового конденсатора и состоит из двух изолированных пластин, на которые подается напряжение от батареи. При отсутст­вии источника излучения воздух между пластинами конденсатора яв­ляется изолятором, так как через конденсатор ток не проходит. Если на воздух подействует ионизирующее излучение, то происходит образование ионов, которые под влиянием электрического поля перемещаются к обкладкам конденсатора и в цепи возникает ионизационный ток. Сила тока, обусловленная иониза­цией, зависит от напряжения на обкладках конденсатора. Эта зави­симость достаточно сложна и может быть отражена в виде вольтамперной характеристики газового конденсатора.

Если на обкладки конденсатора подано небольшое напряже­ние, то за время перемещения ионов к пластинам часть ионов ус­певает рекомбинировать. С увеличением напряжения вероятность рекомбинации уменьшается, следовательно, возрастает сила иони­зационного тока.

Существуют следующие разновидности газового конденсатора:

- ионизационные камеры (ДКП-50А),

- газоразрядные счетчики (ДП-б4).

Ионизационные камеры войсковых дозиметров имеют напряже­ние около 200 В, а газовой средой является воздух при нормаль­ном давлении. Это достаточно грубый прибор, и он не позволяет регистрировать ионизирующие излучения небольшой интенсивности за счет низкого напряжения на обкладках конденсатора.

При увеличении напряжения на обкладках конденсатора воз­никающие в результате действия ионизирующего излучения ионы под действием электрического поля разгоняются до такой скорос­ти, что могут вызвать вторичную ионизацию. В этом случае все образующиеся ионы не успевают рекомбинировать и достигают обкладок конденсатора. Возникший ионизационный ток может быть зарегистрирован.

При возникновении напряжения насыщения прекращается ре­комбинация ионов. В режиме насыщения ионизационный ток пропор­ционален мощности дозы излучения, поэтому с помощью ионизаци­онной камеры с постоянным объемом по измеренному току можно определить мощность дозы излучения.

При очень больших напряжениях на обкладках газового кон­денсатора достаточно образования нескольких ионов под действи­ем ионизирующего излучения для того, чтобы в объеме камеры возникло нарастание вторичных ионов и произошел газовый разряд. В этом случае сила тока не зависит от первоначальной ионизации. По такому принципу работают счетчики Гейгера. Для регистрации ионизирующих излучении небольшой интенсивности используют газоразрядные счетчики - разновидность газового конденсатора.

Газоразрядные счетчики.

Газоразрядные счетчики могут быть выполнены из стекла или металла и имеют напряжение подачи около 400 В. Объем газо­разрядного счетчика может быть заполнен инертным газом - арго­ном, гелием, неоном или их смесью.

Давление внутри счетчика меньше атмосферного. В объеме газоразрядного счетчика возможно возникновение вторичных ионов и, следовательно, мощности регистрируемых излучений могут быть малы.

В связи с высоким напряжением на обкладках каждый акт ионизации вызывает импульс тока, который может быть зарегистри­рован. Для того чтобы возникающий лавинообразный разряд не но­сил непрерывный характер, в состав газовой смеси вводят высоко­молекулярные соединения, прекращающие газовый разряд после каж­дого акта ионизации.

Для измерения альфа- и бета-излучений используются тор­цевые счетчики, имеющие на торце прибора входное отверстие, за­крытое тонкой слюдяной пленкой, не являющейся препятствием для альфа- и бета-частиц.

Методы, основанные на регистрации вторичных эффектов.

Фотографический метод.

Для измерения ионизирующих излучений с помощью этого ме­тода используют различные фотоматериалы с фоточувствительными слоями. Под воздействием ионизирующих излучений в фотоэмульсионном слое, содержащем галогениды серебра, образуются центры скры­того почернения. При их обработке проявителями происходит вос­становление металлического серебра, воспринимающегося как черные точки. Не подвергшиеся воздействию ионизирующих излучений молекулы галогенул серебра растворяются в фиксаже и имеющиеся почернения фотоэмульсионного слоя могут быть измерены с помощью приборов.

Плотность почернения пропорциональна действовавшим на фо­томатериалы дозам облучения.

Недостаток метода:

- сложность создания строго определенных фотоматериалов и реак­тивов.

Преимущества метода:

1. Метод позволяет определить дозы гамма-излучения в различных диапазонах - от 0 до 200 рад.

2. Метод позволяет определить энергию излучения.

3. Метод документален.

Нa основе этого метода работает прибор ИФКУ-1 (индивиду­альный фотометрический контроль), который регистрирует поглощен­ные дозы в диапазоне от 0,05 до 2 рад и используется на практике в рентгеновских кабинетах для контроля набранных персоналом доз рентгеновского излучения.

Химический метод.

Метод основан на том явлении, что возникающие под воздей­ствием ионизирующих излучении ионы, атомы и молекулы могут обра­зовывать свободные радикалы, которые вступают в химические ре­акции между собой и другими атомами и молекулами, образуя новые вещества, появление и количество которых позволяет судить о ка­чественной и количественной характеристике ионизирующих излучений.

Данный метод имеет две разновидности:

1. Собственно химический метод.

2.Фотографический метод.

Собственно химический метод. Химический гамма-нейтронный дозиметр типа ДП-70М - типичный представитель приборов, работа­ющих на основе этого метода.

В ДП – 70М для регистрации гамма-нейтронного излучения исполь­зуется раствор азотнокислого серебра с добавкой солей борной кис­лоты. Под воздействием ионизирующих излучений ион NO₃ переходит в ион NO₂, который вступает во взаимодействие с реактивом Грисcа, входящим в состав жидкости, и придает раствору характерную малиновую окраску. Степень окраски зависит от количества образо­вавшихся ионов NO₂ и, следовательно, от дозы излучения. Сте­пень изменения окраски может быть определена колориметрическим методом.

Однако данный метод измерения ионизирующих излучений, осо­бенно, если он используется в полевых условиях, достаточно груб, что и является его недостатком.

Экзоэмиссионный (сцинтилляционный) метод.

Метод используется в работе приборов ДРГ-01, 02, 03, 04 (цифра обозначает диапазонную разницу измерений) - детектор радиацион­ный гамма-излучении, предназначенный для контроля условии труда при работе с ионизирующими излучениями,

В основе метода лежит явление люминесценции - свечение вещества, вызванное возбуждением атомов и молекул под воздействием ионизирующих излучений, проявляющееся кратковременными вспыш­ками на каждое воздействие ионизирующего излучения.

В приборе используют вещества, называемые люминофорами. Люминофоры делятся на две группы:

1. Неорганические вещества;

- йодистый цезий,

- йодистый литий,

- йодистый натрий,

- сернистый цинк и другие вещества.

2. Органические вещества:

- нафталин,

- антроцен,

- дифенил.

Применяемые вещества должны обладать определенными свойст­вами:

1. Вспышки должны быть достаточно интенсивными.

2. Коэффициент поглощения ионизирующего излучения должен быть достаточно велик.

3. Время высвечивания должно быть малым.

Приемной частью устройства является кристалл-люминофор. Энергия ионизирующего излучения преобразуется в энергию сцинтил­ляции.

К сцинтиллятору подключен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В ФЭУ при попадании на катод фотонов света, возникающего в люми­нофоре, выбиваются первичные электроны, которые разгоняются и выбивают вторичные электроны. Их увеличение происходит от каска­да к каскаду. Затем электроны попадают на измерительный блок прибора. Таким образом, использование сцинтиллятора совместно с ФЭУ позволяет регистрировать низкие интенсивности ионизирующих излучении и, кроме того, частицы, следующие друг за другом через ничтожно малые интервалы времени.

Разновидностями сцинтилляционного метода являются термо- и фотолюминесцентный.

Реализация фотолюминесцентного метода регистрации ионизи­рующих излучений получила применение в измерителе дозы ИД-11. Суть его работы состоит в том, что некоторые сорта стекол с раз­личными добавками меняют свои свойства под воздействием ионизи­рующих излучений.

Эффект термолюминесценции заключается в том, что в некоторых солях, в том числа солях лития, под воздействием ионизирующих излу­чений возникают центры возбуждения, которые в дальнейшем при нагревании начинают испускать видимый свет. Интенсивность све­чения пропорциональна накопленной дозе. В дальнейшем интенсив­ность свечения может быть измерена с помощью измерительного устройства.

Для измерения ионизирующих излучений созданы приборы, называемые дозиметрическими.