Ослабление параллельного пучка гамма-излучения происходит по экспоненциальному закону, графически изображенному на рис. 8, и может быть выражено следующими формулами:

где I0 — интенсивность гамма-излучения при входе в поглощающую среду;

I — интенсивность гамма-излучения после прохождения слоя толщиной d см;

d — слой половинного ослабления, т. е. толщина слоя данного материала, обеспечивающая ослабление интенсивности узкого пучка гамма-излучения в два раза;

µ —линейный коэффициент ослабления гамма-излучения, показывающий, какая доля гамма-квантов из общего их числа будет иметь акты взаимодействия на пути в 1 см.

Линейный коэффициент и слой половинного ослабления d связаны между собой соотношением

Ослабление интенсивности гамма-излучения обусловлено всеми тремя видами взаимодействия гамма-квантов со средой. Поэтому величина µ складывается из коэффициента поглощения за счет фотоэффекта (τ ), коэффициента поглощения за счет образования пар (χ) и коэффициента комптоновского ослабления (σ), который в свою очередь целесообразно разбить на коэффициент поглощения (σa ) и коэффициент рассеяния (σs );

Сумму первых трех слагающих в этом выражении, определяющих поглощение энергии гамма-квантов, принято называть линейным коэффициентом поглощения:

Можно показать, что для параллельного пучка монохроматического гамма-излучения произведение интенсивности на коэффициент поглощения равно энергии, поглощенной единицей объема облучаемой среды в единицу времени (секунду):

В дозиметрии эта величина носит название мощности дозы излучения (или облучения) и обозначается Pγ

Величина линейных коэффициентов ослабления и поглощения зависит, с одной стороны, от свойств поглощающей среды (от плотности вещества и порядкового номера элементов Z) и. с другой стороны, от энергии квантов гамма-излучения. Коэффициенты µ и µa , увеличиваются пропорционально плотности вещества ρ. а зависимость от Z элементов вещества и энергии гамма-квантов весьма сложная и обычно дается для различных веществ в виде таблиц или графиков. В приложении 2 приведена сокращенная таблица величин половинного слоя ослабления d , линейного коэффициента ослабления µ и поглощения µa для воздуха, тканей животных (мышц), железа и свинца, для энергии гамма-квантов в диапазоне 0,1 — 2,5 Мэв.

Если вещества имеют примерно равный средний порядковый номер элементов, из которых они образованы, то они обладают также одинаковой закономерностью изменения от энергии гамма-квантов и равным количеством энергии, поглощаемой единицей массы вещества (граммом). Так, например, воздух (Zcp,= 7,64), ткани живого организма (Zcp =7,5) и многие органические пластмассы имеют примерно равное Zcp. Все эти вещества являются эквивалентными по свойствам поглощения энергии гамма-излучения и обычно называются «воздухо- эквивалентными». Для этих веществ имеет место соотношение

которое показывает, что их коэффициенты поглощения на единицу массы, носящие название массового поглощения , примерно равны между собой при всех энергиях гамма-квантов. Подобного соотношения нет для веществ с резко различными Zcp, в чем можно убедиться, ознакомившись с таблицей, в которой приведены массовые коэффициенты поглощения для воздуха и свинца при различных энергиях гамма-квантов:

Энергия, поглощенная средой при воздействии на нее гамма-излучения, в конечном итоге расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Однако эта ионизация создается не самими гамма-квантами, а теми вторичными электронами, которые образуются в результате рассмотренных актов взаимодействия гамма-квантов с атомами среды. При этом средняя работа образования одной пары ионов в воздухе такая же, как и для бета-излучения ( ε = 33 эв).

Гамма-излучение, в отличие от альфа- и бета-излучений, не имеет строго определенного слоя полного ослабления. Теоретически полное ослабление гамма-излучения будет происходить при бесконечно толстом слое вещества. Для практической оценки проникающей способности гамма-излучения считается, что средняя длина пробега гамма-квантов соответствует слою вещества, обеспечивающему ослабление гамма-излучения в 2,718 раза. Величина среднего пробега R гамма-квантов определяется формулой

и для гамма-квантов с Eγ = 1 Мэв в воздухе составляет 120 м.

Средняя плотность ионизации в воздухе для гамма-квантов с той же энергией будет иметь величину

Таким образом, обладая большей проникающей способностью, гамма-излучение имеет меньшую ионизирующую способность. Однако большая проникающая способность создает условие облучения от удаленных источников и поэтому на участках местности, зараженных радиоактивными веществами, гамма-излучение является наиболее опасным видом радиоактивного излучения с точки зрения поражения человека при внешнем облучении.

II. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ

Каждый радиоактивный атом рано или поздно претерпевает превращение, однако предугадать момент распада данного атома радиоактивного изотопа невозможно.

Вместе с тем при наличии достаточно большого числа атомов N какого-либо радиоактивного изотопа закономерность радиоактивного распада можно установить экспериментально. Закон, по которому уменьшается число радиоактивных атомов, можно сформулировать в следующей простой форме: половина любого достаточно большого количества атомов радиоактивного изотопа распадается за равные промежутки времени.

Этот промежуток времени называется периодом полураспада Т и является одной из основных характеристик радиоактивного изотопа.

Период полураспада известных радиоактивных изотопов колеблется от ничтожно малых долей секунды до многих миллиардов лет. Так, например, период полураспада ура-на-238 составляет 4,5 миллиарда лет, радия-226 - 1590 лет, стронция-90 — 19.9 года, кобальта-60 — 5,3 года, строя-цня-89 — 53 дня.

Зная период полураспада радиоактивного изотопа, нетрудно определить число не распавшихся атомов для любого момента времени по формуле:

Кривая радиоактивного распада, построенная по этой формуле, приведена на рис. 9. Она пригодна для любого изотопа, если число атомов и время выражать соответственно в долях от первоначального количества атомов и в периодах полураспада.

Рис. 9 Закон радиоактивного распада, где N0— первоначальное количество атомов радиоактивного изотопа; N— число не распавшихся атомов; t— время, прошедшее с момента, когда число атомов равнялось No.

В более удобном для математического анализа виде закон радиоактивного распада выражается формулой

где — постоянная распада, показывающая долю атомов, распадающихся за единицу времени;

е— основание натуральных логарифмов, равное 2,718,

Среднее число атомов, распадающееся в единицу времени (т. е. скорость распада), называется активностью радиоактивного вещества.

Активность (а) является количественной характеристикой источников радиоактивных излучений, зависящей от числа радиоактивных атомов и периода их полураспада:

Чем больше период полураспада, тем меньшей активностью обладает данное количество радиоактивных атомов.

Активность, так же как и количество радиоактивных атомов, уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону:

Измерение активности числом распадающихся атомов в единицу времени (минуту, секунду) обычно используется только для ничтожно малых количеств радиоактивных веществ (например, для характеристики зараженности радиоактивными веществами поверхностей различных объектов и предметов).

Для измерения активности международным соглашением принята более крупная единица, названная кюри.

Кюри соответствует активности такого количества радиоактивного вещества, в котором за 1 секунду происходит 37 миллиардов распадов (1 кюри = 3,7 • 10'° расп/сек).

Кюри относительно большая единица активности. Более мелкими единицами являются производные от кюри:

Следует иметь в виду, что активность как характеристика радиоактивного источника определяет только количественную сторону явления радиоактивности. Знание величины активности источника еще недостаточно для наиболее полной оценки его свойств, так как неизвестными остаются такие важнейшие характеристики распада, как виды излучения, число и энергия излучаемых частиц и квантов. Эти характеристики полностью можно установить, если известны количество и типы радиоактивных изотопов, входящих в состав данного источника.

Измерение активности обычно производится путем регистрации (счета) полного числа или части частиц, излучаемых источником в единицу времени. Если при измерении активности использовался прибор, способный регистрировать альфа-частицы и не регистрирующий бета-частицы и гамма- кванты, то можно говорить об альфа- активности источника. Соответственно, если в процессе измерения активности регистрируются только бета-частицы, то результат измерения определяет бета-активность источника.

Активность источников гамма-излучения часто выражается не в кюри или милликюри, а специальными единицами измерения — грамм-эквивалентами радия, миллиграмм-эквивалентами радия или микрограмм-эквивалентами радия.

Источник, обладающий активностью в 1 грамм-эквивалент радия, создает на данном расстоянии от него такой же ионизационный эффект в воздухе за счет гамма-излучения, который создает гамма-излучение одного грамма радия, находящегося в равновесии с продуктами своего распада, на том же расстоянии.

III. ФИЗИЧЕСКАЯ ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ, МОЩНОСТЬ ФИЗИЧЕСКОЙ ДОЗЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Физической дозой или, кратко, дозой излучения называется количество энергии, поглощенное единицей объема облучаемой среды за все время облучения.

Понятие о физической дозе впервые было введено для характеристики количества рентгеновского излучения с целью дозирования облучения. Физическая доза характеризует поражающее действие ионизирующих излучений на живые организмы, поэтому это понятие использовано и для характеристики радиоактивных излучений. Величина дозы излучений оценивается по эффекту ионизации в воздухе. Это объясняется тем, что ионизация воздуха поддастся достаточно точному измерению. Кроме того, ткани животных являются воздухоэквивалентными по поглощению рентгеновских и гамма-излучений, поэтому поглощаемая 1 см³ ткани энергия излучения пропорциональна дозе, измеренной в воздухе. Таким образом, по дозе, измеренной в воздухе, можно оценивать поражающее действие излучений на живые организмы.

В качестве единицы измерения дозы принята международная единица — рентген.

Рентген (р) — это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 0,001293 г сухого воздуха (т. е. в 1 см3 воздуха при 0°С и нормальном атмосферном давлении) образуется 2,08 • 10 пар ионов, обладающих одной электростатической единицей заряда каждого знака. Более мелкими единицами для измерения дозы являются миллирентген (мр) и микрорентген (мкр).

Средняя работа, затрачиваемая гамма-излучением на образование одной пары ионов в воздухе, составляет 33 эВ, поэтому дозе 1 р соответствует энергия, поглощенная в 1 см3, Wвозд =2,08 109 33 = 68,64 10 эВ или (умножая на 1,6 • 10 для перевода в эрги) Wвозд = 0,11 эрг.

При дозе 1 р в воздухе энергия, поглощаемая в 1 см живой ткани, составляет

Единицу измерения дозы — рентген можно использовать также для характеристики дозы бета- и альфа-излучений.

Дозу бета- и альфа-излучений, которая создает в единице объема воздуха такое же количество пар ионов, как и доза 1 р гамма-излучения, принято называть физическим эквивалентом рентгена (фэр).

Так как биологическое действие на живые организмы различных излучений не одинаково, было введено понятие биологического эквивалента рентгена. Биологический эквивалент рентгена (бэр) — это такая доза альфа-, бета- или нейтронного излучения, которая эквивалентна по биологическому действию на живой организм одному рентгену гамма-излучения. При непосредственном облучении тканей живых организмов 1 р гамма-излучения соответствует 1 фэр бета-излучения и 0,1 фэр альфа-излучения. Это соответствие установлено в результате длительных наблюдений и многочисленных опытов.

Физическая доза излучения (или облучения) характеризует поглощенную энергию независимо от времени облучения. Например, дозу в 10 р можно получить за 1 час, за . 100 дней или за какой-либо другой промежуток времени. Для характеристики скорости нарастания дозы во времени

введено понятие мощности физической дозы {сокращенно — мощность дозы). Мощностью дозы (Р) называется энергия, поглощаемая единицей объема облучаемой среды в единицу времени. Единицами измерения мощности дозы являются рентген в час (р/час) , миллирентген в час (мр/час), микрорентген в секунду (мкр/сек) и др.

Мощность дозы зависит от интенсивности излучения; для монохроматического гамма-излучения эта связь определяется соотношением

где Iγ - интенсивность излучения;

µa - линейный коэффициент поглощения гамма-лучей в веществе, подвергающемся облучению;

n - число гамма-квантов, проходящих через 1 см3 облучаемой среды в 1 сек.;

Еγ - энергия одного гамма-кванта.

Если интенсивность излучения постоянная, то мощность дозы соответствует дозе облучения за единицу времени. В этом случае дозу облучения Dγ за любой другой промежуток времени ∆t можно рассчитать по формуле

В этой формуле поэтому

Полученное выражение показывает, что доза облучения зависит от числа гамма-квантов (Zγ ), проходящих через объем в 1 см3 облучаемой среды за все время облучения ( ∆t), а также от их энергии (Eγµa ).

IV. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ

Более эффективными для регистрации радиоактивных частиц являются газоразрядные счетчики. Для увеличения импульсов в газовых счетчиках используется ударная ионизация атомов газа электронами, ускоренными сильным электрическим полем.

Газоразрядный (сокращенно — газовый) счетчик, так же как и ионизационная камера, представляет собой конденсатор с газовым наполнением пространства между электродами.

Страницы: 1, 2, 3, 4