Источники ионизирующего излучения

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

УО "БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

 

       

   Кафедра Безопасности жизнедеятельности и курортологии

                

 

 

 

                                             РЕФЕРАТ

 

 

 

по дисциплине: «Защита населения и объектов от ЧС. Радиационная

 

на тему: Источники ионизирующих излучений

 

 

 

 

Выполнил:                                                                                   

Студентка ФМ, 3 курс,                                                           И .И. Копцевич

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2014 
СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………………………...3

1 Характеристика  и виды излучений…………………………………….4

2 Корпускулярное  ионизирующее излучение…………………………...6

3 Технические  характеристики источников излучения……………….9

4 Единицы измерения  радиоактивности и доз облучения…………11

 

5 Основные радионуклиды мониторинга среды……………………12

6. Естественные  источники радиации………………………………….15

7 Облучение от радионуклидов земного происхождения………….17

 

8 Изменение свойств материалов и элементов радиоэлектронной

аппаратуры под действием ионизирующих излучений……………18

 

9  Биологическое действие ионизирующих излучений и способы

    Защиты от  них………………………………………………………...23

 

10 Список использованной  литературы……………………………..25

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Радиоактивность – отнюдь не новое явление; новизна состоит лишь в том, как люди пытались ее использовать. И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Ионизирующее излучение сопровождало и Большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов лет назад. С того времени радиация наполняет космическое пространство. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствует в следовых количествах радиоактивные вещества. Но с момента открытия этого универсального фундаментального открытия прошло лишь немногим более ста лет.

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками какого-то материала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик, полька по происхождению, которая и ввела в обиход слова “радиоактивность”. В 1898 году она и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием в память о родине Марии Кюри, а еще один – радием, поскольку по-латыни это слово обозначает “испускающий лучи”. И открытие Беккереля, и исследования супругов Кюри были подготовлены более ранним, очень важным событием в научном мире – открытием в 1895 году рентгеновских лучей; эти лучи были названы так по имени открывшего их (тоже, в общем, случайно) немецкого физика Вильгельма Рентгена.

Беккерель один из первых столкнулся с самым неприятным свойством радиоактивного излучения: речь идет о его воздействии на ткани живого организма. Ученый положил пробирку с радием в карман и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, от одного из злокачественных заболеваний крови, поскольку слишком часто подвергалась воздействию радиоактивного излучения. По крайней мере 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения.

Несмотря на это, небольшая группа талантливых и большей частью молодых ученых направила свои усилия на разгадку одной из самых волнующих загадок всех времен, стремясь проникнуть в самые сокровенные тайны материи.

 

 

                1 Характеристика и выды излучений

 

 

Ионизирующее излучение (ionizing radiation) – это поток элементарных частиц или квантов электромагнитного излучения, который создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе, и прохождение которого через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды.

Ионизацию среды могут производить только заряженные частицы - электроны, протоны и другие элементарные частицы и ядра химических элементов. Процесс ионизации заключается в том, что заряженная частица, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов, при своем движении в среде взаимодействует с электрическим полем атомов и теряет часть своей энергии на выбивание электронов с электронных оболочек атомов. Нейтральные частицы и электромагнитное излучение не производят ионизацию, но ионизируют среду косвенно, через различные процессы передачи своей энергии среде с порождением вторичного излучения в виде заряженных частиц (электронов, протонов), которые и производят ионизацию среды.

Ионизирующие излучения разделяют на фотонные и корпускулярные.

Фотонное ионизирующее излучение - это все виды электромагнитного излучения, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, электронов атомов или аннигиляции частиц - ультрафиолетовое и характеристическое рентгеновское излучение, излучения, возникающие при радиоактивном распаде и других ядерных реакциях и при торможении заряженных частиц в электрическом или магнитном поле.

Корпускулярное ионизирующее излучение - потоки альфa- и бета-частиц, протонов, ускоренных ионов и электронов, нейтронов и др. Корпускулярное излучение потока заряженных частиц относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Корпускулярное излучение потока незаряженных частиц называют косвенно ионизирующим излучением.

Источник ионизирующего излучения (ionizing radiation source) - объект, содержащий радиоактивный материал (радионуклид), или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение. Предназначен для получения (генерации, индуцирования) потока ионизирующих частиц с определенными свойствами.

Источники излучений применяются в таких приборах, как медицинские гамма- терапевтические аппараты, гамма-дефектоскопы, плотномеры, толщиномеры, нейтрализаторы статического электричества, радиоизотопные релейные приборы, измерители зольности угля, сигнализаторы обледенения, дозиметрическая аппаратура со встроенными источниками и т.п.

 

 

По физической основе генерации излучения разделяют радионуклидные источники на основе естественных и искусственных радиоактивных изотопов, и физико-технические источники (нейтронные и рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц и пр.).

Для радионуклидных источников различают открытые и закрытые источники излучения.

Открытый источник ионизирующего излучения (unsealed source) - при использовании которого возможно поступление содержащихся в нём радиоактивных веществ в окружающую среду.

Закрытый источник ионизирующего излучения (sealed source) - в котором радиоактивный материал заключён в оболочку (ампула или защитное покрытие), предотвращающую контакт персонала с радиоактивным материалом и его поступление в окружающую среду свыше допустимых уровней в условиях применения и износа, на которые он рассчитан.

По видам излучения выделяют источники гамма-излучения, источники заряженных частиц и источники нейтронов. Для радионуклидных источников такое разделение не является абсолютным, т.к. при ядерных реакциях, индуцирующих излучение, основной вид излучения источника может сопровождаться существенным вкладом сопутствующих видов излучения.

По назначению выделяют калибровочные (образцовые), контрольные (рабочие) и промышленные (технологические) источники.

Промышленные источники излучения применяют в различных производственных процессах и установках производственного назначения (ядерные методы каротажа, бесконтактные методы контроля технологических процессов, методы анализа вещества, дефектоскопия и т.п.).

Контрольные источники используются для проверки и настройки ядерно-физических приборов и установок (спектрометров, радиометров, дозиметров и пр.) путем контроля за стабильностью и повторяемостью показаний приборов в определенной геометрии положения источника относительно детектора излучения.

Калибровочные источники используются при калибровке и метрологической поверке ядерно-физической аппаратуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Корпускулярное  ионизирующее излучение

 

 

 В настоящее время  известно около 40 естественных и  более 200 искусственных а-активных  ядер. а-распад характерен для  тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.. а-частицы, выбрасываемые  веществами активных элементов  представляют собой положительно  заряженные ионы гелия, скорость  движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости  а -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути а -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа.

Способность а -частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона.

Первый трековый детектор заряженных частиц изобретен Ч. Вильсоном в 1912 году. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы.

Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении, удерживают их на своих орбитах и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения а – частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство а-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда а -частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние а -частиц положило начало ядерной теории атома.

β-излучение – это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), которые выпускаются при β-распаде радиоактивных изотопов. Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего первоначального направления. Поэтому путь, проходимый β-частицей в веществе, представляет собой не прямую линию, как у a-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические β-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм, однако ионизирующая способность их меньше, чем у а-частиц.

Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длинной волны и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией hv (v – частота излучения, h – постоянная Планка). Гамма- излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или основное. Энергия γ-кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход.

Испускание ядром γ-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. γ-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии, и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в поле атомных ядер вещества.

 Тормозное гамма -излучение, также как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв.

 В межзвездном пространстве  гамма-излучение может возникать  в результате соударений квантов  более мягкого длинноволнового, электромагнитного излучения, например  света, с электронами, ускоренными  магнитными полями космических  объектов. При этом быстрый электрон  передает свою энергию электромагнитному  излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Таким образом, можно па практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщины вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (Комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон.

При фотоэффекте происходит поглощение γ-кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения.

 Таким образом, фотоэффект  преобладает в области малых  энергии γ-квантов ( <100 кэв ). При эффекте Комптона происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при эффекте Комптона γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате эффекта Комптона становится более широким, а само излучение более мягким (длинноволновым).

 Интенсивность комптоновского  рассеяния пропорциональна числу  электронов в 1см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышающих энергию связи электронов в атомах. Если энергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер

 

 

 

 

 

 

3 Технические характеристики источников излучения

 

1. Вид излучения (для радионуклидных – основной по назначению).

2. Геометрия источника (форма  и размеры). Геометрически источники  могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники могут  быть линейными, поверхностными  или объемными.

3. Активность (количество  распадов в единицу времени) и  ее распределение по источнику  для радионуклидных источников. Мощность или плотность потока излучения для физико-технических источников.

4. Энергетический состав. Энергетический спектр источников  может быть моноэнергетическим (испускаются  частицы одной фиксированной  энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические  частицы нескольких энергий) или  непрерывным (испускаются частицы  разных энергий в пределах  некоторого энергетического диапазона).

5. Угловое распределение  излучения. Среди многообразия угловых  распределений излучений источников  для решения большинства практических  задач обычно задаются изотропное, косинусоидальное или мононаправленное.

Приборы, предназначенные для обнаружения и измерения радиоактивных излучений, называются дозиметрическими. Их основными элементами являются воспринимающее устройство, усилитель ионизационного тока, измерительный прибор, преобразователь напряжения, источник тока.

ГОСТ Р 51873-2002 – Источники ионизирующего излучения радионуклидные закрытые. Общие технические требования. Введен в действие в 2003 г. Стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений. Не распространяется на образцовые и контрольные источники, а также на источники, активность радионуклидов в которых не превышает минимально значимой, установленной «Нормами радиационной безопасности».

Согласно стандарту источники должны быть герметичными, с установленными классами прочности, допустимых климатических и механических воздействий по ГОСТ 25926 (но не ниже диапазона от -50 до +50оС и влажности не менее 98% при +40оС). Срок службы источника должен быть не менее:

— двух периодов полураспада - для источников с периодом полураспада менее 0,5 года;

— одного периода полураспада (но не менее 1 года) - с периодом полураспада от 0,5 до 5 лет;

— 5 лет - для источников гамма- и нейтронного излучений с периодом полураспада 5 и более лет. Для источников альфа-, бета- и рентгеновского излучений с периодом полураспада 5 и более лет срок службы устанавливают в нормативном документе на конкретный тип источника.

Источники относятся к невосстанавливаемым промышленным изделиям и не подлежат ремонту. При сохранении радиационных параметров в пределах, удовлетворяющих пользователя, сохранении герметичности и отсутствии дефектов допускается продление срока эксплуатации источника. Порядок продления устанавливают органы государственного управления использованием атомной энергией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Единицы измерения радиоактивности и доз облучения.

 

Мерой радиоактивности радионуклида является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Несистемная единица - Кюри (Ки), активность 1 г радия (Ra). 1 Кюри = 3.7*1010 Бк.

Доза ионизирующего излучения (radiation dose) - количество энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается некоторой средой за определенный промежуток времени.

Поглощённая доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр) = 1 джоуль на килограмм (Дж/кг).

Поглощённая доза различных видов излучения вызывает в единице массы биологической ткани различное биологическое действие. Эквивалентная доза равна произведению поглощённой дозы на средний коэффициент качества излучения по сравнению с гамма-излучением. Значения коэффициента: рентгеновское излучение, электроны, позитроны, бета-излучение -1, нейтроны тепловые – 3, протоны, нейтроны быстрые – 10, альфа-частицы и ядра отдачи – 20. В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв) - доза любого излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический вред, как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Внесистемная единица - бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Экспозиционная доза (Дэксп) служит для характеристики фотонного излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе излучения, при которой в 1 кг атмосферного воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл). Дэксп = Кл/кг. Внесистемная единица - рентген (Р). 1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Основные радионуклиды мониторинга среды.

 

 Ниже в таблице приведены краткие данные по ядерно-физическим характеристикам радионуклидов, содержание которых в окружающей среде, в строительных материалах, в рабочих и бытовых помещениях и, особенно, в пищевых продуктах сельского хозяйства может быть значимым по радиационной опасности для здоровья человека.

Нуклид	Название	Период полураспада	Гамма- кванты, МэВ	Бета-частицы Emax, МэВ
40К 226Ra Þ 206Pb 232Th Þ 208Pb	Калий-40 Ряд урана Ряд тория	1.3 109 год 1620 год 1.4 1010 год	1.461 Много, до 2.45 Много, до 2.62	Много, до 3 Много, до 3	Естественные нуклиды
137Cs 90Sr + 90Y	Цезий-137 Стронций-Иттрий	30 год 30 год, 3 сут.	0.662 -	1.17 0.55, 2.29	Техногенные
131I 144Ce + 144Pr 106Ru + 106Rh	Йод-131 Церий-Празеодим Рутений-Родий	8 суток 285 сут, 17 мин. 372 сут, 30 сек.	0.365 0.133 0.512, 0.622	0.606 0.318, 3 0.04, 3.5	Продукты аварий АЭС

 

 Особого внимания заслуживает Радон-222, продукт распада Ra-226.

 Он является инертным  газом, и выделяется из любых  сред и объектов (почвы, строительные  материалы и пр.), которые практически  всегда содержат уран и продукты  его распада. Средняя концентрация  радона на уровне земли вне  помещений составляет 8 Бк/м3 . Период полураспада радона составляет 3.824 суток, и он может накапливаться в закрытых и плохо вентилируемых помещениях.

Основную часть облучения население Земли получает от естественных источников радиации. Это природные радионуклиды и космические лучи. Полная доза, обусловленная естественными источниками радиации, составляет в среднем около 2,4 мЗв в год.

Любой источник излучения характеризуется:

     - Видом излучения  – основное внимание уделяется  наиболее часто встречающимся  на практике источникам g-излучения, нейтронов, a-, b+-, b--частиц.

       - Геометрией  источника (формой и размерами) –  геометрически источники могут  быть точечными и протяженными. Протяженные источники представляют  суперпозицию точечных источников  и могут быть линейными, поверхностными  или объемными с ограниченными  или бесконечными размерами. Физически  точечным можно считать такой  источник, максимальные размеры  которого много меньше расстояния  до точки детектирования и  длины свободного пробега в  материале источника. Поверхностные  источники имеют толщину много  меньшую, чем расстояние до точки  детектирования и длина свободного  пробега в материале источника. В объемном источнике излучатели  распределены в трехмерной области  пространства.

     - Мощностью  и ее распределением по источнику  – источники излучения наиболее  часто распределяются по протяженному  излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по закону косинуса.

      - Энергетическим  составом – энергетический спектр  источников может быть моноэнергетическим (испускаются частицы одной фиксированной  энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические  частицы нескольких энергий) или  непрерывным (испускаются частицы  разных энергий в пределах  некоторого энергетического диапазона).

- Угловым распределением  излучения – среди многообразия  угловых распределений излучений  источников для решения большинства  практических задач достаточно  рассматривать следующие: изотропное, косинусное, направленное. Иногда встречаются  угловые распределения, которые  можно записать в виде комбинаций  изотропных и косинусных угловых  распределений излучений.