Физические величины, характеризующие поля ионизирующих излучений

Севастопольский Национальный Университет ядерной энергии и промышленности

Контрольная работа №1

по учебной дисциплине

Дозиметрия и радиационная безопасность на атомных электрических станциях

на тему:

Физические величины, характеризующие поля ионизирующих излучений

Выполнил:

Студент 4-го курса

заочного обучения

Васильчук В.В.

Севастополь 2006

Введение

Прикладная ядерная физика, ядерные технологии и промышленное использование источников ионизирующих излучений находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Дозиметрия ионизирующих излучений является самостоятельным разделом прикладной ядерной физики. Методы дозиметрии и зашиты от ионизирующих излучений применяются везде, где производятся работы с радиоактивными источниками, в атомной энергетике при проектировании, эксплуатации и снятии с эксплуатации ядерных энергетических установок.

Физические величины, характеризующие поля ионизирующих излучений

Впервые Международная система единиц была принята Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. В СИ большое внимание уделено и совокупности дозиметрических и радиационных величин, применяемых в области ионизирующих излучений. В качестве меры скорости спонтанного перехода из определенного энергетического состояния нуклида (т.е. активности радионуклида) была введена единица — "беккерель" (Бк) или, что то же самое, "обратная секунда" (с-1). Для измерения поглощенной дозы была введена единица " джоуль на килограмм" (Дж/кг), получившая название "грей". Для обозначения единицы эквивалентной и эффективной эквивалентной доз было введено специальное наименование "зиверт".

Имеется ограниченная группа внесистемных единиц, которые не всегда можно заменить единицами СИ. Поэтому они допущены к применению без ограничения срока наряду с единицами СИ. Это, например, единицы: литр (л) для объема и вместимости; градус (...°), минута (...'), секунда (...'') для плоского угла; минута (мин), час (ч), сутки (сут.) и др., получившие широкое распространение единицы для времени. Особо можно отметить разрешение на применение без ограничения срока внесистемную единицу энергии электрон-вольт (эВ) и ее десятичные кратные единицы. Электрон-вольт удобно использовать применительно к энергии отдельных ионизирующих частиц. Для суммарной энергии ионизирующих частиц (макропроцессы) рекомендуется единица СИ джоуль и ее десятичные и дольные единицы.

До принятия системы СИ имело место приблизительное числовое равенство между величинами экспозиционной дозы в воздухе и поглощенной дозы в ткани, т.к. 1 P был равен примерно 1 рад. В СИ такого приблизительного числового соответствия нет (1 P = 2,58·10-1 (Кл/кг)). Поэтому для характеристики поля излучения в отсутствии объекта излучения стало целесообразнее использовать такие величины как, воздушная керма или плотность потока частиц и т.д.. Аналогичные трудности наблюдались и при практическом использовании в СИ таких величин, как гамма-постоянная радионуклида и гамма-эквивалент источника, так или иначе связанных с экспозиционной дозой. Поэтому принято решение отказаться от использования экспозиционной дозы как дозиметрической величины, а величины гамма-постоянная радионуклида и гамма-эквивалент источника заменить величинами керма- постоянная радионуклида и керма-эквивалент источника соответственно.

Однако, необходимо помнить, что во всем мире к настоящему времени опубликован уникальный по своей научной ценности суммарный материал о биологическом действии ионизирующих излучений и уровнях радиационного воздействия на человека от естественного радиационного фона или от результатов деятельности человека, и что в большинстве этих работ уровень радиационного воздействия выражен в единицах рентген, рентген в секунду и т.д.. Поэтому, еще в течение длительного времени, будет возникать необходимость сравнения значений новых и ранее полученных результатов.

На территории СССР в 1981 г. утвержден ГОСТ8.417-81 "Единицы физических величин", который подтверждает введение Международной системы единиц физических величин в действие как обязательной.

Введением этого ГОСТа в переходной период с 1 января 1982 г. по 1 января 1990 г. осуществлено изъятие из обращения всех основных широко ранее использовавшихся внесистемных единиц активности и дозовых характеристик поля излучения. Среди них: единицы кюри для активности радионуклида в источнике, рентген — для экспозиционной дозы фотонного излучения, миллиграмм-эквивалент радия — для нестандартной величины гамма-эквивалента источника, рад — для поглощенной дозы и кермы, бэр — для эквивалентной дозы и производные от них единицы. На территории Украины, с принятием нормативного документа "Нормы радиационной безопасности Украины. НРБУ-97", С 1997 года обратно вводится в обращение подавляющее большинство из названных выше внесистемных единиц (Кюри, Рентген, рад, бэр и т. д. Единицы Кюри — для активности радионуклида в источнике; Рентген — для экспозиционной дозы фотонного излучения; рад — поглощенной дозы; бэр — для эквивалентной дозы; производные от них единицы). Учитывая это и то, что еще многие годы в опубликованных ранее монографиях, статьях, отчетах специалисты будут встречаться с названными выше внесистемными единицами, они рассматриваются в "Пособии" вместе с единицами СИ. Таблица 1. позволит легко осуществить переход от внесистемных единиц к единицам СИ.

При работе с радиоактивными веществами наиболее существенным является не масса радионуклида, а его активность.

Активность радионуклида в источнике А — отношение числа спонтанных (самопроизвольных) ядерных превращений dN, происходящих в источнике за интервал времени dt, к этому интервалу:

А = dN/dt.                        (1)

Таблица 1. Соотношение между единицами СИ и внесистемными единицами в области радиационной безопасности

В системе СИ единица измерения активности имеет специальное название беккерель (Бк) и имеет размерность обратной секунды (с-1). Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри — активность радионуклида в источнике, при которой в 1 с происходит 3,7·1010 спонтанных ядерных превращений. Такое число ядерных превращений происходит в 1 секунду в 1 г 226Ra. Связь между внесистемной единицей активности кюри и беккерелем следующая:

1 Ки = 3,7·1010 Бк; 1 Бк = 2,7·10-11 Ки.     (2)

Приведем практичное выражение соотношения, связывающего массу (т) радионуклида в граммах (г) (без учета массы неактивного носителя) с его активностью в беккерелях:

m=3,3·10-3·Μ·Τ1/2·A,               (3)

где, M—массовое число радионуклида; Т1/2 — период полураспада радионуклида в секундах.

Единицами поверхностной и линейной активности являются в СИ соответственно Бк/м2 и Бк/м.

Характеристики поля излучения

Энергетическое и пространственно-временное распределения ионизирующего излучения в среде изменяется в процессе его взаимодействия с веществом. Для установления закономерностей этих изменений необходимо знать, сколько частиц или фотонов, с какой энергией и в каком направлении проходят в каждой точке пространства, т.е. необходимо иметь представление о поле излучения.

При решении практических задач относительно часто используются следующие характеристики поля ионизирующего излучения:

Поток ионизирующих частиц (фотонов) F — отношение числа ионизирующих частиц dN, проходящих через данную поверхность за интервал временна, к этому интервалу:

F = dN/dt.                           (4)

Единица потока частиц — имеет размерность обратной секунды (с-1) и равна потоку ионизирующих частиц, при котором через данную поверхность проходит одна частица за 1 с. Аналогично — поток энергии ионизирующих частиц:

Fw=dw/dt,                         (5)

где, dw — суммарная энергия (исключая энергию покоя) всех ионизирующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt.

Единица потока энергии ионизирующих частиц в СИ — джоуль в секунду (Дж/с) или ватт (Вт); внесистемная единица — электрон-вольт в секунду (эВ/с).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) Φ — отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:

Ф = dN/ds.                       (6)

Единица флюенса частиц в СИ — м-2. Он равен флюенсу, при котором в сферу с площадью поперечного сечения 1 м2 проникает одна частица. Более предпочтительная единица — см-2. Соответственно флюенс (перенос) энергии ионизирующих частиц Фw

Фw=dw/ds.                       (7)

Единица флюенса энергии ионизирующих частиц в СИ — Дж/м2, но более предпочтительная на практике единица — МэВ/см2.

Плотность потока ионизирующих частиц φ — отношение потока ионизирующих частиц dF, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:

                             (8)

Единица плотности потока частиц в СИ — с-1·м-2. Более предпочтительная на практике внесистемная единица — с-1·см-2.

Плотность потока энергии ионизирующих частиц (интенсивность ионизирующих частиц) I — отношение потока энергии ионизирующих частиц dFw, проникающего в элементарную сферу, к площади ее центрального сечения ds:

I=dFw/ds.                          .      (9)

Единица интенсивности в СИ — Дж/(с·м2) или (Вт/м2). Более предпочтительная на практике единица — МэВ/(см2·с).

К характеристикам поля излучения можно также отнести энергетический спектр ионизирующих частиц. Источники излучения, испускающие частицы или γ-кванты только одной энергии, называются моноэнергетическими. Таких источников очень немного. Значительно чаще источники испускают частицы или γ-кванты разных энергий. Спектр излучения таких источников может быть сплошным с какой-либо граничной (максимальной) энергией или дискретным.

Дозовые характеристики поля излучения

Ионизация и возбуждения атомов среды — это те эффекты, которые определяют величину воздействия излучения на биологические объекты. Эти эффекты однозначно связаны с поглощенной энергией излучения в веществе. Поэтому основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D — отношение средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме.

D = dw/dm.                     (10)

В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж·кг-1), и имеет специальное название — грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения любого вида равная 1 Дж. В практике еще используется внесистемная единица поглощенной дозы — рад. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

В биологических тканях поглощенная доза распределяется неравномерно (например, по глубине). Для исключения превышения допустимых доз, в качестве тканевых доз принимаются их максимальные значения. Когда говорят "тканевая доза", имеют ввиду поглощенную дозу в мягкой биологической ткани, весовой состав которой принимают следующим, в %: водород — 10,1; углерод — 11,1; азот — 2,6; кислород — 76,2.

Величина поглощенной дозы излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. При этом биологическое действие одной и той же дозы различных видов излучения не одинаковое.

Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения P — отношение приращения поглощенной дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу:

P = dD/dt                        (11)

В системе СИ единица мощности поглощенной дозы 1 Гр/с = 1 Дж/(с·кг) = 1 Вт/кг. Внесистемная единица мощности поглощенной дозы 1 рад/с.

Как правило, в практической области радиационной безопасности масштабы измеряемых величин D, P таковы, что оказывается более предпочтительно использовать такие дробные единицы измерения: мГр, мГр/с соответственно.

Иногда для исключения некоторых неопределенностей требуется такая характеристика излучения по его воздействию на среду, которая была бы однозначно связана с параметрами поля излучения, например, с плотностью потока энергии. Для этих целей введена специальная величина керма К — отношение суммы первоначальных кинетических энергий dEK всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе в этом объеме:

K = dEK/dm.                   (12)

Керма применима, как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Керму измеряют в тех же единицах, что и поглощенную дозу (Гр и рад).

Страницы: 1, 2