Мы ежедневно сталкиваемся с электромагнитным излучением. Лучи солнца и свечение свечи, а также фотоэлектрический эффект, вытесняющий электроны или потоки нейтрино из внешнего слоя атомов, проникая в окружающую материю и не касаясь обычных атомов вещества. Все эти явления можно назвать относительно безопасными для человека. Многие из них используются в научных целях. Например, изучение структуры атомного ядра и его элементов проводится в ЦЕРНе путем ускорения нейтронов для бомбардировки атомов. Этот процесс приводит к искусственному распаду ядра на составляющие, что делает возможным более детальное изучение его частей. Однако ядерный распад встречается не только в масштабном проекте адронного коллайдера. Явление, которое люди моделируют в этой огромной машине, имеет более естественное происхождение, чем может показаться на первый взгляд. Если вы посмотрите на Солнце более внимательно, вы сможете понять, что внутри звезды происходит непрерывный процесс высвобождения энергии. Измерения солнечного излучения показывают наличие широкого спектра неполяризованного дневного света, который включает определенные типы электромагнитного излучения.
Рис. 1. Эрнест Резерфорд и современная атомная электростанция, используя выводы ученого
Этот процесс происходит из-за постоянного столкновения ядер с последующим их слиянием и выбросом протонов, нейтронов и избыточной остаточной энергии во внешнюю среду в виде волнового излучения. После эксперимента Резерфорда (рис. 1), который показал, что атомы можно разделить на части, люди поняли, что они могут использовать это в своих интересах. Затем человечество узнало другой тип реакции: распад атомного ядра с выделением энергии и побочных продуктов. Впоследствии этот принцип стал применяться при создании атомных электростанций. В процессе работы реактора происходит контролируемое разложение тяжелых ядер на более легкие. В промышленности используются стержни с сердечником, состоящим из таких элементов, как уран, торий и плутоний. В зависимости от внутренней температуры в качестве оболочки используются алюминий, цирконий, нержавеющая сталь и графит. Потеря отработавших топливных элементов и появление радиоактивного загрязнения может стать печальным развитием событий. Радиация опасна, потому что она невидима для человеческого глаза, и единственный доступный способ ее обнаружить — измерить радиацию с помощью специальных устройств.
Что такое радиация и зачем ее замерять
Механизм появления заряженной частицы очень прост: при разрушении ядра избыточные нейтроны, протоны и электроны выбрасываются во внешнюю среду. Некоторые из них опасны для человеческого организма, другие не опасны и даже могут быть полезны. Все зависит от продолжительности пребывания под прямым воздействием излучающих факторов.
Рис. 2. По словам создателей комиксов, радиация дает обычным людям суперсилу, но в жизни, к сожалению, не все так радужно
Измеритель радиации может обнаруживать множество типов излучения:
- Высокочастотное излучение. Как уже известно, из-за распада ядер испускается своего рода электромагнитное излучение. Но не просто один из его видов, а множество разных типов с разными свойствами, углом плоскости поляризации, самое главное — это длина волны. Волны длиной от 005 до 100 нанометров называются рентгеновскими лучами.Источником могут служить процессы бета-распада некоторых нуклидов. Благодаря высокой степени проницаемости через толщу органических тканей без ионизации используется в медицине. Основное применение — создание более детальной модели внутренних органов без ее вскрытия с помощью рентгеновского аппарата, что стало возможным благодаря замедлению твердыми средствами потока проходящих через них лучей.
- Альфа-излучение или поток ядер атомарного гелия без электронных орбиталей. Огромный вес и объем частиц снижает их подвижность. Благодаря этой характеристике длина ограничивающего пути, который может пройти частица, составляет 7 см в воздухе и одну сотую миллиметра через кожу. Трудности прохождения через органическую ткань связаны с более плотным заполнением среды атомами вещества по сравнению с газом. Единственная опасность — попадание в организм источников альфа-распада, вызывающего быструю ионизацию молекул всех соседних клеток. Это нарушает их целостность и приводит к дегенерации тканей. Токсины откладываются в системах очистки, таких как лимфатические узлы и селезенка.
- Поток нейтронов. Яркий представитель корпускулярного типа излучения. Пути обучения: при эксплуатации ядерных реакторов, в области уничтожения ядерного оружия, как побочный продукт промышленных или лабораторных установок. Они не обладают ионизирующими свойствами независимо, но когда они сталкиваются с атомом, они могут вывести его из стабильного состояния, инициируя реакцию распада. Это приводит к проявлению индуцированного излучения, которому подвергаются самые разные материалы. В том числе и ткани человеческого тела. Он обладает высокой проникающей способностью и представляет собой повышение уровня биологического риска для человека. Самые надежные методы защиты — это материалы с высоким процентным содержанием водорода. Это: парафин, водные массы, органические полимеры (полиэтилен, полиэстер, полипропилен, полиамиды, кевлар). Бериллий и графит обладают хорошей замедляющей способностью для этого типа. Они отлично поглощаются ядрами из бора и кадмия.
- Бета-излучение или поток электронов. Эта частица имеет очень малые объемные и массовые параметры по сравнению с атомами. Он образуется при превращении нейтрона в протон и наоборот. В свободном виде он встречается только в природных явлениях, таких как фотоэлектрический эффект, излучение Черенкова-Вавилова, выбросы в результате потери протонов атомом. Размеры влияют на максимально возможную глубину проникновения в твердую среду — от 10 до 15 сантиметров. Необходимо учитывать поправку на атомную плотность среды, через которую проходит бета-частица: в более плотных средах длина будет меньше. Для защиты достаточно толстого картона или органического стекла. Проходя через ткани человеческого тела, он лишь незначительно повлияет на атомный состав клеток. Он не вызывает серьезных процессов ионизации ДНК и последующих мутаций. Довольно распространенный вид излучения, которому подвергался практически каждый.
- Другой тип волн длиной менее 20 нанометров имеет внутриядерное происхождение. Чем короче длина и чем выше частота, тем больше энергии переносится волной. Этот тип волны называется гамма-излучением (рис. 2), и из-за высокой плотности передаваемой энергии он обладает некоторыми свойствами частицы. Пройдя порог в несколько десятков МэВ, гамма-квант бесшумно проходит через любую среду и выталкивает компоненты из атомного ядра. Это явление называется ядерным фотоэлектрическим эффектом и представляет опасность для любой сложной формы жизни с клеточно-тканевой структурой. Проникающая способность гамма-волн увеличивается с увеличением уровня энергии. Материалы, содержащие высокий процент тяжелых элементов с высокой плотностью, признаны эффективным методом защиты. Источником возникновения этого типа квантов является гамма-разложение вещества и протекающие ядерные реакции, во время которых выделяется избыточная энергия в виде высокоэнергетического электромагнитного излучения. Например, переход ядра из возбужденного состояния в более стабильное или аннигиляция антиподальных пар. В промышленности это происходит при работе ядерного реактора.
Рисунок 3. Лучевая болезнь
Благодаря современным технологиям измерение радиации специализированными инструментами позволяет идентифицировать каждый из представленных видов радиации.
Это позволит:
- Избегайте проблем, связанных с лучевой болезнью (рис. 3), когда вы находитесь рядом с радиоактивным объектом;
- Корректировать дозу облучения, получаемую организмом во время пребывания на зараженной территории;
- Проведение измерений с целью разведки радиационного фона и создания карт загрязнения.
Но все эти действия возможны только благодаря знанию того, какое излучение измеряется и какие системные единицы используются для его определения.
В чем измеряется радиация
Ионизация органических тканей приводит к нарушению механизмов регенерации клеточных структур и появлению раковых опухолей.
Рисунок 4. Влияние превышения допустимых доз облучения на организм человека
Поэтому очень важно измерить уровень радиации в окружающей среде, если есть подозрение на повышение уровня загрязнения. Для удобства измерения была изобретена единица измерения излучения, которая выражает количество энергии, поглощенной биологическими тканями — зиверт. Сумма кумулятивного облучения, которая будет безопасной для человека, составляет 3,5-4 мЗв в течение одного года (Рисунок 4). Помимо зиверта, существуют и другие единицы измерения.
Каждый из них имеет свои характеристики, необходимые для наиболее точного определения дозы облучения:
- Экспозиционная доза. Используется для измерения концентрации положительных ионов, гамма-лучей и потока рентгеновских лучей в воздухе. Единица излучения, используемая для этого типа дозы, составляет 1 кулон на 1000 граммов массы. Для сравнения с другой единицей измерения 1 Кл / г эквивалентен 3876 рентгенам.
- Поглощенная доза. Этот термин обозначает количество радиационного облучения, поглощаемого определенным типом вещества. Бетон, сталь, человеческая плоть: для каждого из этих типов веществ будет применяться свой алгоритм для расчета поглощенной дозы. Системная единица измерения — Грей, а не системная единица — Рад. 1 Гр = 100 рад.
- Эквивалентная доза. Этот термин является показателем степени разложения органического вещества под воздействием различных типов поглощенной радиоактивной энергии. Измерение дозы облучения этого типа в системе СИ осуществляется с помощью Зиверта (Зв). Несистемное значение — Baer (rem) и его отношение к Sievert = 1: 100.
- Эффективная доза. Из-за различия клеточного состава органы человека имеют индивидуальный уровень радиационной чувствительности. Для удобства определения дозы, способной вывести из строя тот или иной орган, этот определитель был добавлен. Роль единицы измерения по-прежнему играет зиверт (Зв).
- Эквивалентная мощность дозы. Поскольку распределение лучей во времени неоднородно и сам источник не излучает волны с постоянным интервалом, был введен показатель поглощенной дозы за единицу времени. Это называется мощностью дозы и выражается в любой удобной единице радиационного облучения в час. Измерение радиации — Рентген (R), Зиверт (Зв) или Грей (G).
Приборы измерения радиации
Такой широкий спектр различных типов загрязнителей требует очень точных и проверенных измерений. Будь то повседневная жизнь или промышленные предприятия, необходимы эффективные методы измерения радиации. Для этого были созданы дозиметры — приборы, обладающие рядом свойств, благодаря которым можно точно сказать, какому виду излучения подвергается определенный участок почвы.
Рисунок 5. Полупроводниковый детектор (1), газоразрядный детектор (2), сцинтилляционный детектор (3)
Они бывают разных типов (рисунок 5):
- Сцинтилляционные детекторы полагаются на свойство определенных веществ излучать видимый свет, когда они поглощают ионизирующее излучение. Свет попадает в фотоприемник, преобразуется из аналогового импульса в цифровой, где счетный блок устройства определяет тип и уровень излучения на основе частоты.
- Детекторы разряда газа. В преувеличенном варианте это камера конденсатора, заполненная непроводящим инертным газом. При появлении ионизированной частицы в результате радиоактивного облучения образуется мощный импульсный разряд. Это фиксируется датчиком, проходя через математическую карту, рассчитывается уровень экспозиции.
- Полупроводниковый детектор. Принцип действия аналогичен принципу действия газового разряда, но с поправкой на активное твердое тело, заключенное между двумя электродами.
Что такое измерение радиации по шкале измерения каждого из них: те же рентгеновские лучи, зиверта и Грея.
Бытовые дозиметры
Дозиметры, используемые в быту, существенно отличаются от профессиональных из-за большей погрешности измерения.
Рисунок 6. Варианты бытовых дозиметров
Обычно погрешность составляет от 25% до 35%. Это связано с наличием всего одной газоотводной камеры, что также влияет на продолжительность измерений — от 40 секунд. Такие устройства не считаются точными измерительными приборами и не подлежат специальной сертификации со стороны государственных органов (Рисунок 6). Их использование ограничено их собственными потребностями в повседневной жизни. Государственные органы не принимают во внимание показания домашних дозиметров из-за низкой точности и больших погрешностей. Индивидуальные счетчики Гейгера можно приобрести бесплатно. К сожалению, они ограничены не только точностью, но и диапазоном измеряемых частот.
Профессиональные дозиметры
Рисунок 7. Пример профессиональных дозиметров
Профессиональные дозиметры (рисунок 7) имеют ряд преимуществ перед домашними дозиметрами. Первое заметное отличие — более широкий диапазон измеряемых частот и большая точность. При более внимательном рассмотрении обнаруживаются дополнительные встроенные функции. Например, измерение альфа-частиц, рентгеновского излучения, бета-излучения на зараженной территории. Особенности конструкции высокочувствительных элементов сокращают время анализа до секунд. Это облегчает измерение в реальном времени в полевых условиях. Кроме того, в программе есть функции, обеспечивающие гибкие настройки: например, сообщения о достижении определенной дозы облучения; индивидуальные предупреждения о различных видах радиационного воздействия. Этот тип устройства подлежит государственной регистрации и сертификации в некоторых странах.
