в чем измеряют радиацию в наше время

Нормы радиации в помещении

Радиоактивное излучение окружает нас повсюду, в какой-то мере его имеют все предметы и даже сам человек. Представляет опасность не сама радиация, а когда её значение превысит некоторые значения. Одно дело, если человек подвергся радиации кратковременно и совсем другое, когда она воздействует длительное время, например, проживает в заражённой квартире. Забегая вперёд скажем, что для человека безопасная норма радиации определена в пределах 30 микрорентген в час (мкР/ч). Существуют ещё несколько единиц измерения. Другие нормы и единицы её измерения обсудим ниже.

Что такое радиоактивность

Что такое радиация

Радиация — это вид излучения заряженными частицами. Такое излучение, воздействуя на окружающие предметы, ионизирует вещество. В случае с человеком она не только ионизирует клетки, но и разрушает их или вызывает раковые заболевания.

Большинство элементов таблицы Менделеева инертны и безвредны, но некоторая часть имеет нестабильное состояние. Не вдаваясь в подробности описать её, можно так. Атомы некоторых веществ из-за непрочных внутренних связей распадаются. Это распад сопровождается выбросом альфа, бета-частиц и гамма-излучением.

Такой выброс сопровождается высвобождением энергии с различной проникающей способностью и оказывающем разное воздействие на ткани организма.

Виды радиации

Существует несколько видов радиоактивности, которые можно разделить на неопасные, малоопасные и опасные. Подробно останавливаться на них не будем скорее это для понимания с, чем можно столкнуться в помещении. Итак, это:

Альфа-излучение, бета и нейтронное представляют собой облучение частицами. Гамма и рентгеновское — это электромагнитное излучение.

В быту вам вряд ли предстоит встретиться с рентгеновским и нейтронным, так как они специфичны, а вот с остальными можно. Каждое из этих видов излучений имеет разную степень опасности, но, кроме этого, должно учитываться, какое количество облучения получил человек.

В чём измеряется радиация

Единиц измерения радиации несколько, но в основном на пользовательском уровне предпочитается рентген, ассоциативно связанный с ней. На таблице ниже они приведены. Рассматривать подробно их не будем, так как при необходимости узнать радиоактивный фон в квартире будут нужны, пожалуй, только 2.

На практике больше в ходу системная единица Зиверт (Зв), мЗв – миллизиверт, мкЗв – микрозиверт, названная в честь учёного Рольфа Зиверта. Зиверт единица измерения эквивалентной дозы, выражается в количестве энергии полученной на килограмм массы Дж/кг.

Выражение радиации в Рентгенах также используется хоть и менее широко. Однако конвертировать рентгены в зиверты не составит труда.

Уровень радиации которую может получить человека на процедурах и жизни

Надзор и нормативные документы

Надзор в этой сфере осуществляет Роспотребнадзор специальными службами. Контроль за состоянием радиоактивного загрязнения окружающей природной среды осуществляется Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, а за уровнем радиационной безопасности населения — органами Министерства здравоохранения РФ.

В России дозы радиации для человека устанавливает СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009» и ОСПОРБ-99. По ним предельно допустимая доза радиации для человека составляет не более 5 мЗв или 0,5 БЭР, или 0,5 Р в год.

Нормы для человека

За длительные годы исследования радиации были определены безопасные и максимальные дозы. К сожалению, не только опытным путём, но и на практике. Такие события, как Хиросима и Чернобыль не прошли даром для планеты. Годы наблюдений за излучением показали, что превышение допустимой дозы радиации оставляет отпечаток на всех последующих поколениях.

Физические величины в которых измеряется радиация

Радиационный фон

С момента зарождения земли прошло 4,5 миллиарда лет, за это время радиоактивность, которая во время её формирования была просто гигантской, сошла почти на нет. Существующий естественный фон, который в нашей стране составляет 4–15 мкР в час, складывается из нескольких составляющих. Это:

Норма радиационного фона является значение до 0,20 мкЗв/час или 20 мкР/час. Допустимый фон считается уровень до 60 мкР/час или 0,6 мЗв. Для каждой страны он устанавливается свой, например, в Бразилии безопасный радиоактивный фон составляет 100 мкР в час.

Безопасная доза

Безопасной дозой радиации для человека является уровень, при котором можно жить и работать без последствий для организма. Этот уровень определён до 30 мкР/ч (0,3 мкЗв/час).

Допустимая доза

Допустимая доза радиации несколько больше безопасной и показывает уровень, при котором на организм оказывается воздействие радиации, но без негативных последствий для здоровья.

Допустимый уровень в год предполагает до 1 мЗв. Если это значение поделить на часы, то получим 0,57 мкЗв/ч.

Эта доза применяется и для расчёта среднего значения полученного излучения за несколько лет. Например, человек за 5 лет подряд должен получить 5 мЗв, но работая на вредном производстве, получил годовую в 3 мЗв. Следующие 4 года он не должен получить более 1 мЗв, чтобы выровнять значения и уменьшить риск заработать лучевую болезнь.

При полётах на высоте выше 10 км уровень излучения будет до 3 мкЗв/ч, что превышает норму в 10 раз. Получается, что за 4 часа можно получить максимальную, суммарную дозу до 12 мкЗв.

Излучение которое можно полечить в полёте

Смертельный уровень облучения

Опасной дозой можно принять уровень в 0,75 Зв. При таком значении происходит изменение в крови человека и хоть не бывает смертельных исходов сразу, но в будущем вероятность раковых заболеваний довольно высока.

Если исходить из статистики, то смертельной будет доза выше 7 Зиверт или 700 рентген.

Измерение радиации в квартире

Уровень радиации в помещении не должен превышать 0,25 мкЗв/час. Безопасным считаются помещение, в которых содержание радона не более 100 Бк на кубометр. При этом в производственных помещениях он может составлять до 300 Бк и 0,6 микроЗиверт.

Если нормы превышены, то принимаются меры к их снижению. При невозможности это сделать жильцы должны быть переселены, а помещение перепрофилировано в нежилое или идти под снос.

В СанПиН указано содержание тория, урана и калия-40 используемых на строительстве для возведения жилья. Общая доза от стеновых и отделочных материалов не должна быть выше 370 Бк/кг.

Материалы с повышенной радиоактивностью

При строительстве в советское время все материалы проходили проверку по ГОСТ. Поэтому разговоры о том что «хрущёвские» пятиэтажки имеют радиоактивность, не более чем миф. Основным источником радиации в квартире или любом другом помещении является газ радон.

Средняя радиоактивность некоторых строительных материалов

Основные строительные материалы: бетон, кирпич и дерево не представляют опасности и являются самыми безвредными. Однако в строительстве и в быте мы используем материалы, выделяющие довольно большое количество радона. К ним относятся:

Все материалы залегающие или добытые из земной коры могут иметь повышенный уровень радиации. Поэтому неплохо контролировать её самостоятельно.

Чем проверить наличие радиации

Проверить уровень радиации может возникнуть при покупке новой квартиры, квартиры в неблагополучном районе или использовании подозрительных материалов на строительстве дома. У человека нет органов чувств способных почувствовать радиацию и оценить опасность. Поэтому для её обнаружения необходимо наличие специализированных приборов — дозиметров.

Бытовые дозиметры для измерения радиации

Они могут быть бытовыми, профессиональными, промышленными или военными. В качестве чувствительного элемента могут использоваться различные датчики: газоразрядные, сцинтилляционные кристаллы, слюдяные счётчики Гейгера-Мюллера, термолюминесцентные лампы, пин-диоды.

Для замеров в домашних условиях нам доступны бытовые дозиметры. В зависимости от прибора он может выводить показания на дисплей в мкЗв/ч или мкР/ч. Некоторые приборы более близкие к профессиональным могут показывать в обоих вариантах. Следует учитывать, что бытовые дозиметры имеют довольно высокий уровень погрешности измерений.

Источник

Немножко про радиацию

Вред радиации

Каков ответ на вопрос «вредна ли радиация»? Такой же, как и на вопросы «вредна ли температура?» или «вреден ли свет?». Вредно не само явление, а выход его численных параметров за оптимальные для жизни пределы. Многочисленные опыты на животных показали небольшое увеличение средней продолжительности жизни, усиление иммунитета и т.д. при некотором дополнительном, относительно природного, облучении. Они же показали уменьшение всех этих параметров при дальнейшем увеличении дозы радиации. Разумеется, не было никакой универсальной для всех видов животных дозы, дающей оптимальный результат, у всех она разная. Никто не знает, какой уровень радиации был бы идеальным для человека, т.к. для этого пришлось бы поставить контролируемые опыты на десятках тысяч людей.

Какова чувствительность человека к радиационному облучению? Достаточно низкая. Природный уровень радиации в разных уголках планеты меняется крайне значительно. Если в среднем по всей Земле человек получает дозу 2,4 мЗв в год, то в некоторых местах — лишь 1 мЗв, а в других — 10, а то и 15-20 с лишним. Но никаких достоверных данных, показывающих, что этот разброс оказывает влияние на здоровье, не обнаружено. Так, например, повышенным дозам облучения подвергаются жители Швейцарии, которая славится высокой продолжительностью жизни своих граждан. Ещё больше дозы радиации получают космонавты — около 0,5 мЗв в… день! Т.е. за месяц они получают столько, сколько жители самых радиоактивных уголков планеты за год.

Конечно, это не повод лезть на экскурсию под саркофаг четвёртого энергоблока ЧАЭС. Там вы за минуту получите дозу больше, чем за месяц на МКС, а такое облучение совершенно достоверно оказывает крайне неблагоприятное влияние на продолжительность жизни. Но и бояться всего и вся тоже не стоит.

Единицы измерения радиации

В прошлом разделе я всюду использовал единицу «мЗв». Это — «миллизиверт». Давайте разберёмся, что это такое, и какие вообще единицы измерения тут есть.

Начнём с того, что на слуху — рентгена (Р). В рентгенах измеряется только исключительно рентгеновское и гамма-излучение. Этой единицей измеряют так называемую экспозиционную дозу, т.е. то, сколько ионов рождает излучение в сухом воздухе. Она предельно удобна при измерениях с помощью ионизационной камеры, т.к. этот тип датчика измеряет именно количество ионов (точнее — их суммарный заряд). Дозу в рентгенах можно получить напрямую, в то время как все остальные дозы измеряются опосредованно, оставляя простор для ошибок измерений. Но, с другой стороны, эта доза не указывает напрямую то, какой вред излучение наносит человеку, да и для бета- и альфа-излучения с прочими нейтронами ею пользоваться нельзя, она для них не определена.

Следующая единица — это рад. Рад — это единица поглощённой дозы любого излучения. Т.е. то, сколько энергии ионизирующего излучения поглотила единица массы вещества. Рад равен 100 эрг на 1 грамм или 0,01 Дж на 1 кг. Также в радах измеряется керма. Керма — это сколько кинетической энергии получают заряженные частицы вещества при поглощении этим веществом ионизирующего излучения, не несущего заряд (гамма, нейтроны). В большинстве случаев поглощённая доза и керма весьма точно совпадают, так что не забивайте себе этим голову. Если воздух поглотит 0,88 рад гамма-излучения, то в нём появится ионов на 1 Р. Можно условно сказать, что 1 Р = 0,88 рад, а 1 рад гамма-излучения равен 1,14 Р. Впрочем, т.к. всё равно воздух неточно соответствует тканям человека, да и ткани есть разные, плюс погрешность дозиметров редко бывает меньше 20%, обычно считают 1 Р = 1 рад. Недостатком рада, а точнее — поглощённой дозы, является то, что она не учитывает существенно разное действие на организм различных видов излучения.

Следующая единица — это биологический эквивалент рада (бэр). Бэр — это единица эквивалентной дозы. Т.е. тут учитывается, что быстрые нейтроны при той же энергии нанесут в 10, а альфа-частицы — в 20 раз больше вреда организму, чем гамма- или бета-излучение. Соответствующие коэффициенты есть (или могут быть получены) для абсолютно любых видов ионизирующего излучения. Также в бэрах измеряется эффективная доза, в которой учитывается различная чувствительность разных органов. Если человек облучается полностью равномерно, то эквивалентная и эффективная доза совпадают, но в случае, если какие-то части тела облучаются сильнее, а какие-то слабее, могут быть заметные различия. Так, например, руки выдерживают весьма большие дозы, а вот спинной мозг очень чувствителен к облучению. В бэрах также измеряется амбивалентный эквивалент дозы — такая «сферическая доза в вакууме». Без шуток, она определена для 30 см шара строго нормированного состава, используется для всяких тестов, моделирования и т.д.

Далее у нас идёт грей (Гр). Грей — это аналог рада в системе СИ. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Ну и, наконец, зиверт (Зв). Это — аналог бэра в СИ. 1 Зв = 100 бэр. Соответственно, мЗв, который я использовал в первом разделе, равен 0,001 Зв или 0,1 бэр.

Кроме дозы есть ещё активность радиоактивного вещества. Т.е. то, сколько распадов в нём происходит за определённое время. Активность измеряют либо в кюри (Ки), либо в беккерелях (Бк). Кюри — активность одного грамма радия-226, очень большая величина. Беккерель — один распад в секунду, очень малая величина. 1 Ки = 37 ГБк.

Чтобы было проще ориентироваться, приведу некоторые числа:
— уровень гамма-радиации в моей комнате примерно 7 мкР/ч, 0,07 мкГр/ч и 0,07 мкЗв/ч (мощности соответственно экспозиционной, поглощённой и эквивалентной доз). Уровень гамма-радиации на отделанных гранитом платформах Московского метро примерно вдвое выше (плюс доза альфа-облучения лёгких от повышенного уровня радона);
— единовременная доза, при которой может начаться лучевая болезнь — 100 Р, 1 Гр и 1 Зв;
— активность природного радиоактивного калия-40 в банане составляет примерно 20 Бк, в килограмме бананов — 130 Бк.

Приборы измерения радиации

В принципе есть огромное количество разных приборов и методов измерения радиации, но я тут расскажу только о том, с чем в принципе может столкнуться человек, не работающий в соответствующих направлениях.

В магазинах вы можете встретить «индикаторы радиоактивности», «дозиметры» и «дозиметры-радиометры».

Первые — это приборы, которые не проходят сколько-нибудь существенных испытаний и вообще на точность измерений не претендуют. Почти всегда они сделаны на базе счётчика Гейгера типа СБМ-20. Реже — на базе миниатюрного СБМ-21 или на базе чувствительных к альфа-излучению счётчиков, например Бета-1 или Бета-2. Многие считают, что такие приборы могут занижать показания. Некоторые «профессионалы» заявляют, что при низкой энергии гамма-излучения, на уровне 30-100 кэВ, приборы на СБМ-20 и СБМ-21 занижают в разы, а ниже вообще не фиксируют. Мой же опыт показывает, что всё с точностью до наоборот: при низкой энергии гамма-излучения (опыты ставились с 59 кэВ) они в разы завышают свои показания. Конечно, гамма-излучение совсем низкой энергии они не зафиксируют, но оно и не представляет большой опасности, т.к. поглощается ещё в коже. Бета-1 и Бета-2 фиксируют все виды излучения, причём ещё сильнее завышают показания при низкой энергии гамма-излучения.

Дозиметром честный производитель обычно называет прибор, точности измерения которым уделялось какое-никакое внимание. Чаще всего они тоже сделаны на базе СБМ-20, но тот уже закрыт специальным съёмным фильтром, который ослабляет гамма-излучение низкой энергии и полностью поглощает бета-излучение. Это позволяет точно измерить уровень гамма-излучения в широком диапазоне энергий. Также эти приборы обычно умеют интегрировать показания за длительное время, показывая не только мощность дозы, но и саму дозу. Приборы по-лучше содержат датчики Бета-1, Бета-2 или другие со слюдяным окном для бета-излучения низкой энергии и альфа-излучения, тоже оснащены фильтрами. Совсем дорогие приборы могут использовать полупроводниковые или сцинтилляторные датчики, которые имеют огромную чувствительность к гамма-излучению и не просто фиксируют частицы, а измеряют их энергию. Это позволяет максимально точно измерить дозу, а некоторые модели даже умеют определять изотопы, которые вызывают облучение. Впрочем, полупроводники и сцинтилляторы могут сыграть злую шутку: у них чувствительность очень сильно зависит от энергии, так что измерять её не просто можно, а обязательно нужно. И нужно качественно учесть зависимость чувствительности от энергии. Если такой датчик воткнули в прибор только для громкой надписи «сцинтилляторный», то точность измерений у него может быть хуже, чем у дешёвых индикаторов радиоактивности.

Дозиметр-радиометр — это прибор, который кроме дозы гамма-излучения измеряет ещё и поток бета-частиц (при соответствующих датчиках — и альфа). Два предыдущих пункта тоже фиксируют бета-излучение (дозиметры — при снятом фильтре), но они продолжают пересчитывать показания в рентгены или зиверты, как если бы это было гамма-излучение. Результат получается абсолютно неправильным: если для гамма-излучения вероятность фиксации частицы счётчиком Гейгера прямо пропорциональна его энергии в довольно широком диапазоне (где-то от 0,3 до 1,5 МэВ), причём этот диапазон расширяется фильтрами вниз где-то до 0,03-0,05 МэВ, то для бета-излучения ничего подобного нет. В первом приближении выше определённой границы энергии датчик фиксирует почти все бета-частицы, а ниже — ни одной. Аналогично и с альфа-излучением (если счётчик его в принципе фиксирует). Радиометру же можно «сказать», что ты сейчас измеряешь бета-излучение, и тогда он будет пересчитывать показания в число частиц на квадратный сантиметр площади сечения датчика в единицу времени. Сначала измеряешь с фильтром, чтобы выяснить гамма-фон, потом без него, вычитаешь из второго первое — и вот поток бета-частиц. Для альфа всё тоже самое, только там ещё добавляется второй фильтр, который задерживает его, но пропускает бета-частицы. Иногда он встроен, иногда надо самому брать подручный, типа листа бумаги.

Есть ещё программные дозиметры для смартфонов, использующие закрытую непрозрачным материалом фотокамеру в роли эрзац детектора. Они реально работают, но по моему опыту ждать от них точности не приходится, могут ошибаться в разы в любую сторону.

Стоит также отметить, что при небольших уровнях радиации показания всех приборов оказываются не слишком точными: они фиксируют за цикл измерения лишь порядка десятка частиц, так что статистическая погрешность становится сравнимой с измеряемой величиной. Если сейчас прибор показывает 0,07 мкЗв/ч, а через минуту — 0,14 мкЗв/ч, это абсолютно не значит, что уровень радиации возрос в два раза. Скорее всего он как был 0,10 мкЗв/ч, так и остался.

Ещё замечание на счёт собственно измерений: нужно их проводить так, чтобы датчик прибора можно было считать точечным. Т.е. либо источник радиации, либо расстояние от него до датчика должно быть в разы больше самого датчика. Если вы тыкаете каплей радиевой краски на кончике тумблера в центр какой-нибудь Бета-2, то в разных точках датчика уровень радиации отличается на несколько порядков. Что датчик в таких условиях измеряет — «одному Богу известно». Измерения «на поверхности» допустимы либо для больших источников (загрязнённый грунт, например), либо когда мы не стремимся именно измерить, а лишь с максимальной чувствительностью зафиксировать факт наличия излучения.

Индикатор радиоактивности на месте радиоактивного заражения

Профессиональный сцинтилляторный дозиметр на месте радиоактивного заражения (уровень радиации — цифры внизу)

Программный дозиметр. В данном конкретном случае в 3-4 раза занижает показания

Радиация в быту

Также эти все вещи совершенно законно использовать без специальных разрешений: лишь однажды мне попался манометр, уровень излучения которого выходил за допустимые для безлицензионного использования пределы (1 мкЗв/ч на расстоянии 10 см от поверхности), но он был от истребителя МИГ-21. Впрочем, законы у нас в стране выполняются не-очень… «Специалисты» запросто могут заявить, что всё, что имеет уровень радиации более 30 мкР/ч прямо на поверхности, необходимо изымать. А судьи не очень-то разбираются в таких тонкостях, как нормы радиационной безопасности… Имеется как минимум один прецедент, когда у человека суд отобрал объектив, и не посадили только потому, что он про его радиоактивность не знал. По всем официальным нормам этот объектив можно было использовать.

Реально большую опасность представляют только промышленные источники радиации, действующие рентгеновские аппараты и неконтролируемые аварийные выбросы. К счастью, столкнуться с ними простому человеку не так-то просто. Хотя история прецеденты знает…

Плутониевый источник из датчика дыма РИД-1. Тот самый, про который рассказывают страшилки в статье, спровоцировавшей написание этого текста. Пока цел, существенной опасности не представляет.

Относительно безопасный прибор с радиевой подсветкой

Большое скопление относительно безопасных приборов может быть уже не таким безопасным

Редкий пример прибора с радиевой подсветкой, в десяток с лишним раз выходящий за допустимые пределы

Промышленный источник, который может представлять реальную опасность

Заражённая местность

Результат неконтролируемого аварийного выброса полвека назад

Активная зона ядерного реактора

Источник

Радиация: единицы измерения

При почти каждом разговоре о радиоактивности с неспециалистом оказывается, что собеседник имеет в той или иной степени смутное представление о единицах измерения. Вот и когда я опубликовал статью о радиохимической лаборатории, один из читателей пожаловался мне в личку, что у него от множества единиц, встречающихся в книгах и статьях о радиоактивности — рентгены, бэры, рэмы, рады, греи, зиверты, кюри, беккерели и даже грамм-эквиваленты радия — голова идет кругом и попросил об этом написать. Исполняю его просьбу.

Да, на КДПВ — супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри.

Немного истории

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открыл излучение, обладавшее удивительными свойствами: действуя, подобно свету, на фотопластинки, и возбуждая свечение люминесцентных экранов, оно с легкостью проникало через непрозрачные преграды. Прошло совсем немного времени, как оказалось, что источником подобного излучения является не только работающая трубка Крукса, как в опытах Рентгена, но и вещества, содержащие уран, которые, к тому же, испускают это излучение непрерывно, неизменно и без какого-либо подвода энергии извне. За этим последовала буквально лавина открытий. Открытие радия, полония, а затем целого букета новых радиоактивных элементов, установление связи радиоактивного распада с превращением одного элемента в другой, первые осуществленные ядерные реакции… В общем, удивительно простой опыт Беккереля с урановой солью на завернутой в черную бумаге фотопластинке буквально распечатал «горшочек-не-вари» новых знаний. Разговор об этих открытиях — это тема другой статьи (и не одной), а сейчас я просто скажу, что уже тогда, в первые месяцы и годы этого «радиевого бума» нельзя было обойтись без измерений.

Первым измерительным прибором для определения интенсивности ионизирующей радиации стал обыкновенный электроскоп или электрометр, который разряжался под действием излучения, и скорость этого разряда была пропорциональна его интенсивности. А первым эталоном стала…

Ампула с миллиграммом радия, как мера радиоактивности

Эта ампула стала не только первым эталоном для градуировки электрометров и ионизационных камер — это была мера количества радиоактивности. Удивительным свойством радия оказалось исключительное постоянство его излучения: его интенсивность зависела только от количества радия. Поэтому, взяв однажды навеску в 1 мг радия и запаяв его в платиновую ампулу, стало возможным больше никогда радий не взвешивать. Сравнив интенсивность гамма-излучения от эталонной ампулы и образца, помещенного в ампулу с такой же толщиной стенки, можно было с высокой точностью определить количество радия в нем. Так что ампулы с радием заняли свое законное место в палатах мер и весов рядом с эталонами метра, килограмма и сферическими конями.

Строго говоря, источником гамма-излучения является не радий. И именно с этим связано то, что эталоном была именно запаянная ампула. Дело в том, что радий-226 не излучает гамма-лучи при распаде. Он испускает альфа-частицу, превращаясь в радон-222, который тогда называли эманацией радия. Последний, будучи также альфа-активным, затем претерпевает ряд распадов с испусканием альфа- и бета-частиц, некоторые из которых сопровождаются гамма-излучением. Из запаянной ампулы радону деваться некуда, и между радием и его радиоактивными продуктами распада устанавливается вековое равновесие: сколько радона (и каждого последующего члена радиоактивного ряда) образовалось, столько и распадается.

При сравнении радиоактивности других открытых впоследствии элементов с радием стали применять такую единицу, как миллиграмм-эквивалент радия, равный количеству радиоактивного вещества, который дает такую же интенсивность гамма-излучения, как и миллиграмм радия на том же расстоянии.

Миллиграмм-эквивалент радия, как единица радиоактивности, имеет тот очевидный недостаток, что гамма-излучение, вообще говоря, является своего рода побочным эффектом радиоактивного распада. Во-многих случаях оно либо отсутствует, либо возникает не в каждом акте распада. Поэтому от сравнения по интенсивности гамма-излучению перешли к понятию активности, как мере количества актов распада в препарате в единицу времени. Эталоном осталась все та же ампула с радием, и отсюда появилась единица кюри, определяемая, как активность радиоактивного вещества, в котором в единицу времени распадается столько же атомов (а именно, штук), сколько распадается атомов радия-226 в одном его грамме.

Единица кюри в настоящее время считается устаревшей, как и все внесистемные единицы. В системе СИ ее заменяет беккерель — это активность препарата, в котором в среднем происходит один распад в секунду. Таким образом, 1 Ки = Бк.

Электрометр и экспозиционная доза

Первым устройством для измерения интенсивности радиоактивного излучения, как я говорил, стал электрометр, который разряжался под действием лучей радия. Он стал предтечей ионизационной камеры — камеры с двумя противоположно заряженными электродами, которая позволяла определить количество ионов, образовавшихся в воздухе, заполнявшем камеру. Эти ионы в электрическом поле внутри ионизационной камеры начинают движение к электродам и, достигнув их, разряжают их. По величине уменьшения заряда электродов можно определить число пар ионов, которые образовались в воздухе под действием излучения. А измерив ток, протекающий через камеру в цепи внешнего источника напряжения, можно определить количество ионных пар, рождающихся в камере в единицу времени, пропорциональное интенсивности излучения.

Величина, которую таким образом измеряют, была названа экспозиционной дозой радиоактивного излучения. И единицей ее измерения стал рентген. При экспозиционной дозе в 1 рентген в одном кубическом сантиметре сухого воздуха образуется одна единица СГСЭ ( Кл) заряда каждого из ионов, что соответствует пар ионов. Кстати, наш эталонный 1 мг радия в платиновой ампуле на расстоянии 1 см в течение часа создает экспозиционную дозу в 8,4 рентгена (обычно в таком случае говорят о мощности экспозиционной дозы 8,4 Р/ч).

В системе СИ нет специальной единицы экспозиционной дозы и применяется единица кулон на килограмм. 1 Кл/кг = 3875.97 Р. Однако в настоящее время данная единица используется крайне редко из-за отказа от самого понятия экспозиционной дозы. Причина этого отказа в том, что эта достаточно легко измеряемая величина малопригодна для практического применения. Нас обычно интересует не то, сколько ионов образовалось в воздухе, а то действие, которое произвело облучение на вещество или живую ткань.

Поглощенная доза

Вполне очевидной является идея считать мерой воздействия радиоактивного излучения на вещество поглощенную в этом веществе энергию. Это и есть поглощенная доза, мерой которой является энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей: 1 Гр = 1 Дж/кг. Раньше применялась другая единица — рад. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. При экспозиционной дозе 1 Р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад. В большинстве случаев эти 0,88 округляют до единицы, приравнивая рад к рентгену (хотя по сути это разные физические величины), а грей (и зиверт, о котором ниже) к 100 рентгенам.

А вот доза в различных веществах при одной и той же экспозиционной дозе будет различной в зависимости от вида и энергии излучения и свойств поглотителя. Именно по этой причине сейчас от понятия экспозиционной дозы отказались. На практике гораздо более корректным является измерение не экспозиционной дозы, а взять детектор, средний атомный номер которого равен среднему атомному номеру биологической ткани (в таком случае говорят о тканеэквивалентном детекторе) и измерять поглощенную дозу в нем. Тогда с определенной степенью точности можно полагать, что поглощенная доза в детекторе будет равна поглощенной дозе в биологической ткани.

Всякие разные дозы

Но оказывается, разные виды радиоактивных излучений действуют на живую ткань неодинаково. Альфа-излучение, протоны и нейтроны при одинаковой поглощенной дозе наносят ей гораздо больший вред, чем гамма-излучение и бета-частицы. В связи с этим наряду с поглощенной дозой возникает еще один вид дозы — эквивалентная доза. Она равна дозе гамма-излучения, которая вызывает такой же биологический эффект, как и доза данного излучения.
Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт. Старой единицей эквивалентной дозы является биологический эквивалент рентгена или бэр, по-английски REM (порой в переводной литературе и у рентгенологов можно встретить единицу «рэм» — это тот же бэр). 1 Зв = 100 бэр.

Для того, чтобы перевести поглощенную дозу в эквивалентную, нужно поглощенную дозу умножить на так называемый коэффициент качества. Этот коэффициент для фотонов, электронов и мюонов равен единице, для альфа-частиц принят равным 20, для протонов по разным данным — от 2 до 5, а для нейтронов сильно зависит от энергии, достигая 20 в интервале энергий от 100 кэВ до 2 МэВ (см. рисунок).

Помимо эквивалентной, рассматривают еще и эффективную дозу. Она учитывает не только разную степень вредности излучения, но и разную степень вредности облучения той или иной части тела или органа при облучении не всего тела, а его части. Каждой ткани и органу приписывают взвешивающие коэффициенты таким образом, чтобы сумма равнялась единице. При равномерном облучении всего тела эффективная доза равна эквивалентной. Измеряется она в тех же единицах, что эквивалентная.

На этом я и остановлюсь: не буду запутывать вас и рассказывать, что такое керма, амбиентный эквивалент дозы и еще многие штуки.

А как это все измеряют?

Чтобы измерить экспозиционную дозу, как я и говорил, нужно взять некоторый объем воздуха, собрать образовавшиеся в нем ионы и определить их количество, что с успехом решается с помощью ионизационной камеры. Именно на основе ионизационных камер сделана большая часть накопительных дозиметров «карандашного» типа.

А чтобы измерить поглощенную дозу, придется измерить количество энергии, выделившееся в веществе. И вот тут кроется главная сложность. Напрямую эту энергию измерить очень сложно, так как в большинстве случаев она очень мала. Один грей (а это серьезная доза, уже вызывающая лучевую болезнь) — это всего лишь джоуль на килограмм. Если мы попытаемся измерить эту дозу, например, калориметрически — по изменению температуры, то, например, алюминий нагреется всего лишь чуть больше, чем на тысячную градуса.

Поэтому все методы измерения поглощенной дозы или ее мощности косвенные. Они заключаются в том, что мы наблюдаем некий процесс, вызываемый облучением и требующий затраты энергии и предполагаем, что «выход» этого процесса будет линейно зависеть от энергетического вклада поглощенного излучения в него.

Первичным актом взаимодействия ионизирующего излучения с веществом почти всегда является, собственно, ионизация. Квант гамма-излучения или иная частица, испускаемая радиоактивным веществом, как правило, имеет энергию, значительно превышающую энергию, необходимую для того, чтобы вырвать электрон из атома. Поэтому одним актом ионизации дело не заканчивается. По всей траектории следования частицы в веществе порождаются свободные электроны и положительно заряженные ионы, энергии которых обычно сами превышают энергию ионизации, что приводит к развитию целого каскада процессов образования свободных электронов и ионов, до тех пор, пока их энергия не окажется сравнимой с энергией химической связи, с первыми энергиями ионизации и т.д. И уже эти электроны и ионы непосредственно осуществляют то воздействие на вещество, которое характерно для ионизирующих лучей: возбуждают люминесценцию, инициируют химические реакции, разрушают биологические структуры, становятся носителями электрического тока. И их количество и суммарная энергия пропорциональны поглощенной дозе (строго говоря — за вычетом энергии электронов, вылетевших за пределы вещества), при этом они уже «ничего не знают» о том, что их породило.
Исторически одним из первых дозиметров стала обычная фотопленка, завернутая в светонепроницаемый материал. Степень ее почернения после проявления примерно так же зависит от поглощенной дозы, как и от экспозиции обычным видимым светом: имеется область линейной зависимости, ограниченная загибом в области малых доз и насыщением (с последующей соляризацией — падением плотности) в области больших доз. Пленка является дешевым и довольно чувствительным, но не очень надежным дозиметром, так как небольшие отклонения в режимах обработки могут давать заметные погрешности определения дозы. Фотопленка является одним из первых представителей семейства химических дозиметров, в которых величина дозы определяется по количеству образованного или израсходованного в ходе реакции вещества: окрашенного, парамагнитного или обладающего другим легко измеримым свойством. Это может быть раствор в ампуле, темнеющий или окрашивающийся под действием радиации (например, из-за окисления железа (II) до железа (III) с последующим образованием ярко окрашенного в красный цвет роданида), стекло или кристалл, в которых образуются так называемые радиационные дефекты, поглощающие свет. Химические дозиметры позволяют определять дозу облучения с высокой точностью и в очень широких пределах — от тех, которые не нанесут человеку особого вреда до тех, которые убьют его в одну минуту. Но, как правило, они не позволяют измерить мощность дозы.

Люминесценция позволяет регистрировать даже акт поглощения единственной частицы или гамма-кванта, который приводит к возникновению в материале детектора короткой световой вспышки — сцинтилляции. На этом принципе основано действие сцинтилляционных детекторов, которые позволяют измерять даже очень слабые потоки радиации, в десятки и сотни раз более слабые, чем естественный радиационный фон. Сцинтилляционный датчик излучения в отличие от химических детекторов позволяет определять мощность поглощенной детектором дозы в реальном времени. Разумеется, для того, чтобы получить величину дозы, или мощности дозы, нужно не просто сосчитать число импульсов, а просуммировать, проинтегрировать испущенный сцинтиллятором свет.

Особой разновидностью таких детекторов являются так называемые термолюминесцентные детекторы. В них используется люминесцентный материал, который, вместо того, чтобы отмечать вспышкой света каждую частицу, сохраняет образованные ею свободные заряды в виде длительно существующих заряженных дефектов решетки. При нагревании эти дефекты «залечиваются», а освободившиеся электроны и дырки рекомбинируют, передавая энергию центрам люминесценции. И проинтегрировав световой импульс, возникающий при нагревании термолюминофора, мы определим накопленную им дозу.

Наконец, мы можем «поймать» не вторичные эффекты, вызванные ионизацией, а сами ионы — совсем как в ионизационной камере, только эта камера заполняется не газом, а полупроводником — германием, кремнием, теллуридом кадмия, наконец — алмазом. Средний ток через детектор будет пропорционален мощности поглощенной им дозы.

А что же всем известный счетчик Гейгера? А он не измеряет дозу. Он может только среагировать импульсом на пролет через него частицы, не разбираясь ни в том, что в него влетело, ни какую энергию оно имело. То есть он может измерить такую характеристику потока частиц, как флюенс: сколько частиц пролетело через заданную площадь. Точно так же будет работать сцинтилляционный или полупроводниковый детектор, если мы будем только фиксировать факт появления импульса, игнорируя его амплитуду.

Доза в разных материалах и ход с жесткостью

В параграфе про поглощенную дозу я упомянул вскользь, что в одном и том же потоке излучения доза, поглощенная разными материалами, будет разной и будет зависеть от энергии квантов и свойств вещества. В случае гамма-излучения его поглощение определяется единственной характеристикой материала — средним (или эффективным) атомным номером . Гамма-излучение передает веществам с одинаковым одну и ту же энергию при прохождении слоя с одинаковой массой на единицу площади. Так, материал, имеющий такой же валовой атомный состав, как живая ткань, будет при любых энергиях поглощать гамма-кванты так же, как живая ткань, и таким образом, поглощенная доза в детекторе, сделанном из этого материала будет равна поглощенной дозе в человеческом теле. А если мы сделаем детектор из йодида цезия (один из наиболее часто используемых сцинтилляторов), то мы сможем откалибровать его для какой-нибудь одной энергии, а при других энергиях он будет врать. Такое изменение показаний дозиметрического прибора в зависимости от энергии излучения носит название «хода с жесткостью» или энергетической зависимости дозовой чувствительности детектора.

На рисунке (из «Нового справочника химика и технолога», т. 11, стр. 111) приведены энергетические зависимости дозовой чувствительности детекторов, изготовленных на основе разных сцинтилляторов. Слева сравниваются антрацен (более «легкий» по среднему атомному весу, чем живая ткань) и йодистый натрий (значительно более «тяжелый», чем последняя). Видно, что в определенном диапазоне энергий детектор на основе йодида натрия завышает величину дозы в 10 раз! А на правом графике показано то, что взяв смесь органических сцинтилляторов — более «легкого» и более «тяжелого», чем живая ткань, можно практически полностью устранить «ход с жесткостью».

Другим способом устранения «хода с жесткостью» является подбор фильтров, поглощающих излучение в области, где чувствительность детектора избыточна.

Заключение

В заключение приведу небольшую табличку, где сведены основные рассмотренные в статье величины.

А для более полного ознакомления с темой рекомендую лекции профессора Игоря Николаевича Бекмана, МГУ

Источник