Сайт з предмета ЗАХИСТ УКРАЇНИ

1. Одиниці радіоактивності і дози випромінювання

Дія ознайомлення з деякими поняттями радіаційної дозиметрії, широко застосовуваними в цивільній обороні, особливо останнім часом, розглянемо короткий їх опис і одиниці вимірювання. В останні роки в науковій літературі одиниці даються в Міжнародній системі (СІ). Проте в науковій літературі минулих років у практиці ліквідації наслідків ядерних аварій, особливо в сільському і лісово¬му господарстві, при градуюванні шкал дозиметричних приладів застосовують одиниці СІ, а також позасистемні одиниці. Враховуючи це, для зручності користування в даному посібнику одночасно подаються одиниці в системі СІ і позасистемні.

Наявність радіоактивних речовин у середовищі — ступінь забруднення — часто буває дуже малою, що практично не дає можли¬вості визначити їх питому вагу. Саме тому мірою радіоактивних речовин є не вага, а активність радіоізотопів.

Активністю радіоактивного елемента є число атомних розпадів, що відбуваються в цьому елементі за 1 секунду. Таким чином, активність радіоактивного елемента визначається числом розпадів за одиницю часу, вона характеризує абсолютну швидкість радіоак¬тивного розпаду радіонукліда. Активність радіоактивної речовини пропорційна її кількості і зворотно пропорційна періоду напівроз¬паду. Кількість радіоактивної речовини свідчить про її активність, тобто про кількість атомів, що розпадаються за 1 секунду.

За одиницю активності (активність нукліда в радіоактивному джерелі) прийнята одиниця в системі СІ — беккерель (Бк) — це така кількість радіоактивної речовини, в якій проходить 1 акт роз¬паду за 1 с, а позасистемна одиниця — Кюрі — така кількість радіоактивної речовини в якій проходить 37 млрд. актів розпаду за 1 с. Співвідношення між одиницями: 1 Бк = 1 розпад/с = 2,7 • 10 – 11 Кі, 1 Кі = 3,7 • 1010 Бк = 3,7 • 1010  розп/с. 

За одиницю радіоактивності речовини — питому вагову ак¬тивність — прийнята одиниця беккерель на кілограм (Бк/кг), а позасистемна — кюрі на кілограм (Кі/кг).

Одиницею радіоактивності рідкого і газоподібного середовища — питомою об'ємною активністю є одиниця в системі СІ — беккерель на літр (Бк/л), а позасистемна одиниця — кюрі на літр (Кі/л).

За одиницю радіоактивності площі — питому забрудненість площі в системі СІ прийнято беккерель на квадратний кілометр (Бк/км2), позасистемна одиниця — кюрі на квадратний кілометр (Кі/км2).

Іонізуючу властивість радіації в повітрі характеризують дозою випромінювання.

Доза випромінювання — це кількість енергії радіоактивних випромінювань поглинутих одиницею об'єму середовища, яке опро¬мінюється.

Доза випромінювання (або опромінення) є мірою уражаючої дії ра-діоактивних випромінювань на організм людини, тварин і рослини. Вона може накопичуватися за різний час, а біологічне ураження від опромінення залежить від величини дози і від часу її накопичення.

Розрізняють експозиційну, поглинуту і еквівалентну дози.

Експозиційною називають дозу випромінювання, що характери¬зує іонізаційний ефект рентгенівського і гамма-випромінювань у повітрі. Це доза, яка характеризує джерело і радіоактивне поле ство¬рене нею.

Експозиційну дозу випромінювання гамма-променів вимірюють позасистемною одиницею — рентген (Р,R). Один рентген — це така доза рентгенівського або гамма-випромінювання, яка в 1 см сухого повітря при температурі 0 °С і тиску 760 мм рт. ст. створює 2 млрд. пар іонів (або точніше 2,08 • 109). На практиці застосовують менші част¬кові одиниці: мілірентген (1 Р = 1000 мР; 1 мР = 10-3 Р) і мікрорентген (1 Р = 1 000 000 мкР; 1 мкР = 10 -6 Р).

У системі СІ експозиційна доза вимірюється в кулонах на кіло¬грам (Кл/кг, С/kg).

Це одиниця експозиційної дози випромінювання, при якому в кожному кі-лограмі повітря утворюються іони із загальним зарядом, що дорівнює 1 кулону.

Одиниця опромінення в системі СІ дорівнює 3876 Р. Експозицій¬на доза в рентгенах досить надійно характеризує небезпеку дії іоні¬зуючих випромінювань при загальному і рівномірному опроміненні організму людини чи тварини.

Співвідношення між одиницею експозиційної дози системи СІ і позасисте-мною: 1 Кл/кг = 3876 Р або 1 Кл/кг = 3,88 • 10 -3; 1 Р = = 2,58 • 10 -4 Кл/кг.

Рентген визначає кількість енергії (дозу), яку одержує об'єкт, а не характеризує час, за який вона одержана. Для оцінювання дії іонізу¬ючого випромінювання за одиницю часу застосовується поняття "по¬тужність дози".

Потужність експозиційної дози (рівень радіації) — це інтен¬сивність ви-промінювання, що утворюється за одиницю часу і харак¬теризує швидкість накопичення дози. Одиницею потужності експо¬зиційної дози в системі СІ є ампер на кілограм (А/кг, А/kg), а позасис¬темною одиницею для вимірювання випромінювань у повітрі є рент¬ген за годину (Р/год, R/h), рентген за секунду (Р/с, R/s) або част¬кові одиниці: мілірентген за годину (мР/год), мікрорентген за годи¬ну (мкР/год).

Співвідношення між одиницею системи СІ і позасистемною одини¬цею по-тужності експозиційної дози: 1 А/кг = 1 Кл/кг • с = 3876 Р/с, 1 Р/с = 2,58 • 10 -4 А/кг = 2,58 • 10 -4 Кл/кг • с.

Рентген як одиниця вимірювання за своїм визначенням є кіль¬кісною характеристикою гамма - чи рентгенівського випромінюван¬ня і нічого не говорить про кількість енергії, поглинутої об'ємом, який опромінюється. Через це для оцінювання ступеня впливу ви¬промінювання на організм введено поняття "поглинута доза".

Поглинута доза — це кількість енергії різних видів іонізуючих випромінювань, поглинутих одиницею маси речовини.

Одиниця випромінювання поглинутої дози тканинами організму в системі СІ — джоуль на кілограм (Дж/кг, J/kg). Дж/кг — це кількість енергії будь-якого виду іонізуючої речовини в 1 кг. Крім цього, одиницею вимірювання поглинутої дози є грей (Гр, Gy). Ще застосовують позасистемну одиницю — рад (rad) (це скорочення від англійського radiation absorbent dose) — поглинута доза будь-якого випромінювання, за якої кількість енергії, поглинутої 1 г речовини, що опромінюється, відповідає 100 ерг, 1 рад =0,01 Дж/кг = 100 ерг поглинутої речовини в тканинах. Співвідношення між одиницею по¬глинутої дози системи СІ і позасистемною одиницею: 1 Дж/кг = 100 рад, 1 Гр = 100 рад, 1 Гр = 1 Дж/кг, 1 рад = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг.

Для визначення дози опромінення біологічних об'єктів вимірюють дозу в повітрі в Р, а потім розрахунковим шляхом знаходять поглину¬ту дозу в радах. Через те, що доза випромінювання 1 Р у повітрі енергетично еквівалентна 88 ерг/г, то поглинута енергія в радах для повітря становить 88/100 = 0,88 рад. Таким чином, якщо доза випромінювання в повітрі дорівнює 1 Р, то поглинута доза буде 0,88 рад.

Поглинута доза більш точно визначає вплив іонізуючих випромінювань на біологічні тканини організму, в яких різні атомний склад і щільність. Є окрема залежність між поглинутою дозою і радіацій¬ним ефектом: чим більша поглинута доза, тим більший радіацій¬ний ефект. Поглинута доза характеризує радіаційний ефект для всіх видів органічних і хімічних тіл, крім живих організмів.

Одиницею потужності поглинутої дози в системі СІ є грей за се¬кунду (Гр/с, Gу/s) і джоуль на кілограм за секунду (Дж/(кг/с), J/(kg/s)), а позасистемною — рад за секунду (рад/с, rad/s); співвідношення між ними: 1 Гр/с = 1 Дж/(кг/с); 1 Гр/с = 100 рад, 1 рад = 0,01 Гр/с.

Але поглинута доза не враховує те, що вплив на організм такої самої дози різних випромінювань неоднаковий. Наприклад, альфа-випромінювання у 20 разів, а бета-випромінювання у 10 разів небез¬печніше від гамма-випромінювання. Знання величини поглинутої дози не досить для точного передбачення ні ступеня трудності, ні ймовірності виникнення ефектів ураження. Через це введена екві¬валентна доза.

Еквівалентна доза характеризує те, що різні види іонізуючого випромінювання під час опромінювання організму однаковими дозами призводять до різного біологічного ефекту. Це пов'язано з неоднако¬вою питомою щільністю іонізації, викликаної різними видами ви¬промінювань. Так, кількість іонів, які утворюються під дією випромі¬нювання на одиниці шляху в тканинах, тобто щільність іонізації альфа-частинками, у сотні разів вища від гамма-променів. Тому вве¬дено поняття "відносна біологічна активність", яка показує співвідно¬шення поглинутих доз різних видів випромінювання, що викликають однаковий біологічний ефект. Якщо умовно прийняти біологічну ефективність гамма - і бета-променів за одиницю, то для альфа-час¬тинок вона буде дорівнювати десяти, а для повільних і швидких нейтронів відповідно п'яти і двадцяти. Еквівалентна доза опромі¬нення використовується для оцінювання дії випромінювання на живі організми, насамперед людини і тварини.

Одиницею еквівалентної дози в системі СІ є зіверт (Зв, Sv). Один зіверт дорівнює поглинутій дозі в 1 Дж/кг (для рентгенівського, гамма - та бета - випромінювань).

Для обліку біологічної ефективності випромінювань введена поза¬системна одиниця поглинутої дози — біологічний еквівалент рентгена (бер). Один бер — це доза будь-якого виду випромінювання, яка утворює в організмі такий же біологічний ефект, як і рентгенівського або гамма-випромінювання.

Доза в берах виражається тоді, коли необхідно оцінити загальний біологічний ефект незалежно від типу діючих випромінювань.

Співвідношення між одиницею еквівалентної дози в системі СІ і позасисте-мною одиницею: 1 Зв = 100 бер, 1 бер = 0,01 Зв.

Щоб урахувати нерівномірність ураження від різних видів випромінювань введено "коефіцієнт якості", на який необхідно пе¬ремножити величину поглинутої дози від певного виду випроміню¬вання, щоб одержати еквівалентну дозу. Всі міжнародні і націо¬нальні норми встановлені в еквівалентній дозі опромінення.

Одиницею потужності еквівалентної дози в системі СІ є зіверт за секунду (Зв/с, Sv/s), а несистемною одиницею є бер за секунду (бер/с) співвідношення між ними: 1 Зв/с = 100 бер/с, 1 бер/с = 0,01 Зв/с.

2. Методи визначення іонізуючих випромінювань

Виявлення радіоактивних речовин та іонізуючих (радіоактивних) випромінювань (нейтронів, гамма-променів, бета - і альфа-частинок), ґрунтується на здатності цих випромінювань іонізувати речовину середовища, в якій вони поширюються.

Під час іонізації відбуваються хімічні та фізичні зміни у речови¬ні, які можна виявити і виміряти. Іонізація середовища призводить до засвічування фотопластинок і фотопаперу, зміни кольору фарбування, прозорості, опору деяких хімічних розчинів, зміни електропровідності речовин (газів, рідин, твердих матеріалів), люмінесценції.

В основі роботи дозиметричних і радіометричних приладів застосо¬вують такі методи індикації: фотографічний, сцинтиляційний, хі¬мічний, іонізаційний, калориметричний, нейтронно - активізаційний.

Крім цього, дози можна визначати за допомогою біологічного і розрахункового методів.

Фотографічний метод оснований на зміні ступеня почорніння фотоемульсії під впливом радіоактивних випромінювань. Гамма-промені, впливаючи на молекули бромистого срібла, яке знаходиться в фотоемульсії, призводять до розпаду і утворення срібла і брому. Кристали срібла спричиняють почорніння фотопластин чи фотопа¬перу під час проявлення. Одержану дозу випромінювання (експози¬ційну або поглинуту) можна визначити, порівнюючи почорніння плівки паперу з еталоном.

Сцинтиляційний метод полягає в тому, що під впливом радіо¬активних випромінювань деякі речовини (сірчистий цинк, йодистий натрій) світяться. Спалахи світла, які виникають, реєструються, і фотоелектронним посилювачем перетворюються на електричний струм. Вимірюваний анодний струм і швидкість рахунку (рахунко¬вий режим) пропорційні рівням радіації.

Хімічний метод базується на властивості деяких хімічних речовин під впливом радіоактивних випромінювань внаслідок окислю¬вальних або відновних реакцій змінювати свою структуру або колір. Так, хлороформ у воді під час опромінення розкладається з утворенням соляної кислоти, яка вступає в кольорову реакцію з барвником, доданим до хлороформу. У кислому середовищі двовалентне залізо окислюється в тривалентне під впливом вільних радикалів НО2 і ОН, які утворюються у воді при її опроміненні. Тривалентне залізо з барв¬ником дає кольорову реакцію. Інтенсивність зміни кольору індикатора залежить від кількості соляної кислоти, яка утворилася під впливом радіоактивного випромінювання, а її кількість пропорційна дозі радіо-активного випромінювання. За інтенсивністю утвореного забарвлен¬ня, яке є еталоном, визначають дозу радіоактивних випромінювань. За цим методом працюють хімічні дозиметри.

Іонізаційний метод полягає в тому, що під впливом радіоактив¬них випромінювань в ізольованому об'ємі відбувається іонізація газу і електрично нейтральні атоми (молекули) газу розділяються на по¬зитивні і негативні іони. Якщо в цьому об'ємі помістити два елект¬роди і створити електричне поле, то під дією сил електричного поля електрони з мінусовим зарядом будуть переміщуватися до анода, а позитивно заряджені іони — до катода, тобто між електродами проходитиме електричний струм, названий іонізуючим струмом і можна робити висновки про інтенсивність іонізаційних випромінювань. Зі збільшенням інтенсивності, а відповідно й іонізаційної здатності радіо¬активних випромінювань, збільшиться і сила іонізуючого струму.

Калориметричний метод базується на зміні кількості теплоти, яка виділя-ється в детекторі поглинання енергії іонізуючих випромі¬нювань.

Нейтронно - активаційний метод зручний під час оцінювання доз в аварійних ситуаціях, коли можливе короткочасне опромінення великими потоками нейтронів. За цим методом вимірюють наведе¬ну активність, і в деяких випадках він є єдино можливим у реєст¬рації, особливо слабких нейтронних потоків, тому, що наведена ними активність мала для надійних вимірювань звичайними методами.

Біологічний метод дозиметрії ґрунтується на використанні вла¬стивостей випромінювань, які впливають на біологічні об'єкти. Дозу оцінюють за рівнем летальності тварин, ступенем лейкопенії, кількістю хромосомних аберацій, зміною забарвлення і гіперемії шкіри, випаданню волосся, появою в сечі дезоксицитидину. Цей ме¬тод не дуже точний і менш чутливий, ніж фізичний.

Розрахунковий метод визначення дози опромінення передбачає застосування математичних розрахунків. Для визначення дози радіо¬нуклідів, які потрапили в організм, цей метод є єдиним.

На основі іонізаційного методу розроблені прилади, які мають однакову будову і складаються зі сприймаючого пристрою (іонізацій¬ної камери або газорозрядного лічильника), підсилювача іонізуючо¬го струму (електричної схеми), реєстраційного пристрою (мікроамперметр) і джерела живлення (сухі елементи або акумулятори).

Сприймаючий пристрій призначений для перетворення енергії радіоактивних випромінювань в електричну.

В основу роботи дозиметричних приладів покладено принцип іоні¬зації газів.

Як відомо, гази є провідниками електричного струму. Під впли¬вом радіоактивних випромінювань, вони в результаті іонізації по¬чинають проводити струм. На цій властивості газів і ґрунтується робота сприймаючого пристрою дозиметричних приладів — іоніза¬ційної камери та газорозрядного лічильника.

Іонізаційна камера має вигляд прямокутної коробки або трубки, виготовленої з алюмінію або пластмаси. В останньому випадку внут¬рішню поверхню стінок покривають струмопровідним матеріалом. У середині коробки або трубки розміщується графітовий чи алюмініє¬вий стержень.

Отже, в іонізаційній камері є два електроди: до стінки камери підключається позитивна напруга від джерел живлення, яка виконує роль позитивного електрода, а до графітового чи алюмінієвого стержня, який виконує роль мінусового електрода і розміщений у середині камери — мінусова напруга. Простір у камері між елект¬родами заповнений повітрям. Сухе повітря, що заповнює іонізаційну камеру, є добрим ізолятором. Ось чому у звичайних умовах елект¬ричний струм через камеру не проходить. У зоні радіоактивних забруднень у камеру проникають гамма-випромінювання і бета-час¬тинки, які спричиняють іонізацію повітря. Іони, що утворилися під дією електричного поля, починають спрямовано рухатися, а саме: негативні іони рухаються до позитивного електрода (анода), а пози¬тивні іони — до негативного електрода (катода). Таким чином, у ланцюгу камери виникає іоні-зуючий струм.

Проте безпосередньо виміряти силу іонізуючого струму немож¬ливо, бо вона дуже мала. У зв'язку з цим для посилення іонізуючого струму застосовують електричні підсилювачі, після чого струм про¬ходить через вимірювальний прилад, шкала якого проградуйована у відповідних одиницях вимірювання.

Газорозрядний лічильник призначений для вимірювання малої інтенсивності у десятки тисяч разів меншої тієї, яку можна виміряти іонізаційною камерою. Через це газорозрядні лічильники застосову¬ються у приладах для вимірювання рівня радіації на місцевості (рентгенметрах), у приладах (радіометрах) для вимірювання ступеня за¬брудненості різних предметів, продуктів, урожаю, кормів альфа -, бета-і гамма-активними речовинами.

Газорозрядні лічильники відрізняються від іонізаційних камер як конструктивним оформленням, так і характером іонізації, що відбувається в них. Лічильник складається з тонкостінної метале¬вої (з нержавіючої сталі) трубки довжиною 10—15 см і діаметром 1—2 см. По осі трубки протягнуто дуже тонку вольфрамову нитку. До електродів лічильника, тобто до вольфрамової нитки і стінок труб¬ки, підведено напругу від джерела живлення. Простір між стінками трубки і металевою ниткою заповнений інертним газом (неоном, аргоном або їх сумішшю), з невеликою добавкою галогенів (хлору, брому).

Тиск газового наповнення в лічильнику понижений — близько 1330 Па (10 мм рт. ст.).

Іонізаційна частинка, потрапляючи всередину лічильника, ство¬рює принаймні одну пару іонів -: позитивний іон і електрон. Під дією електричного поля позитивний іон рухається до катода (стінки труб¬ки), а електрон — до анода (нитки лічильника). Рух іонів спричиняє в ланцюгу лічильника стрибок (імпульс) струму, який після поси¬лення може бути зареєстрований вимірювальним приладом (мікро-амперметром).

Реєструючи кількість імпульсів струму, які виникають за одини¬цю часу, можна знайти інтенсивність радіоактивних випромінювань.

Проходження в газовому лічильнику імпульсів напруги можна почути в головних телефонах у вигляді клацань, які при сильному зараженні поверхні переходять у шум (тріск).

Підсилювач іонізуючого струму призначений для посилення слаб¬ких сигналів, які виробляються сприймаючим пристроєм, до рівня, необхідного для роботи реєстраційного (вимірювального) пристрою. Як підсилювач застосовують електрометричні лампи.

Реєстраційний пристрій призначений для вимірювання сигналів, які виробляються сприймаючим пристроєм. Шкали приладів гра¬дуйовані безпосередньо в одиницях тих величин, для вимірювання яких призначений прилад (відповідної характеристики радіоактив¬них випромінювань).

Джерело живлення забезпечує роботу приладу. Для цієї мети за-стосовують сухі елементи або акумулятори.