Особенности миграции радионуклидов и прогнозирование радиоактивного загрязнения местности 1 страница

      Комментарии к записи Особенности миграции радионуклидов и прогнозирование радиоактивного загрязнения местности 1 страница отключены

Бет а-и злучение

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов Ев 0,5 МэВ (рис. 1.8). Упругое рассеяние бета-частиц на электронах в 2 раз (2 — величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах (рис. 1.9). Возможен в редких случаях и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки (рис. 1.10).

При энергии бета-частиц выше энергии связи электрона и до = 1 МэВ основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов (рис. 1.11).

При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение, при котором возникает тормозное излучение.

Одним из вариантов неупругого взаимодействия является К-захват. Таким образом, процессы взаимодействия бета-частиц со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления их движения в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка бета-частиц уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х, т.е. для бета-частиц справедлива формула (1.38).

Р Рис. 1.11. Ионизация атома бета-частицами (неупругое взаимодействие)

Путь бета-частиц в веществе представляет ломаную линию, а пробег бета-частиц одинаковых энергий имеет значительный разброс. Это связано с тем, что масса бета-частиц крайне мала, поэтому вероятность упругого рассеяния

?ппп « Ш6′ Ч6М У ТЯЖеЛЫХ чаСТИЦ Пробег бета-частиц примерно в 1000 раз больше пробега альфа-частиц в веществе. В таблице 1.2 показана средняя глубина пробега бета-частиц в воздухе, биологической ткани и для примера в алюминии

Таблица 1.2

Пробеги бета-частиц

Максимальная Биологическая
энергия бета- Воздух, см ткань, мм Алюминий,
частиц, Е, МэВ мм
0,01 0,13 0,002 0 0006
0,02 0,52 0,008 0,0026
0,03 1,12 0,018 0,0056
0.04 1,94 0,030 0,0096
0,05 2,91 0,046 0,0144
0,06 4,03 0,063 0.0200
0.07 5,29 0,083 0,0263
0,08 6,93 0,109 0,0344
0,09 8,20 0,129 0,0407
0,1 10,1 0,158 0,050
0,5 1,87 0,593
1,0 4,80 1 52
1,5 7,80 2,47
2,0 11,1 3,51
2,5 14,3 4,52
3,0 17,4 5,50
5,0 29,8 9,42
60,8 19,2

Примечание. Наиболее распространены радионуклиды, излучающие бета-частицы с энергией от нескольких десятков килоэлектронвольт

Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бета-частиц пользуются приближенными формулами.

Одна из них: К /К =р /р , (1.44)

Ср ВОЗД Г ВОЗД ^Ср’ 1 ‘

где Кср — длина пробега в среде; Квмд — длина пробега в воздухе, Квозд = 450 Ер; рвозд и рср — плотность воздуха и среды соответственно; Ер — энергия бета-частиц.

Альфа-излучение

Энергия альфа-частиц находится в пределах 4-10 МэВ, скорость примерно 20 000 км/с. Имея большую массу и значительную энергию, они ее расходуют в основном на неупругое рассеяние на электронах атомов. Таким образом, альфа-частицы обладают большой ионизирующей способностью. В редких случаях альфа-частица может проникнуть в ядро и вызвать ядерную реакцию. Полная ионизация, создаваемая альфа-частицами на всем пути в среде, составляет примерно 120-150 тысяч пар ионов. Удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тысяч пар ионов на 1 см пути в воздухе. Удельная ионизация увеличивается к концу пробега альфа-частиц Это связано с тем, что при прохождении через вещество энергия альфа-частицы, а значит, и ее скорость уменьшаются. В результате увеличивается вероятность ее взаимодействия с электронами атома. Это приводит к увеличению ионизации вещества, достигая максимума в конце пробега.

Альфа-частицы, имея двойной электрический заряд и большую массу, буквально «продираются» через атомы вещества. Вследствие сильных потерь энергии альфа-частицы проникают на незначительную глубину.

В отличие от фотонов и бета-частиц длина пробега альфа-частиц экспоненциальному закону не подчиняется. Поэтому пользуются империче-скими формулами. Так, например, для воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 Па) длина пробега альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть рассчитана по формуле Гейгера:

К = Е 2/3 /3, (см). П-45)

Длина пробега Ка альфа-частиц в воздухе при температуре 15°С и дав-пении 0,1 Па определяется по формулам:

Ра= 0,318 Евм , (см) — если Еа = (4-7) МэВ; (146)

Ро = 0,56 Е™ , (см) — есл и Еа4 МэВ, (1 А1)

где Еа — энергия альфа-частиц.

Пробег альфа-частиц в веществе, отличном от воздуха определяют по формуле Брегга:

Ра=10^(МЕо3)1/2/р. см,

где М — атомная масса; р — плотность вещества, г/см3.

В таблице 1.3 показана длина пробега альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии. Алюминий взят в качестве примера, так как именно металлы чаще всего применяются для защиты человека и электронных схем от ионизирующих излучений.

Энергия альфа-частиц Е„, МэВ Воздух, см Биологическая ткань, мкм Алюминий, мкм
4,0 2,5
4,5 3,0
5,0 3,5
6,0 4,6
7,0 5,9
8,0 7,4
9,0 8,9 ПО
10,6
Таблица 1 3Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии

Нейтронное излучение

Нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов. При облучении ядер атомов вещества нейтронами их энергия расходуется на: упругое рассеяние, неупругое поглощение ядрами вещества, деление тяжелых ядер.

Таким образом, нейтронный поток обладает способностью косвенной ионизации вещества при определенных значениях энергии, а проникающая способность подчиняется экспоненсиальному закону.

Сравнительная характеристика способности проникновения излучений через различные вещества с учетом толщины преграды поясняется рис. 1.12.

Альфа- излучение ————————————— Бета-излучение
Гамма и рентгеновские лучи — ^
Нейтроны I———
Рис. 1.12. Проникающая способность разных видов ионизирующего излучения

Бумага Орг. стекло Бетон Свинец

В зависимости от энергии нейтронов преобладают те ипи иные виды взаимодействия. При энергии менее 0.025 эВ (холодные нейтроны) и при энергии 0,025-0,05 эВ (тепловые нейтроны) наблюдается реакция захвата тепловых и холодных нейтронов. При энергии 0,05-0,5 кэВ (промежуточные нейтроны) наблюдается упругое рассеяние При энергии 0,2-20 МэВ (быстрые нейтроны) наблюдается как упругое, так и неупругое рассеяние. При энергии 20-300 МэВ (сверхбыстрые нейтроны) наблюдаются ядерные реакции.

В результате неупругого рассеяния нейтроны передают ядрам часть своей энергии и изменяют направление своего движения. Ядра атомов, получив дополнительную энергию, вылетают из атомов и, проходя через вещество производят его ионизацию. Чем меньше масса ядер среды, через которую проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородсодержащие или легкие вещества — воду, углерод, парафин. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона уменьшается до теплового движения молекул и атомов среды.

В результате неупругого взаимодействия нейтрон поглощается ядром, при этом ядром испускаются различные частицы и гамма-кванты. При определенной энергии нейтрона возможно деление тяжелых ядер на две примерно равные части, при этом из ядра выбрасывается несколько нейтронов, и если масса вещества больше критической, произойдет цепная реакция деления атомного взрыва.

Воздействие радиоактивных излучений на физические свойства некоторых материалов Физические свойства многих твердых тел изменяются под воздействием ионизирующих излучений. Общим для всех твердых тел является то, что их параметры и свойства при облучении определяются, как правило, возникающими дефектами в структуре. В результате образования радиационных дефектов изменяются структурные, механические и электронные свойства твердых тел. Степень воздействия ионизирующих излучений на твердые тела, особенно на полупроводники, зависит, с одной стороны, от структуры кристаллической решетки, типа и концентрации примесей, а с другой стороны -она определяется условиями облучения, а именно: видом излучений, их энергий, плотностью потока частиц и гамма-квантов, временем облучения, температурой твердого тела. Особенно опасными являются нейтронный поток и гамма-кванты, обладающие высокой проникающей способностью Параметры излучений, при которых происходят структурные изменения, представлены в таблице 1.4.

Полупроводники изменяют свои свойства при облучении и становятся непригодными для использования как в интегральных схемах, так и в отдельных приборах.

Меньше изменяется структура у стекла но больше у керамики В результате чего изменяются изолирующие свойства, а стекла изменяют и свою прозрачность, как правило, окрашиваются в фиолетовый цвет или темнеют

Вызывает начало изменений параметров
Виды элементов Мощность дозы Поток нейтронов,
и материалов гамма-излучения, Р/ч нейтр./кв.м
Диоды, транзисторы 3,5- Ю8 1015
Микросхемы, 3,5-107 10’6
полупроводники
Радиолампы 1710 210’9
Резисторы, 3,5-109 2-Ю’4
конденсаторы
Газоразрядные приборы 3,5-108 _____
Магнитные материалы 3,5-1010 10’9
Выпрямители 17-108 5-Ю16
Воздействие проникающей радиации на элементы схем

В зависимости от степени воздействия радиации изменения в структуре стекла могут быть обратимыми и необратимыми.

Полимерные материалы, широко применяющиеся в электронике, изменяют свою структуру и свойства под воздействием ИИ так же как и полупроводники.

Металлы, при их облучении ИИ, изменяют свои механические и электрические свойства, в частности, возрастает удельное сопротивление и уменьшается плотность.

Пьезокварцевые материалы и изделия под воздействием ИИ изменяют свои магнитные, механические, электрические, тепловые и оптические свойства. Так как эти изделия являются наиболее ответственными функциональными элементами радиоэлектронной аппаратуры (генераторы, электрические фильтры, резисторы, ультразвуковые устройства, линии задержки), то они должны быть особо защищены специальными экранами, если есть угроза их облучения радиоактивными лучами.

Степень разрушения конденсаторов зависит от типа диэлектрика, их свойств, вида и времени облучения.

Радиокомпоненты

Характер и степень изменения электрофизических свойств радиокомпонентов при воздействии на них ионизирующих излучений зависят от характеристик излучения (плотности потока, энергетического спектра, мощно-30 сти дозы), продолжительности его воздействия, конструктивных особенностей изделий и применяемых в них материалов.

Под воздействием непрерывного гамма- и нейтронного излучения у магнитных материалов изменяются индукция, магнитная проницаемость, электрическое сопротивление и другие характеристики. Значительные остаточные изменения характеристик магнитных материалов наблюдаются при флюенсах нейтронов примерно 10’8-1019 нейтр./см[1]. Облучение трансформаторов приводит их к сильному радиационному нагреву уже при плотности потока нейтронов ц = 10 нейтр/см[2] с При этом сопротивление изоляции трансформаторов уменьшается на несколько порядков. После прекращения действия излучений сопротивление изоляции практически полностью восстанавливается. Необходимо учитывать не только радиационную стойкость изделий, но и их способность нормально работать в условиях облучения. Например, при нейтронном облучении многих материалов появляется наведенная радиоактивность, и если детали находятся вблизи людей, то необходимо выбирать такие материалы, в которых наводится минимальная активность.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:1. Краткая характеристика ионизирующих излучений

3. Ионизирующая способность бета-частиц.4. Ионизирующая способность альфа-частиц.5. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом.6. Проникающая способность гамма-излучения.7. Проникающая способность бета-изпучения.8. Проникающая способность альфа-излучения.9. Воздействие ионизирующих излучений на пластмассы.

В современных электронных схемах важную роль играют высокочастотные и низкочастотные разъемы. Их устойчивость при облучении зависит от типа диэлектрика.

1.2.3. Характеристики ионизирующих излучений. Единицы измерения излучений

Для установления закономерностей распространения и поглощения иони-| зирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики ионизирующих излучений: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс частиц (фотонов), поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.

• Энергия частиц или гамма-квантов Б — выражается в Джоулях или элентронволыпах (эВ). Величина Джоуль используется в системе СИ, электронвольт (эВ) — внесистемная единица.

Справка. В 1960 году Генерапьная конкуренция по мерам и весам приняла единую Международную систему единиц (СИ). В 1980 году в СССР принят стандарт СТ СЭВ1052-78 «Метрология. Единицы физических величин» и система СИ стала обязательной. В 1981 году вводится ГОСТ 8.417-81, дополняющий и уточняющий СТ СЭВ1052-78. Однако, учитывая, что многие приборы, находящиеся в пользовании, уже отградуированы во внесистемных единицах, установлен переходный период применения внесистемных единиц

1эВ = 1,6,10-19Дж, (1.49)

где 1эВ — это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1В на пути в 1 см.

• Плотность потока частиц (гамма-квантов) ф — выражается числом частиц (гамма-квантов), падающих на единицу поверхности в единицу времени. Поверхность расположена нормально к направлению движения частиц. Единица измерения — частица/м2с.

• Флюенс частиц (фотонов) характеризует полное число частиц, прошедших через единичную поверхность за все время облучения:

Ф =

Единица измерения флюенса — частица/м2 .

• Поглощенная доза — количество энергии Б, переданное веществу излучением в пересчете на единицу массы т:

О = йЕйт, (Дж/кг). (1.51)

1Дж/кг = 1Грей. Внесистемная единица — рад (радиационная адсорбционная доза). 1Грей = 100 рад.

Примечание: Согласно РД50-454-84 использование единицы «рад» не рекомендуется. Однако из-за использования приборов с этой градуировкой на практике она пока используется.

Доза в органе или ткани (От) — средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела: 0Т=(МтТ) ]ОС1т,

где тт — масса органа или ткани; О — поглощенная доза в элементе массой дт.

Вредное воздействие ионизирующих излучений на человека зависит не только от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена, поэтому введено понятие мощность поглощенной дозы.

• Мощность поглощенной дозы — отношение приращения поглощенной дозы сГО за время А:

Р = сГО/с/г. (1.52)

Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д. Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную или изменяющуюся по экспоненте, т.е.:

Р = СОП81 или Р = Рое 0693т.(1.53)

• Керма — (абревиатура английских слов в переводе обозначает: «кинетическая энергия ослабления в материале»). Характеристика используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений. Керма — это отношение суммы первоначальных кинетических энергий аЕк всех заряженных частиц, образованных косвенно ИИ в элементарном объеме к массе с!т вещества в этом объеме:

К=бЕ/бт. (1.54)

Единицы измерения в СИ и внесистемная: Грей и рад соответственно. Керма введена для более полного учета поля излучения, в частности

плотности потока энергии и используется для оценки воздействия на среду

косвенно ионизирующих излучений.

• Экспозиционная доза вводится только для рентгеновского и гамма-излучения и характеризует их способность создавать в веществе заряженные частицы. Выражается отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака О, образованного излучением в некотором объеме воздуха к массе дт в этом объеме:

X = СЮ/СИГ». (1-55)

Единица измерения в системе СИ — Кулон/кг, внесистемная единица -Рентген.

1 Рентген — это доза фотонного излучения, при прохождении которого через 1м3 сухого воздуха при температуре 0°С, давлении 1013 гПа (760 мм

Вид излучения и диапазон энергии Коэффициенты качества К
Фотоны всех энергий
Электроны всех энергий
Альфа-частицы
Нейтроны с энергией:
ЮкэВ
от ЮкэВ до 100 кэВ
100 кэВ до 2 МэВ
2 МэВ до 20 МэВ
20 МэВ
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра
Примечание. Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения — испускаемому при ядерном превращении.
Коэффициенты качества излучения

рт. ст.), образуется 2-Ю15 пар ионов, несущих электрический заряд в одну электростатическую единицу количества электричества данного знака

Доза в 1Р накапливается за 1 час на расстоянии 1 м от источника радия массой в 1 г, т.е. активностью в 1 Ки.

Между единицами существует следующая зависимость: 1Р = 2,5810^ Кл/кг; 1Кл/кг = 3,876-103 Р

Отметим, что 1Р соответствует 0,873 рада в воздухе и 1Р соответствует 0,95 рада в биологической ткани.

Примечание. Согласно РД 50-454-84 характеристика «экспозиционная доза» подлежит изъятию из употребления. Однако в настоящее время многие приборы еще отградуированы в рентгенах и продолжают использоваться.

Вместе с тем. можно назвать причины изъятия из обращения экспозиционной дозы:

— экспозиционная доза введена только для фотонного излучения и не может быть использована для смешанного излучения:

— даже для фотонного излучения область практического использования экспозиционной дозы ограничена энергией 3 МэВ;

— значения экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в воздухе в радах отличаются всего лишь примерно в 1,14 раза;

— существенное изменение размеров единиц при переходе на единицы СИ и нецелочиспенный, неудобный коэффициент связи между системными и внесистемными единицами могут быть причинами многих ошибок.

Мощность экспозиционной дозы — отношение приращения экспозиционной дозы 6Х за интервал времени от к этому интервалу:

х = йх/л. (1’56)

Единицы измерения: в системе СИ — А/кг; внесистемная единица — Р/с, Р/ч, мР/ч, мкР/ч и т.д.

• Эквивалентная доза (Нтк)- поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения К данного вида излучения Р. Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами не превышающими 5 предельно допустимых доз при облучении всего тела человека), т.е. 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами. Доза эквивалентная равна:

(1.57)

нтк = отк-к,

где Отк — поглощенная доза биологической тканью излучением Р; К — коэффициент качества для отдельных видов излучений Р (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-излучений и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов (табл. 1.5).

Формула (1.57) справедлива для оценки как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека. При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения Р:

Нт=ХНт.р. (1-58)

Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности потока излучения.

Примечание. При использовании формулы (1.57) средний коэффициент качества принимают в данном объеме биологической ткани стандартного состава: 10,1% водорода, 11,1% углерода, 2,6% азота, 76,2% кислорода. Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ: Зиверт (Зв).

• Зиверт — единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского и гамма-излучения.

Ткань или орган Коэффициент \УТ
Половые железы 0.20
Красный костный мозг 0.12
Толстый кишечник 0.12
0,12
ЖелУДОК 0.12
Мочевой пузырь________________ 0.05
Молочные железы 0.05
Печень 0.05
Пищевод 0.05
Щитовидная железа 0,05
Кожа, клетки костных поверхностей 0,01
Остальные органы 0.05
Таблица 1.6Взвешивающие коэффициенты УУТ’_____________
Примечание к таблице 1.6. При расчетах учитывать, что ((Остальные органы» включают надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех случаях, когда один из перечисленных органов получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам из рубрики «остальные органы» приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

Существует и внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования. 1 Зв = 100 бэр.

• Мощность эквивалентной дозы — отношение приращения эквивалентной дозы оТН за время от:

Н = сп4/А. (1.59)

Единицы измерения мощности эквивалентной дозы мЗв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с и т.д.

В случае неравномерного облучения тела человека формула (1.57) использована быть не может, так как биологический эффект может оказаться другим. Поэтому введена «эффективная доза».

• Эффективная доза (Е) — это такая доза при неравномерном облучении тела человека, которая равна эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при которой риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и при неравномерном облучении тела человека.

Учет неравномерного облучения производится с помощью коэффициента радиационного риска (взвешивающий коэффициент), который учитывает радиочувствительность различных органов человека:

Е = ЕН|ОТТ1, (1.60)

где К — эквивалентная доза в данном 1-том органе, биологической ткани; ^л — взвешивающий коэффициент для тканей и органов, учитывающий чувствительность разных органов и тканей при возникновении стохастических эффектов радиации в ьм органе; сумма рассматривается по всем тканям т.

Взвешивающий коэффициент характеризует отношение стохастического риска поражения какого-либо органа или ткани к риску поражения всего организма при равномерном облучении всего тела. Риск поражения всего организма принимают равным 1, т.е. сумма 1-х коэффициентов риска равна 1. Рекомендуемые МКРЗ значения ХЛ/^ приведены в таблице 1.6. Единицы измерения те же, что и эквивалентной дозы.

Подчеркнем, что и эквивалентная и эффективная доза являются величинами, которые предназначены для применения в радиационной безопасности для оценки вероятности стохастических эффектов.

• Полувековая эквивалентная доза. Поглощенная доза при внешнем облучении формируется в то самое время, когда ткань или орган находятся в поле излучения. Однако при внутреннем облучении формирование суммарной поглощенной дозы растягивается во времени, и она накапливается постепенно по мере радиоактивного распада радионуклида и его выведения из организма. Распределение во времени поглощенной дозы зависит от типа радионуклида, его физико-химической формы, характера поступления и ткани, в которой он откладывается. Для учета этого распределения и введено понятие полувековая эквивалентная доза. Она представляет собой временной интеграл мощности эквивалентной дозы в определенной ткани (органе). В качестве предела интегрирования МКРЗ установила 50 лет для взрослых и 70 лет для детей (рис. 1.13).

Дополнительные материалы:

Миграция 2017


Похожие статьи: