ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ Лекция 1. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ Носовский Анатолий Владимирович д-р. техн. наук, проф. - презентация

1 ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ Лекция 1. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ Носовский Анатолий Владимирович д-р. техн. наук, проф.

2 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений2 Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений Лекция 1 Основные понятия. Единицы измерения Биологическое действие излучения Основы нормирования излучений Защита от ионизирующих излучений Методы регистрации излучений Приборы радиационного контроля Лекция 2 Лекция 3 Лекция 4 Лекции 6, 7 Лекция 8 Лекция 9,10 Лекции 11,12 Радиационная защита при авариях Содержание курса Основные дозовые пределы Лекция 5

3 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений3 Явление радиоактивности 1895 г. – открытие Х-лучей проф. Вильгельмом Конрадом Рентгеном. С 1500 г. – добыча урановой руды в Чехословакии и Германии. В 1896 г. Анри Беккерель открыл, что эта руда может засвечивать фотопленку. Мария и Пьер Кюри установили, что излучение испускают не только уран, но и торий. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а элементы, испускающие это излучение, – радиоактивными.

4 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений4 Строение атома В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель строения атома. Большая часть массы атома, названная ядром, должна сосредоточиться в размере около см. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны. В 1913 г. датский физик Нильс Бор постулировал, что движение электрона в атоме происходит по определенным стационарным орбитам и не сопровождается излучением энергии. Излучение или поглощение имеет место, когда электрон переходит с одной орбиты на другую.

5 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений5 Строение атомного ядра В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик и французские физики Ирен Кюри и Фредерик Жолио- Кюри открыли нейтрон – частицу, не имеющую электрического заряда, и имеющую массу, равную массе протона. Ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается буквой Z. Если N число нейтронов в ядре, то общее число протонов и нейтронов в ядре составляет A и называется массовым числом, т. е. A = Z + N Атомы, у которых одинаковые числа протонов Z, но различные числа нейтронов N – называются изотопами.

6 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений6 Эрнест Резерфорд, изучая природу радиоактивного излучения радия, открыл, что оно состоит из трех типов различных излучений, которые назвал так: -излучение – отклоняется в магнитном поле, положительный заряд -излучение – магнитное поле не влияет, заряд отсутствует Виды ионизирующих излучений - излучение – отклоняется в магнитном поле, отрицательный заряд

7 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений7 Виды ионизирующих излучений Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Существует два вида ионизирующих излучений: корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета- излучение и нейтронное излучение) электромагнитное (гамма-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны

8 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений8 Альфа-распад Пример: Схема альфа-распада имеет следующий вид: Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью и имеющих массу 4 и заряд +2

9 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений9 Альфа-распад Излучаемые альфа-частицы движутся прямолинейно со скоростью км/с. Длиной пробега частицы в воздухе или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника до поглощения ее веществом. Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно меньше 10 см, в воде или в мягких тканях человеческого тела – несколько десятков микрон. За счет большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объяс- няет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.

10 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений10 Бета-излучение Пример: Схема электронного бета-распада имеет вид: Бета-излучение представляет собой поток электронов (β -излучение) или позитронов (β + -излучение), возникающих при радиоактивном распаде. т. е. массовое число при электронном бета-распаде остается постоянным, а заряд ядра увеличивается на единицу.

11 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений11 Бета-излучение Пример: Схема позитронного β + -распада имеет вид: т. е. массовое число при позитронном + -распаде остается постоянным, а заряд ядра уменьшается на единицу

12 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений12 Бета-излучение Масса -частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы -частиц. Скорость – в пределах 0,3– 0,99 скорости света. Энергия не превышает нескольких МэВ. Длина пробега в воздухе составляет 180 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность -частиц выше, чем -частиц из-за меньших величин массы и заряда. Для полного поглощения потока -частиц, обла- дающих максимальной энергией 2 МэВ, требует- ся защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм.

13 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений13 Все -частицы, испускаемые при -распаде, имеют кинетическую энергию, равную энергии распада и, наоборот, практически ни одна -частица не имеет кинетической энергии, равной энергии распада. Типичные энергетические спектры альфа- и бета-распада

14 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений14 Гамма-излучение Переход ядра из возбужденного состояния в основное состояние или в состояние с меньшей энергией возбуждения может происходить различными способами, в том числе путем испускания электромагнитного гамма-излучения. Гамма-излучение – электромагнитное излучение с высокой энергией и малой длиной волны. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3 МэВ) и малая длина волны обусловливают большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях.

15 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений15 Гамма-излучение Пример: Схема -распада имеет вид: Звездочка означает, что исходное ядро находится в возбужденном состоянии.

16 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений16 Нейтронное излучение Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают: Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ) Промежуточные нейтроны (с энергией от 1 до 500 КэВ) Быстрые нейтроны (с энергией от 500 КэВ до 20 МэВ)

17 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений17 Нейтронное излучение Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения.

18 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений18 Закон радиоактивного распада Математическое выражение, описывающее распад, одинаковое для -, - и -распадов. Это выражение названо универсальным законом радиоактивного распада. Для данного атомного ядра вероятность радиоактивного распада за единицу времени является постоянной. Следовательно, число актов радиоактивного распада dN за время dt определяется только количеством радиоактивных ядер N(t) в данный момент времени t, т. е. Минус означает уменьшение количества атомов с течением времени.

19 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений19 Закон радиоактивного распада Разделив обе стороны уравнения на dt, обозначив скорость радиоактивного распада dN/dt, называемую активностью радиоактивного распада, буквой A, опуская знак минус, получим Это выражение можно использовать для определения величины скорости распада в образце с известным количеством атомов. – время, за которое используется весь источник (распадется N 0 атомов) называется средним временем жизни радиоактивного образца и является обратной величиной постоянной распада.

20 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений20 Закон радиоактивного распада Периодом полураспада Т 1/2 называется то время, в течение которого распадается половина начального количества атомов данного радиоактивного вещества. Откуда Постоянная радиоактивного распада выражается в обратных секундах. Закон радиоактивного распада можно записать в следующей форме

21 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений21 Экспоненциальный закон радиоактивного распада был открыт Резерфордом в 1900г. Закон радиоактивного распада

22 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений22 Взаимодействие излучений с веществом Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разных знаков. Ионизирующее излучение способно выбивать электроны из атомов. При этом видимый свет, ультразвук, ультрафиолетовое, лазерное и микроволновое излучения к ионизирующему излучению не относятся. Законы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом являются теоретической и практической основой радиационной защиты, на них базируются методы расчета защиты и методы регистрации ионизирующего излучения.

23 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений23 Ионизирующее излучение, в зависимости от массы и заряда, можно подразделить на четыре группы: тяжелые заряженные частицы ( -частицы, протоны и др.) легкие заряженные частицы (электроны и позитроны) Взаимодействие излучений с веществом фотонное излучение (рентгеновское и -излучение) нейтронное излучение (нейтроны различных энергий)

24 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений24 Взаимодействие тяжелых заряженных частиц Механизм взаимодействия заряженных частиц с поглощающим веществом состоит в том, что частица, пролетая сквозь вещество, расталкивает атомные электроны своим кулоновским полем, за счет чего теряет свою энергию, ионизируя либо возбуждая атомы. Заряженные частицы передают свою энергию поглощающему веществу, поэтому заряженная частица всегда выходит из поглотителя с меньшей энергией, чем до поглотителя. Рассматриваются три основных механизма потери энергии: ионизациявозбуждениеторможение

25 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений25 Ионизация атомов представляет собой процесс превращения нейтральных атомов среды под действием ионизирующего излучения в заряженные частицы – электроны и ионы, т. е. образование пары ионов. В этом процессе из нейтрального атома выбиваются электроны и он становится ионом. Комбинация выбитого электрона и ионизированного атома называется ионной парой. В различных материалах на образование ионной пары необходима энергия 30–40 эВ. Эта энергия называется энергией образования пары ионов. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

26 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений26 Возбуждение атомов – это механизм потери энергии, являющийся следствием кулоновского взаимодействия между заряженной частицей и электронами атома. Если при ионизации удаление электронов с орбиты происходит путем их выбивания из нейтрального атома, то при возбуждении электрону передается энергия, недостаточная для его выбивания, в результате чего электрон переходит на более высокий энергетический уровень, при этом он удерживается атомом и нейтраль- ность атома не нарушается. При переходе электрона на прежнюю орбиту испускается характеристическое излучение. На каждую образовавшуюся пару ионов при ионизации атома приходится примерно два-три возбужденных атома. Потери энергии при ионизации и возбуждении атомов называются ионизационными потерями. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

27 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений27 Торможение частиц в поле ядра. Потери энергии ИИ в поле ядра называют радиационными потерями, они представляют собой уменьшение энергии в результате торможения заряженной частицы в поле ядра поглотителя и связаны с испусканием тормозного излучения. Заряжен- ные частицы, пролетая вблизи ядра атомов поглотителя, тормозятся в поле ядра и меняют направление движения. Причиной возникновения тормозного излучения является кулоновская сила, которая отклоняет заряженную частицу, изменяя направление ее движения, т. е. замедляя его, т. к. меняется направление вектора скорости и скорость уменьшается из-за потери энергии. Тормозное излучение является фотонным излучением с непрерывным спектром, энергетический диапазон которого входит в диапазон рентгеновских лучей. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

28 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений28 В случае, когда поглощающим веществом является человеческое тело, на ионизацию и возбуждение приходится 99 % поглощенной энергии, в то время как на тормозное излучение 1 % энергии. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

29 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений29 Тормозная способность – это средняя энергия теряемая заряженной частицей на единице своего пути, измеряется в единицах кэВ/мкм. Тормозная способность является свойством поглощающего вещества, показывающим потерю энергии заряженной частицей в поглотителе. Чем больше тормозная способность, тем лучше защитные свойства материала. Линейный пробег – это путь, пройденный заряженной частицей до полной потери кинетической энергии, или минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения ионизирующего излучения. Если тормозная способность большая, то частица будет замедляться быстрее и пробег будет малым. Таким образом, пробег обратно пропорционален тормозной способности. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

30 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений30 Взаимодействие заряженных частиц разделяют на упругие и неупругие. К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма кинетических энергий взаимодей- ствующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. Таким процессом является упругое рассеяние. При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии заряженной частицы передается образовав- шимся частицам или фотонам; другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их возбуждение. К таким взаимодействиям относится неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного излучения. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

31 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений31 Взаимодействие гамма-излучения Особенностью -квантов при прохождении через вещество является то, что они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т.е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность -квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света, а это значит, что -кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы. При прохождении пучка -квантов через поглощающее вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка.

32 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений32 Взаимодействие гамма-излучения Закон ослабления -излучения в веществе: Коэффициент пропорциональности называется полным линейным коэффициентом ослабления. Полный линейный коэффициент ослабления пропорционален плотности вещества, его порядковому номеру и энергии -квантов.

33 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений33 Взаимодействие гамма-излучения Фотонное излучение, проходя через вещество, взаимодействует с орбитальными электронами и ядрами атомов и теряет свою энергию в результате следующих не зависящих друг от друга процессов: Фотоэффекта Комптон- эффекта Эффекта образования пар электрон- позитрон

34 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений34 Фотоэффект – такое взаимодействие, при котором фотон поглощается атомом, передает свою энергию одному из орбитальных электронов и выбивает его из атома. Фотоэффект в основном наблюдается на электронах внутренних K- и L-оболочек. Энергия фотона должна быть близка к энергии связи электрона в оболочке атома. Взаимодействие гамма-излучения Электрон, удаленный таким образом из атома, называется фотоэлектроном.

35 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений35 Комптон-эффект – упругое столкновение фотонов с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает часть своей энергии электрону и рассеивается. Отраженный фотон называется вторичным или рассеянным. Взаимодействие гамма-излучения

36 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений36 Взаимодействие гамма-излучения Образование пар – это такое взаимодействие фотонного излучения с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и в кинетическую энергию электрона и позитрона: Такое взаимодействие может происходить при энергии фотона не меньше 1,02 МэВ и только в поле ядра. Если энергия фотона больше 1,02 МэВ, то избыточная энергия уносится электронам и позитроном в виде кинетической энергии. Баланс энергии при образовании пар имеет вид где 2m 0 c 2 – двойная энергия покоя электрона; Eе + Eе + – кинетическая энергия электрона и позитрона, соответственно

37 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений37 Схема образования электронно-позитронной пары. Взаимодействие гамма-излучения

38 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений38 Взаимодействие нейтронов с веществом Не имея электрического заряда, нейтрон не взаимодействует с электрическим полем заряженных частиц и ядер атомов и может пройти значительное расстояние в поглощающем веществе до столкновения с ядром, т.е. при прохождении через поглощающее вещество нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов. Упругое и неупругое рассеяние Радиационный захват с испусканием фотона Захват с испусканием заряженной частицы Деление ядер В поле ядра атома нейтроны в зависимости от их энергии могут испытывать различные типы взаимодействия:

39 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений39 Упругое рассеяние. В этом виде взаимодействия нейтрон рассеивается ядром, изменяет направление движения, теряя часть своей энергии. Упругое рассеяние играет большую роль в ослаблении потока быстрых нейтронов. Наиболее эффективное ослабление на единицу массы наблюдается в водородо- содержащих средах. Так как массы протона и нейтрона практически одинаковы, то при столкновении с ядром водорода, нейтрон в среднем теряет половину своей энергии. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов используют водородосодержащие или легкие вещества – обычную или тяжелую воду, парафин, берилий, углерод. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной 0,025 эВ, т. е. такие нейтроны становятся тепловыми. Взаимодействие нейтронов с веществом

40 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений40 Тепловой нейтрон будет блуждать в веществе до тех пор, пока не будет захвачен одним из ядер атомов поглощающей среды, в результате чего произойдет реакция: т. е. образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия, полученная ядром вследствие такой перестройки, испускается в виде -кванта. Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием фотона. Взаимодействие нейтронов с веществом

41 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений41 Не только тепловые, но и быстрые нейтроны могут быть захвачены ядрами атомов. В результате произойдет ядерная реакция с вылетом -частицы, протона и т. д. и образуется ядро другого элемента: Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием заряженной частицы. Взаимодействие нейтронов с веществом

42 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений42 Неупругое рассеяние. При захвате нейтрона ядром может произойти ядерная реакция, в процессе которой образуется ядро исходного нуклида, но при этом энергия испущенного нейтрона меньше энергии захваченного: В этом случае произойдет процесс неупругого рассеяния, поскольку суммарная энергия системы нейтрон + ядро до взаимодействия не равна энергии системы после взаимодействия. Взаимодействие нейтронов с веществом

43 Основы дозиметрии. Лекция 1. Явление радиоактивности. Виды ионизирующих излучений43 Деление ядер. При захвате нейтрона некоторые тяжелые ядра способны делиться. В основном это ядра урана, тория, плутония. В процессе деления не только высвобождается более одного нейтрона, но и выделяется энергия около 200 МэВ на один акт деления. Большинство продуктов деления радиоактивны с различными периодами полураспада. Благодаря процессу деления ядер под воздействием нейтронов существует возможность использования ядерной энергии. При всех процессах взаимодействия нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы – ядра отдачи, -частицы, протоны и т. д., непосредственно производящие ионизацию, либо -излучение, которое, производит ионизацию в результате вторичных процессов. Взаимодействие нейтронов с веществом