Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Як тільки були відкриті іонізуючі випромінювання та їх шкідливий вплив на живі організми, з'явилася необхідність контролювати опромінення цими випромінюваннями людини. Кожна людина повинна знати про небезпеку радіації і вміти захищатися від неї.

Дозиметрія іонізуючих випромінювань розглядає властивості іонізуючих випромінювань, фізичні величини, що характеризують поле випромінювання або взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи і методи їх визначення.

Дозиметрія має справу з такими фізичними величинами, які пов'язані з очікуваним радіаційним ефектом. Ці величини звичайно називають дозиметричними.

Встановлений зв'язок між вимірюваної фізичної величиною і очікуваним радіаційним ефектом - найважливіша властивість дозиметричних величин. Поза цим зв'язком дозиметричні вимірювання втрачають сенс.

Першопричиною радіаційних ефектів є поглинання енергії іонізуючих випромінювань опромінюваним об'єктом, і доза як міра поглиненої енергії виявляється основною дозиметричної величиною.

Метою виконання кваліфікаційної роботи є визначення дози випромінювання в різних середовищах і особливо в тканинах живого організму. Для цієї мети використовують різні розрахункові та експериментальні методи.

Кількісне визначення дози випромінювання, що діє на живий організм, необхідно, насамперед, для виявлення, оцінки та попередження можливої ??радіаційної небезпеки для людини. Якщо лікарі-гігієністи і радіобіологи повинні відповісти на питання, які гранично допустимі з точки зору біологічної небезпеки рівні випромінювання, то дозиметристи повинні забезпечити правильне вимірювання (визначення) цих рівнів. Розвиток дозиметрії спочатку повністю визначалося необхідністю захисту людини від шкідливого впливу іонізуючих випромінювань. Незабаром після відкриття рентгенівського випромінювання (1895 р.) було виявлено його шкідливу дію на людину, і виникла необхідність у кількісній оцінці ступеня радіаційної небезпеки.

Об'єкт дослідження: засоби виміру іонізуючого випромінювання.

Предмет дослідження: мікропроцесорний лічильник Гейгера-Мюллера для виміру іонізуючих випромінювань.

Актуальність даної роботи:

В сучасній медицині широко використовується іонізуюче випромінювання. Найчастіше для знищення ракових пухлин. Крім того збільшується кількість ядерних електростанцій, що збільшує небезпеку радіоактивного забруднення та радіо ураження людей. Ці фактори визначають актуальність наявності засобів оперативних контактів інтенсивності іонізуючого випромінювання.

Основні задачі:

- Огляд існуючих засобів вимірювання іонізуючого випромінювання.

- Порівняння їх технічних та експлуатаційних характеристик.

- Вибір найбільш раціонального засоба для включення в комплекс моніторингу параметрів зовнішнього середовища в ЧДУ ім. Петра Могили.

РОЗДІЛ 1. ДОЗИМЕТРІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ.

1.1 Будова рентгенівської трубки

Тормозне рентгенівське випромінювання.

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка , яка представляє собою двох - електродний ваккумний прилад (рис. 1.1.а ). Підігрівний катод 1 випускає електрони 4. Анод 2, званий часто антикатоді, має похилу поверхню, для того щоб направити виникає рентгенівське випромінювання 3 під кутом до осі трубки. Анод виготовлений з добре теплопрово - дящого матеріалу для відводу теплоти, що утворюється при ударі електронів. Поверхня анода виконана з тугоплавких матеріалів, що мають великий порядковий номер атома в таблиці Менделєєва, наприклад з вольфраму.

В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою або маслом. Для діагностичних трубок важлива точечность джерела рентгенівських променів, чого можна досягти, фокусуючи електрони в одному місці антикатода. Тому конструктивно доводиться враховувати дві протилежні завдання: з одного боку, електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допустити перегріву, бажано розподіл електронів по різних дільницях анода. В якості одного з цікавих технічних рішень є рентгенівська трубка з обертовим анодом (рис. 1.1. б ).

У результаті гальмування електрона (чи іншої зарядженої частки) електростатичним полем атомного ядра і атомарних електронів речовини антикатода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Механізм його можна пояснити наступним чином. З рухомим електричним зарядом пов'язано магнітне поле, індукція якого залежить від швидкості електрона . При гальмуванні зменшується магнітна індукція і у відповідності з теорією Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.



а) б)

Рис.1.1 Рентгенівська трубка:а) двох - електродний ваккумний прилад; б) рентгенівська трубка з обертовим анодом

При гальмуванні електронів лише частина енергії йде на створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається на нагрівання анода. Оскільки співвідношення між цими частинами випадково, то при гальмуванні великої кількості електронів утворюється безперервний спектр рентгенівського випромінювання. У зв'язку з цим гальмівне випромінювання називають ще суцільним.

На рис. 1.2 представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі ? (спектри) при різних напружених в рентгенівській трубці: U1 <U2 <U3.

У кожному зі спектрів найбільш короткохвильове гальмівне випромінювання ???? виникає тоді, коли енергія, придбана електроном в прискорюючому полі, повністю переходить в енергію фотона.

Зауважимо, що на основі (рис.1.1.б) розроблений один з найбільш точних способів експериментального визначення постійної Планка.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай володіє більшою проникаючою здатністю, ніж довгохвильове, і називається жорстким, а довгохвильове - м'яким .

Збільшуючи напруга на рентгенівській трубці, змінюють спектральний склад випромінювання, як це видно з рис. 1.2 , і збільшують жорсткість.

Якщо збільшити температуру розжарення катода, то зростуть емісія електронів і сила струму в трубці. Це призведе до збільшення числа фотонів рентгенівського випромінювання , що випускаються кожну секунду. Спектральний склад його не зміниться. На рис. 1.3(а) показані спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при одній напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / Н1 </ н2 .

Рис. 1.2.Залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі ? (спектри) при різних напружених в рентгенівській трубці.

Потік рентгенівського випромінювання обчислюється за формулою:

Ф = k *I* U2* Z

де U і I - напруга і сила струму в рентгенівській трубці; Z - порядковий номер атома речовини анода; k - коефіцієнт пропорційності. Спектри, отримані від різних антикатоди при однакових U і IH, зображені на рис. 1.3.(б).

а) б)

Рис.1.3 Спектри гальмівного рентгенівського випромінювання: а) при одній напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / Н1 </ н2 ; б) Спектри, отримані від різних антикатоди при однакових U і IH.

1.2 Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів і молекул речовини.

Залежно від співвідношення енергії hv фотона і енергії іонізації 1 Аі мають місце три головних процеса.

Когерентне (класичне) розсіювання.

Розсіювання довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається в основному без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним. Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації : hv < Аі .

Так як в цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання і атома не змінюється, то когерентне розсіяння саме по собі не викликає біологічної дії. Однак при створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напрямку первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення для рентгеноструктурного аналізу.

Некогерентного розсіяння (ефект Комптона).

У 1922 р. А.Х. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка в порівнянні з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більше, ніж падаючого. Розсіювання рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називають некогерентним, а саме явище - ефектом Комптона. Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: hv > Аі .

Це явище обумовлене тим, що при взаємодії з атомом енергія hv фотона витрачається на освіту нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією hv , на відрив електрона від атома (енергія іонізації Аі) і повідомлення електрону кінетичної енергії Ек: hv = hv '+ Аі + Ек. Тут під енергією іонізації розуміють енергію, необхідну для видалення внутрішніх електронів за межі атома або молекули .

Так як у багатьох випадках hv >> Аі і ефект Комптона відбувається на вільних електронах , то можна записати наближено: hv = hv '+ EK .

Істотно, що в цьому явищі поряд з вторинним рентгенівським випромінюванням (енергія hv ' фотона) з'являються електрони віддачі ( кінетична енергія Ек електрона). Атоми або молекули при цьому стають іонами.

Фотоефект.

При фотоефекті рентгенівське випромінювання поглинається атомом, в результаті чого вилітає електрон, а атом іонізується (фотоіонізації ) .

Три основних процеса взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступним вторинним, третинним і т.д. явищам. Так, наприклад, іонізовані атоми можуть випромінювати характеристичний спектр, збуджені атоми можуть стати джерелами видимого світла ( Рентгенолюмінесценція ) і т.п.

Наводиться схема можливих процесів, що виникають при попаданні рентгенівського випромінювання в речовину. Може відбуватися кілька десятків процесів, подібних зображеному, перш ніж енергія рентгенівського фотона перейде в енергію молекулярно- теплового руху. У підсумку відбудуться зміни молекулярного складу речовини.

Процес, лежать в основі явищ, які спостерігаються при дії рентгенівського випромінювання на речовину. Перерахуємо деякі з них.

Рентгенолюмінесценція - світіння ряду речовин при рентгенівському опроміненні. Таке світіння платіносінеродістим барію дозволило Рентгену відкрити промені. Це явище використовують для створення спеціальних світних екранів з метою візуального спостереження рентгенівського випромінювання, іноді для посилення дії рентгенівських променів на фотопластинку.

Відомо хімічна дія рентгенівського випромінювання, наприклад утворення перекису водню у воді. Практично важливий приклад - вплив на фотопластинку , що дозволяє фіксувати такі промені.

Іонізуюча дія проявляється у збільшенні електропровідності під впливом рентгенівських променів. Це властивість використовують в дозиметрії для кількісної оцінки дії цього виду випромінювання.

У результаті багатьох процесів первинний пучок рентгенівського випромінювання послаблюється відповідно до закону . Запишемо його у вигляді:

I = I0 е-/ "

де ? - лінійний коефіцієнт ослаблення.

Його можна уявити що складається з трьох доданків, відповідних когерентному розсіюванню ??, некогерентного ??? і фотоефекту ?ф:

? = ?к + ?hk + ?ф

Інтенсивність рентгенівського випромінювання послаблюється пропорційно числу атомів речовини, через який цей потік проходить.

1.3 Фізичні основи застосування рентгенівського випромінювання в медицині

Одне з найбільш важливих медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою (рентгенодіагностика).

Для діагностики використовують фотони з енергією порядку 60-120 кеВ .При цій енергії масовий коефіцієнт ослаблення в основному визначається фотоефектом. Його значення обернено пропорційно третього ступеня енергії фотона (пропорціонально ?3), в чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання, і пропорційно третього ступеня атомного номера речовини - поглинача.

Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє в тіньовій проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.

Рентгенодіагностику використовують у двох варіантах: рентгеноскопія зображення розглядають на рентгенолюмінесцірующем екрані, рентгенографія - зображення фіксується на фотоплівці.

Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, то застосовують спеціальні контрастні речовини.

Так, наприклад, наповнивши шлунок і кишечник кашоподібної масою сульфату барію, можна бачити їх тіньове зображення.

Яскравість зображення на екрані і час експозиції на фотоплівці залежать від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо його використовують для діагностики, то інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків.

Тому є ряд технічних пристосувань, поліпшують зображення при малих інтенсивностях рентгенівського випромінювання.

Як приклад такого пристосування можна вказати електронно -оптичні перетворювачі. При масовому обстеженні населення широко використовується варіант рентгенографії - флюорографія, при якій на чутливій малоформатної плівці фіксується зображення з великого рентгенолюмінесцірующего екрана. При зйомці використовують лінзу великий світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Цікавим і перспективним варіантом рентгенографії є метод, званий рентгенівської томографією, і його «машинний варіант» - комп'ютерна томографія.

Розглянемо це питання. Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи і тканини затінюють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно в протифазі переміщати рентгенівську трубку ГТВ фотоплівку Фп щодо об'єкта.

Про дослідження.

У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружечками на малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1 , 2 і т.д.) проходять че-рез одну і ту ж точку об'єкта, що є центром, щодо якого вчиняється періодичне рух РТ і Фп .

Ця точка, точніше невелике непрозоре включення, показана темним гуртком . Його тіньове зображення переміщається разом з Фп, займаючи послідовно положення 1 , 2 і т.д. Решта включення в тілі (кістки, ущільнення та ін ) створюють на Фп деякий загальний фон, так як рентгенівські промені не постійно затіняються ними.

Змінюючи положення центру гойдання, можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла.

Звідси й назва - томографія.

Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, екран (замість Ф), що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання, і ЕО, обробити тіньове рентгенівське зображення при томографії.

Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна або комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати пошарові зображення тіла на екрані електронно - променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм при відмінності поглинання рентгенівського випромінювання до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіру і білу речовину мозку і бачити дуже маленькі пухлинні утворення.

Висновки

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка. Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів і молекул речовини.

Одне з найбільш важливих медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою (рентгенодіагностика). В даному розділі було розглянуто взаємодію рентгенівського випромінювання з речовиною та фізичні основи застосування рентгенівського випромінювання в медицині.

РОЗДІЛ 2. ІОНІЗУЮЧЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

рентгенівський трубка біофізичний організм

2.1 Радіоактивність

Радіоактивністю називають мимовільний розпад нестійких ядер з випусканням інших ядер або елементарних частинок. Характерною ознакою, що відрізняє її від інших видів ядерних перетворень, є мимовільність ( спонтанність ) цього процесу. Розрізняють радіоактивність природну і штучну.

Природна радіоактивність зустрічається у нестійких ядер, існуючих в природних умовах.

Штучну називають радіоактивність ядер, утворених в результаті різних особистих ядерних реакцій. Принципової різниці між ними немає. Їм притаманні загальні закономірності .

Розглянемо основні типи радіоактивного розпаду .

Альфа - розпад полягає в мимовільному перетворенні одного ядра в інше ядро з випусканням а- частинки (ядра ато ма гелію 2Не ). Схему альфа- розпаду з урахуванням правила зміщення ( закону збереження зарядового і масового чисел) записують у вигляді Iа, ( 27.1 )де X і У- символи відповідно материнського і дочірнього ядер.

Прикладом а- розпаду є перетворення радону в полоній, а полонію в свинець : 222Кп 2 | | Ро + і 2 | | Ро 21 | РЬ + | а .

Сумарна маса дочірнього ядра і а- частинки менше маси материнського ядра, те ж можна сказати щодо їх енергій спокою. Різниця цих енергій дорівнює кінетичної енергії а- частинці та дочірнього ядра. При а- розпаді дочірнє, ядро може утворитися не тільки в нормальному, але і в збуджених станах. Так як вони приймають дискретні значення, то і значення енергії а- частинок, що вилітають з різних ядер одного і того ж радіоактивної речовини , дискретно. Енергія збудження дочірнього ядра найчастіше виділяється у вигляді у- фотонів. Саме тому а- розпад супроводжується у- випромінюванням. Якщо дочірні ядра радіоактивні, то виникає цілий ланцюг перетворень, кінцем якої є стабільне ядро.

Бета- розпад полягає у внутрішньоядерних взаємних перетворювань нейтрона і протона. Розрізняють три види р- розпаду:

1.Електронний , або Р' - розпад , який проявляється в вильоті з ядра Р " -частинки (електрона). Енергії р- частинок приймають всілякі значення від 0 до Емах , спектр енергій суцільний . Це не відповідає дискретним ядерної енергетичному стану.

2. Позитронний, або р ^-розпад.

3. Електронний, або е-захват. Цей вид радіоактивності полягає у захопленні ядром одного з внутрішніх електронів атома, в результаті чого протон ядра перетворюється в нейтрон.

При електронному захопленні звільняються місця в електронній оболонкі, тому цей вид радіоактивності супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Саме з рентгенівського випромінювання і був виявлений електронний захват. При р-розпаді можливе виникнення у-випромінювання.

?-розпад.Гамма промені- це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

2.2 Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Заряджені частинки і ?-фотони, розповсюджуючись в речовині, взаємодіють з електронами і ядрами, внаслідок чого змінюється стан як речовини, так і часток.

Основним механізмом втрат енергії зарядженої частинки (? і ?) при проходженні через речовину є іонізаційні гальмування. При цьому її кінетична енергія витрачається на збудження і іонізацію атомів середовища.

Взаємодія частинки з речовиною кількісно оцінюється лінійної щільністю іонізації, лінійної гальмівної здатністю речовини і середнім лінійним пробігом частинки.

Під лінійної щільністю іонізації i розуміють відношення числа dn пар іонів, утворених зарядженої іонізуючої часткою на елементарному шляху dl, до цього шляху: i = dn / dl. Розмірність - пар іонів / м.

Лінійною гальмівною здатністю речовини S називають відношення енергії dE, що втрачається зарядженої іонізуючої часткою при проходженні елементарного шляху dl в речовині, до довжини цього шляху: S = dE / dl. Розмірність-Дж/м. Середнім лінійним пробігом зарядженої іонізуючої частки R є середнє значення відстані, яку проходить частка в даній речовині до втрати іонізуючої здібності.

Графік залежності лінійної щільності іонізації від шляху х, прохідного ?-часткою в середовищі (повітря), показаний на рис. 2.1. У міру просування частки в середовищі зменшуються її енергія і швидкість, лінійна щільність іонізації при цьому зростає і тільки при завершенні пробігу частинки різко убуває. Зростання i обумовлено тим, що при меншій швидкості ?-частинка більше часу проводить поблизу атома і, таким чином, зростає ймовірність іонізації атома. Як видно з малюнка, лінійна щільність іонізації ?-частинок природно-радіоактивних ізотопів в повітрі при нормальному тиску становить i = (2-г 8) 106 пар іонів / м.

Так як для іонізації однієї молекули потрібна енергія близько 34 еВ, то значення лінійної гальмівної здатності речовини (повітря) в інтервалі 70-270 МеВ / м.

Середній лінійний пробіг ?-частинки залежить від її енергії. У повітрі він дорівнює кільком сантиметрам, в рідинах і в живому організмі - 10-100 мкм. Після того як швидкість ?-частинки сповільнюється до швидкості молекулярно-теплового руху, вона, захопивши два електрона в речовині, перетворюється в атом гелію. Іонізація і збудження є первинними процесами.

Рис.2.1 Графік залежності лінійної щільності іонізації від шляху х, прохідного ?-часткою в середовищі (повітря)

Вториними процесами можуть бути збільшення швидкості молекулярно-теплового руху, характеристичне рентгенівське випромінювання, радіолюмінесценція, хімічні процеси.

Взаємодія ?-частинок з ядрами - значно більш рідкісний процес, ніж іонізація. При цьому можливі ядерні реакції, а також розсіювання ?-частинок.

?-випромінювання, так само як і ?-випромінювання, викликає іонізацію речовини.

Крім іонізації і збудження ?-частинки можуть викликати і інші процеси. Так, наприклад, при гальмуванні електронів виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. ?-Частинки розсіюються на електронах речовини, і їхні шляхи сильно викривляються в ньому. Якщо електрон рухається в середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість поширення світла в цьому середовищі, то виникає характерне черепковское випромінювання (випромінювання Черепкова-Вавилова).

При попаданні ? +-частинки в речовину з великою ймовірністю відбувається така взаємодія її з електроном, в результаті якого замість пари електрон-позитрон утворюються два ?-фотона. Цей процес, схема якого показана на рис. 2.2, називають анігіляцією. Енергія кожного ?-фотона, що виникає при анігіляції, повинна бути не менше енергії спокою електрона або позитрона, тобто не менше 0,51 МеВ.

Незважаючи на різноманітність процесів, що призводять до ослаблення ?-випромінювання, можна наближено вважати, що інтенсивність його змінюється за експоненціальним законом.

В якості однієї з характеристик поглинання ?-випромінювання речовиною використовують шар половинного поглинання, при проходженні через який інтенсивність випромінювання зменшується вдвічі.Можна вважати, що в тканини організму ?-частинки проникають на глибину 10-15 мм. Захистом від ?-випромінювання служать тонкі алюмінієві, плексигласові та інші екрани.

Рис.2.2 ?-випромінювання. Процес анігіляції

Так, наприклад, шар алюмінію товщиною 0,4 мм або води товщиною 1,1 мм зменшує вдвічі ?-випромінювання від фосфору 15Р.

При попаданні ?-випромінювання в речовину поряд з процесами, характерними для рентгенівського випромінювання (когерентне розсіювання, ефект Комптона, фотоефект), виникають і такі, які неспецифічні для взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. До цих процесів слід віднести виникнення пари електрон-позитрон, що відбувається при енергії ?-фотона, не меншою сумарної енергії спокою електрона і позитрона (1,02 МеВ), і фотоядерні реакції, які виникають при взаємодії ?-фотонів великих енергій з атомними ядрами. Для виникнення Фотоядерні реакції необхідно, щоб енергія ?-фотона була не меншою енергії зв'язку, що припадає на нуклон. В результаті різних процесів під дією ?-випромінювання утворюються заряджені частинки; отже, ?-випромінювання також є іонізуючим.

Ослаблення пучка ?-випромінювання в речовині зазвичай описують експоненціальним законом . Лінійний (або масовий) коефіцієнт поглинання можна представити як суму відповідних коефіцієнтів поглинання, що враховують три основних процеси взаємодії - фотоефект, Комптон-ефект і виникнення електрон-позитронного пар.

2.3 Біофізичні основи дії іонізуючого випромінювання на організм

Розглядаючи первинні фізико-хімічні процеси в організмі при дії іонізуючих випромінювань, слід враховувати дві принципово різні можливості взаємодії: з молекулами води і з молекулами органічних сполук. Під дією іонізуючих випромінювань відбуваються хімічні перетворення речовини, що отримали назву радіолізу. Вкажемо можливі механізми радіолізу води:



Реакція з киснем може призвести до утворення гидроперекису і перекису водню:

Взаємодія молекул органічних сполук з іонізірующіми випромінюваннями може утворити збуджені молекули, іони, радікалій і перекису:

З наведених реакцій ясно, що ці високоактивні в хімічному відношенні сполуки будуть взаємодіяти з іншими молекулами біологічної системи, що призведе до порушення мембран, клітин і функцій всього організму.

Розглянемо деякі загальні закономірності, характерні для біологічної дії іонізуючого випромінювання.

Значні біологічні порушення викликаються мізерно малими кількостями поглинається енергії випромінювання.

Іонізуюче випромінювання діє не тільки на біологічний об'єкт, підданий опромінення, але й на наступні покоління через спадковий апарат клітин. Ця обставина, а також його умовне прогнозування особливо гостро ставлять питання про захист організмів від випромінювання.

Для біологічної дії іонізуючого випромінювання специфічний прихований (латентний) період. Різні частини клітин по-різному чутливі до однієї і тієї ж дозі іонізуючого випромінювання. Найбільш чутливим до дії випромінювання є ядро ??клітини.

Здатність до поділу - найбільш уразлива функція клітини, тому при опроміненні насамперед вражаються зростаючі тканини. Це робить іонізуюче випромінювання особливо небезпечним для дитячого організму, включаючи період, коли він знаходиться в утробі матері. Згубно діє випромінювання і на тканині дорослого організму, в яких відбувається постійний або періодичний поділ клітин: слизову оболонку шлунка і кишечника, кровотворну тканину, статеві клітини і т.д. Дії іонізуючого випромінювання на швидкорослі тканини використовують також при терапевтичному впливі на тканини пухлини.

При великих дозах може настати «смерть під променем», при менших - виникають різні захворювання (променева хвороба тощо).

2.4 Детектори іонізуючих випромінень

Детекторами іонізуючих випромінювань називають прилади, що реєструють ?-, ?-рентгенівське і ?-випромінювання, нейтрони, протони і т.д. Детектори використовують також для вимірювання енергії частинок, вивчення процесів взаємодії, розпаду і т.п.

Робота детекторів заснована на тих процесах, які викликають реєстровані частки в речовині.

З деякою умовністю детектори можуть бути представлені трьома групами: слідові (трекові) детектори, лічильники та інтегральні прилади.

Слідові детектори дозволяють спостерігати траєкторію частинки, лічильники реєструють появу частинки в заданнном просторі, інтегральні прилади дають інформацію про потік іонізуючого випромінювання. Ще раз відзначимо умовність цієї класифікації. Так, наприклад, слідові детектори можна використовувати, щоб порахувати пролітають частинки, від «поштучної» реєстрації часток лічильником можна перейти до сумарної оцінки потоку іонізуючого випромінювання тощо.

До слідові детекторам відносять камеру Вільсона, дифузійну, бульбашкову, іскрову камери і товстошарові фотопластинки. Спільність всіх цих пристроїв полягає в тому, що спостережувана частка іонізує молекули або атоми речовини на своєму шляху. Освічені іони проявляються по вторинним ефектам: конденсація пересиченої пари (камера Вільсона і дифузійна); пароутворення перегрітої рідини (бульбашкова камера); виникнення розрядів в газах (іскрова камера); фотохімічні дії (товстошарові фотопластинки).

В якості ілюстрації розглянемо лише роботу іскрової камери. Вона складається з електродів, простір між якими заповнено газом. Високовольтна напруга подається на електроди під час проходження частинкою простору камери, сигнал для включення напруги надходить з інших детекторів. Електрони, що виникли уздовж траєкторії частки при іонізації атомів газу, прискорюються електричним полем і виробляють самі ударну іонізацію. В результаті на невеликих ділянках утворюється видимий оком іскровий розряд.

На рис. 2.3 показана схема вузькозазорної іскрової камери. Відстань між електродами, поміщеними в камеру, порядку 1 см. Іскрові розряди виникають перпендикулярно електродів, їх сукупність вказує траєкторію частинки.



На рис. 2.3 Схема вузькозазорної іскрової камери

У стримерній (називають світяться розгалужені канали, що утворюються при електричному розряді в газах)іскровий камері відстань між електродами - 5-20 см. Високовольтна напруга знімається приблизно через 10-5 с після проходження частинки. За цей час іскри зароджуються тільки в безпосередній області первинної іонізації, створеної реєстрованої часткою.

Сліди часток в стримерній іскровій камері зображені на рис. 2.4.

Рис.2.4 Сліди часток в стримерній іскровій камері

До інтегральних детекторам можна віднести фотоплівки (фіксується ступінь почорніння після прояву плівки), іонізаційні камери безперервної дії.

Розглянемо пристрій і роботу іонізаційної камери безперервної дії. Вона являє собою конденсатор К, всередині якого знаходиться газ (рис. 2.5).

Рис.2.5 Пристрій і робота іонізаційної камери безперервної дії

При попаданні випромінювання в газ відбувається іонізація і по ланцюгу протікає електричний струм, який зазвичай підсилюють і вимірюють. Сила струму пропорційна числу іонів, утворених в камері в секунду, і, отже, потоку енергії проходять іонізуючих частинок.

У деяких приладах розрядка конденсатора під дією іонізуючого випромінювання фіксується електрометром.

До лічильників відносять велику групу газорозрядних пристроїв (імпульсні іонізаційні камери, пропорційні лічильники, лічильники Гейгера-Мюллера), а також люмінесцентні, напівпровідникові та ін.

Проаналізуємо залежність імпульсу струму , що виникає при попаданні частинки в газовий проміжок (число іонів, що беруть участь в одному імпульсі), від напруги U на електродах (рис. 2.6; криві відповідають а-і ?-частинкам).



Рис.2.6 Залежність імпульсу струму

Обидві криві можуть бути умовно представлені шістьма областями, для яких характерні різні процеси.

В області I рекомбінації частина іонів рекомбенірує. З ростом напруги число рекомбінуючих іонів зменшується, збільшується число іонів, які досягають електродів. Так як іонізуюча здатність ?-частинок більше, ніж ?-частинок, то криві для них різні.

Область II відповідає насиченню. Усі первинні іони доходять до електродів, але вторинної іонізації ще немає. У цій області працює іонізаційна камера.

В області III починає проявлятися вторинна іонізація, однак імпульс струму при цьому залишається пропорційним початковій іонізації.

Число N пар іонів, присутніх після посилення, пропорційно числу N0 первинних пар іонів, утворених іонізуючої часткою:

N = до N0

де к - коефіцієнт газового посилення (к = 103 - 106). Він залежить від конструкції лічильника і природи використовуваного в ньому газу. Саме в цій області працюють пропорційні лічильники.

Так як N0і, отже, N залежать не тільки від виду частинки, але і від її енергії, то пропорційні лічильники можуть вимірювати і енергію частинок.

Область IV називають областю обмеженою пропорційності. Тут ще проявляється залежність від початкової іонізації, але до значення U4 вона вже пропадає. Значення U4, зване порогом області Гейгера, залежить від конструкції лічильника, а також від тиску і виду газу, використовуваного в ньому. У цій області імпульс струму стає досить великим і при малій початковій іонізації.

В області V працюють лічильники Гейгера-Мюллера. Тут великий коефіцієнт газового посилення, але не можна розрізняти енергії частинок.

В області VI виникає безперервний газовий розряд, який призводить до швидкого псування лічильника.

Області V і VI відповідають самостійного газового розряду, який буде підтримуватися і після припинення іонізуючого дії частинки.

Як приклад газових пристроїв розглянемо лічильник Гейгера-Мюллера, він складається з коаксіально розташованих циліндричних електродів 1 - анод (тонка нитка, натягнута уздовж осі), 2 - катод у вигляді напиляного на скляну трубку 3 металу]. Тиск газу всередині лічильника - 100-200 мм рт.ст.

Рис.2.7 Лічильник Гегера

До електродів прикладається напруга порядку декількох сотень вольт. При попаданні в лічильник іонізуючої частки в газі утворюються вільні електрони, які рухаються до анода. Так як нитка тонка (діаметр близько 0,05 мм), то поблизу нитки електричне поле сильно неоднорідне, напруженість поля велика. Електрони поблизу нитки прискорюються настільки, що починають іонізувати газ. В результаті виникає розряд і по ланцюгу протікає струм.

Самостійний розряд у лічильнику Гейгера-Мюллера необхідно погасити, інакше лічильник не прореагує на наступну частинку. Для гасіння розряду застосовують радіотехнічний метод і метод, заснований на додаванні в трубку багатоатомних газів (самогаситься лічильники).

Найпростішим варіантом першого методу є включення послідовно з лічильником високоомного резистора. При протіканні струму на цьому резисторі відбувається значне падіння напруги, напруга на лічильнику зменшується і розряд припиняється. Більш поширені самогасящі лічильники, в яких завдяки спеціальному газовому наповненню розряд сам собою обривається навіть при малих опорах ланцюга.

Електричні імпульси, що виникають у зовнішній ланцюга на резисторі, підсилюють і реєструють спеціальним пристроєм. На рис. 2.7. показаний зовнішній вигляд установки Б-4, яка працює спільно з лічильником Гейгера-Мюллера.

Рис.2.8 Зовнішній вигляд установки Б-4

Принцип дії сцинтиляційного (люмінесцентного) лічильника заснований на тому, що під дією іонізуючого випромінювання в деяких речовинах відбуваються короткочасні спалахи світла - сцинтиляції. На першому етапі розвитку ядерної фізики сцинтиляції реєструвалися при візуальному спостереженні. У люмінесцентному лічильнику вони реєструються автоматично з використанням фотоелектронного помножувача.

Напівпровідникові лічильники реагують на зміну електропровідності переходу під впливом зарядженої частинки.

Як видно, всі перераховані вище детектори працюють, коли частки виробляють іонізацію в певному обсязі. У зв'язку з цим для реєстрації ?-і ?-частинок стінки лічильників або камер повинні пропускати ці частинки. В окремих випадках для реєстрації ?-випромінювання відповідний джерело поміщається всередину камери, так як важко зробити стінки камери прозорими для цих часток.

Рентгенівське і ?-випромінювання реєструються завдяки іонізації, яку викликають заряджені частинки, утворені при фотоефекті, Комптон-ефекту і т.д.

Лічильники повинні задовольнятися деяким загальним вимогам, таким як ефективність, дозволяючий час і ін.

Ефективністю називають відношення числа зареєстрованих частинок до загального числа частинок, які пролетіли через лічильник. Дозволяючим (або мертвим) часом лічильника називають мінімальний час, який має розділяти наступні один за одним частинки, щоб вони не були злічені як одн

Сучасні детектори іонізуючого випромінювання.

Розглянемо сигналізатор іонізуючого випромінювання "НПС-3"



Рис.2.9 Сигналізатор іонізуючого випромінювання "НПС-3"

Призначений для контролю за радіаційною обстановкою і сигналізації про перевищення допустимого рівня потужності експозиційної дози. Складається з блоку індикації і виносного детектора, які можуть бути рознесені на відстань до 200 метрів. У приладі передбачена можливість автоматичного визначення статистично достовірного порога спрацьовування і безперервної індикації потужності експозиційної дози.

Полонієвая ручка.

Американські інженери,винайшли спеціальну ручку, в яку вмонтований індикатор, що визначає наявність полонію в їжі та напоях.



Рис.2.10. Полонієва ручка

Виглядає Polonium Pen як звичайна ручка в металевому корпусі. Оснащена вона дешевим, але дуже чутливим індикатором радіоактивності. Принцип його дії заснований на реакції іонізації парів їжі зарядженими частинками, стікаючи з радіоактивної речовини.

Датчик реєструє іонізований газ, і на боці ручки запалюється жовта лампочка. Якщо все гаразд, то загоряється зелений індикатор. Як стверджують розробники, Polonium Pen здатна показувати навіть найдрібніші дози радіоактивних речовин. Однак тонкий механізм, стійкий до електроколивання, дуже сприйнятливий до будь яких рідин. Тому, перед тим як засунути ручку в келих з вином, її потрібно протерти спеціальним антикорозійним розчином, а потім вже насолоджуватися вишуканим букетом напою з присмаком хімії. Живеться Polonium Pen від девятивольтової лужної батареї. Поки виготовлено кілька дослідних зразків і вивчається можливість запуску приладу у виробництво.

Науково-виробниче приватне підприємство "Спаринг-Віст Центр" відомо в Україні і в світі як розробник і виробник приладів та систем радіаційного контролю торгової марки "ECOTEST".

За 20 років діяльності в доробку підприємства більше 30 засобів і систем радіаційного контролю торгової марки "ECOTEST", які поділяються на:

- портативні дозиметри (радіометри)* персональні дозиметри

- пошукові дозиметри (радіометри, ідентифікатори)

- прилади для радіаційного (і хімічної) розвідки

- аналізатори

- сигналізатори

- блоки детектування

- інформаційні табло

- автоматизовані системи

- програмне забезпечення

З 2006 року підприємство "Спаринг-Віст Центр" працює в умовах впровадженої та сертифікованої системи управління якістю ISO 9001-2008, яка є гарантією стабільної якості продукції, включаючи процеси розробки приладів, їх виробництва, поставки замовнику, а також гарантійного (18 місяців) і післягарантійного обслуговування.

"Спаринг-Віст Центр" виконує замовлення багатьох міністерств і відомств України, активно співпрацює з приладобудівними та науковими установами.

Продукція ТМ "ECOTEST" експортується в понад 60 країн світу (СНД, Європи, Азії, Африки, Північної та Латинської Америк).Підприємство постійно вдосконалює продукцію ТМ "ECOTEST" і розширює її функціональні можливості згідно з вимогами ринку, впроваджуючи новітні технології і використовуючи сучасні комплектуючі та матеріали.



Рис.2.11. Аналізатором активності ізотопів цезію в продуктах харчування FoodTester-G

Нещодавно підприємства поповнилося новим типом приладу - аналізатором активності ізотопів цезію в продуктах харчування FoodTester-G, призначеним для вимірювання потужності еквівалентної дози гамма-випромінювання, виявлення ізотопів цезію в продуктах харчування та оцінки їх питомої активності. На відміну від схожих приладів FoodTester-G є мобільним, не вимагає спеціальної підготовки користувача, працює в діалоговому режимі, не вимагає спеціальної ємності для проб, вимірює шляхом прикладання до предмету дослідження, не вимагає спеціальної підготовки проб (продукт і упаковка залишаються цілісними), що не вимагає спеціального захисту.

Рис.2.12 Інтелектуальний детектор гамма-випромінювання Gamma Sapiens

Детектор виконаний у вигляді приставки до мобільного пристрою на базі ОС Android, з'єднується з ним по бездротовому каналу і може виконувати роль дозиметра і детектора іонізуючого випромінювання.

Для роботи з мобільним пристроєм використовується стандартне ПЗ, яке розпізнає дозиметр як звичайне зовнішній пристрій Bluetooth, дальність зв'язку при цьому може складати 5 м. У режимі дозиметра прилад передає на смартфон інформацію про накопичену їм дозі іонізуючого випромінювання, в режимі детектора - рівень фону в реальному часу.

Завдяки власному джерела живлення модуль може виконувати функції дозиметра самостійно і передасть накопичені дані на мобільний пристрій при підключенні.

В якості автономного детектора прилад сповістить користувача про небезпечний рівень іонізуючого випромінювання звуковим або світловим сигналами.