Реферат: Методы дозиметрии

Дозиметрия ионизирующих излучений рассматривает свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения или взаимодействие излучения с веществом, а также принципы и методы их определения.

Дозиметрия имеет дело с такими физическими величинами, которые связаны с ожидаемым радиационным эффектом. Эти величины обычно называют дозиметрическими. Установленная связь между измеряемой физической величиной и ожидаемым радиационным эффектом – важнейшее свойство дозиметрических величин. Вне этой связи дозиметрические измерения теряют смысл.

Первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии ионизирующих излучений облучаемым объектом, и доза как мера поглощенной энергии оказывается основной дозиметрической величиной.

Важнейшая задача дозиметрии – определение дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Для этой цели используют различные расчетные и экспериментальные методы.

Количественное определение дозы излучения, действующей на живой организм, необходимо, прежде всего, для выявления, оценки и предупреждения возможной радиационной опасности для человека. Если врачи-гигиенисты и радиобиологи должны ответить на вопрос, каковы предельно допустимые с точки зрения биологической опасности уровни излучения, то дозиметристы должны обеспечить правильное измерение (определение) этих уровней. Развитие дозиметрии первоначально полностью определялось необходимостью защиты человека от вредного воздействия ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновского излучения (1895 г.) было обнаружено его вредное действие на человека, и возникла необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. Для измерения интенсивности рентгеновского излучения начали использовать фотографический эффект, флюоресценцию, тепловой эффект, а также химические методы. В дальнейшем измерение физических величин, характеризующих рентгеновское излучение и его взаимодействие со сферой, выделилось в самостоятельную область – рентгенометрию, являющуюся теперь составной частью дозиметрии ионизирующих излучений. В рентгенометрии определились основные величины, подлежащие измерению, и сформировались почти все методы современной дозиметрии.

С помощью дозиметрических приборов можно осуществлять два основных типа измерений, имеющих важное практические значение. К первому типу относятся измерения суммарной дозы (или количества) излучения, полученной в течение всего периода воздействия и выраженной в рентгенах. Примерами индивидуальных дозиметров являются ионные камеры, фотографические плоские пленочные дозиметры и телескопические устройства, работающие на принципе свечения фосфата серебра. Ко второму типу относятся измерения интенсивности излучения, выражаемой в рентгенах (или его долях) в час. К числу дозиметров, используемых для определения интенсивности излучения, относятся ионные камеры, счетчики Гейгера – Мюллера или сцинтилляционные счетчики, которые комбинируются с соответствующими электронными и электроизмерительными устройствами. Величина замеренной такими приборами интенсивности излучения может быть переведена в суммарную дозу облучения путем умножения соответствующей средней интенсивности излучения на общее время облучения.

Важный аспект приложения дозиметрии – охрана окружающей природной среды, неотъемлимым компонентом которой являются радиационные поля и рассеянные радионуклиды естественного и искусственного происхождения. Дозиметрический контроль окружающей среды и связанные с ним прогнозы радиационной обстановки требуют создания оптимизированных доз и систем развития новых методов дозиметрии, решения вопросов, связанных с определением необходимого объема и точности дозиметрической информации.

Раздел дозиметрии – метрология ионизирующих излучений – призван обеспечить систематизацию измерений в области ионизирующих излучений и радиоактивности. Специфика предмета измерения ионизирующих излучений оказывает влияние на точность дозиметрических методов. Большинство из них имеют погрешность, оцениваемую десятками процентов, что обусловлено не отсутствием необходимости в повышении точности измерений, а ограниченной возможностью измерительных методов. Усилия должны быть направлены на то, чтобы дать комплексную оценку эффективности воздействия ионизирующих излучений на облучаемый объект.

Во многих случаях нет простой связи между поглощенной энергией излучения и наблюдаемым эффектом. Знание только дозы недостаточно для предсказаний радиационного эффекта, который определяется также пространственным распределением поглощенной энергии по облучаемому объекту, фактором времени, видом и энергией ионизирующих излучений. Эти связи нельзя установить без понимания механизмов радиационных эффектов. Таким образом, дозиметрия смыкается с радиационной физикой.

Поэтому наряду с экспериментальными методами в дозиметрии используют расчетные методы определения дозиметрических величин, основанные на законах взаимодействия ионизирующих излучений с веществом.

Понятие дозиметрии

Дозиметрия - область прикладной физики, в которой изучаются физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.

Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека. Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. В качестве основного количественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха.

С открытием радия было обнаружено, что и излучения радиоактивных веществ вызывают биологические эффекты, похожие на те, которые вызываются рентгеновским излучением. При добыче, обработке и применении радиоактивных препаратов возникает опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Развились методы измерения активности радиоактивных источников (число распадов в секунду), являющиеся основой радиометрии.

Разработка и строительство ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц, развитие ядерной энергетики и массовое производство радиоактивных изотопов привели к большому разнообразию видов ионизирующих излучений и к созданию многообразных дозиметрических приборов (дозиметров).

Исследования биологического действия ионизирующих излучений на клеточном и молекулярном уровнях вызвали развитие микродозиметрии, исследующей передачу энергии излучения микроструктурам вещества.

Методы дозиметрии

У человека в процессе эволюции не выработалось органов чувств, способных к специфическому восприятию ионизирующих излучений, которые невидимы, не имеют цвета, запаха, а также не действуют немедленно поражающе, подобно электрическому току. Поэтому обнаружение и измерение ионизирующих излучений возможно главным образом с помощью различных детекторных приборов, регистрирующих эффект действия излучений на физические, химические, биологические и другие свойства, на которых основаны методы измерения.

Биологические методы

Вид преобразований в облученном веществе зависит от типа ионизирующего излучения. Поток заряженных и частиц, проходя через вещество, взаимодействует, в основном, с электронами атомов и передает им свою энергию, которая расходуется на отрыв электрона от атома (ионизация) и возбуждение атома (переход одного из электронов с ближних орбит на более удаленную от ядра оболочку). При этом энергия частиц распределяется на эти два процесса примерно пополам.

Табл. 1 Пробег и частиц в мышечной ткани

Энергия частиц, МэВ	Пробег, мм
	частицы	частицы
0,1	-	0,1
0,3	-	0,7
0,5	-	1,4
0,6	-	1,7
1,0	0,003	3,5
1,2	0,004	4,3
2,0	0,01	8,0
2,3	0,012	9,6
3,0	0,015	12,5
3,5	0,02	14,5
5,0	0,05	-

Из таблицы 1 видно, что если радиоактивный элемент не находится внутри организма, частицы через неповрежденную кожу практически проникнуть не могут.

Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых частицей на единице длины пути в среде, в сотни раз больше, чем у частицы. Это обусловлено тем, что масса частицы примерно в 7000 раз больше массы частицы (электрона) и, следовательно, при одной и той же энергии ее скорость значительно ниже (в воздухе - порядка 20000 км/с и 220000-270000 км/с соответственно). Очевидно, что чем меньше скорость частицы, тем больше ее вероятность взаимодействия с атомами среды, следовательно, и больше потери энергии на единице пути и меньше пробег. Из табл. 2 следует, что пробег частиц в мышечной ткани в 1000 раз меньше, чем пробег частиц той же энергии. Из этой же таблицы ясно, что и излучения значимый вред живому организму приносят при попадании внутрь его, а при попадании на кожу – при высокой концентрации и длительном времени воздействия.

Нейтрино, возникающие при каждом распаде ядра, не имеют массы покоя и заряда и со средой не взаимодействуют. кванты, являющиеся очень высокочастотным электромагнитным излучением, производят в среде и живом организме ионизацию, в сотни раз меньшую, чем частицы. Их проникающая способность, в отличие от заряженных частиц, очень велика. Принципиально по - иному происходит взаимодействие нейтронов с веществом. Они взаимодействуют не с электронными оболочками атома, а с ядром, передавая ему часть энергии. Вылетевшее положительно заряженное ядро производит ионизацию среды. Кроме этого, часть нейтронов малой энергии может захватываться ядром с мгновенным излучением кванта или же с образованием новых радиоактивных элементов в облучаемой среде.

Таким образом, для любого вида ионизирующих излучений, первичными процессами, которые происходят в среде, являются ионизация и возбуждение. Поэтому биологические эффекты, наблюдаемые под воздействием заряженных частиц, нейтронов и квантов, обусловлены не их физической природой, а тем более их источником (различные естественные и техногенные радионуклиды, генераторы излучений), а количеством поглощенной энергии и ее пространственным распределением (микрогеометрией), характеризуемыми линейной плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации или, иначе, линейная передача энергии (ЛПЭ), тем больше степень биологического повреждения. Эта степень определяет относительную биологическую эффективность (ОБЭ) различного рода излучений.

Биологическое действие излучения является основой биологической дозиметрии и используется главным образом для установления ОБЭ — относительной биологической эффективности различных видов излучения. Биологические методы дозиметрии базируются на определении морфологических и функциональных изменений, возникающих в организме под влиянием облучения. Величину дозы оценивают по уровню летальности животных, изменению окраски кожи, выпадению волос, появлению или увеличению содержания некоторых веществ в моче, изменению количества кровяных клеток, т.е. состава крови и др. Биологические методы не очень точны.

Физические методы

Физические методы дозиметрии основаны на оценке степени ионизации вещества под влиянием ионизирующих излучений, изменения его электропроводности, характера свечения и др.

В процессе ионизации вещества наступает изменение его электропроводности. Так, газы в обычных условиях практически не обладающие электропроводностью, в момент ионизации становятся хорошими проводниками электричества. Ионизационные методы дозиметрии основаны на том, что число образованных пар ионов в каком-либо определенном объеме вещества находится в прямой зависимости от количества поглощенного в нем излучения. Другими словами, мерой количества ионизирующего излучения является ионизация, которая возникает в результате поглощения энергии излучения в веществе.

В практике дозиметрии радиоактивных излучений применяются два типа приборов: дозиметры для измерения дозы или мощности дозы, работающие на принципе определения суммарного эффекта ионизации в данном объеме, и счетчики радиоактивных излучений, позволяющие регистрировать действие отдельных частиц, или квантов.

Химические методы

Химический метод дозиметрии основан на измерении числа молекул ионов, образующихся или претерпевших изменения при поглощении веществом излучения. Число образующихся молекул или ионов (выход радиационно-химической реакции) пропорционально поглощенной дозе излучения.

где: D — доза излучения; К—коэффициент пропорциональности; С — концентрация продукта радиационно-химической реакции; B — плотность вещества, подвергшегося облучению;

G — (выход продукта) — выражается числом молекул атомов, ионов или свободных радикалов, образующихся или расходуемых при поглощении энергии 100 эВ; Радиационно-химический выход вещества можно разделить на четыре группы:

• G< 0,1

• 0,1 < G < 20

• 20 < G < 100

•G>100

Высокий выход в веществах 3-й и 4-ой групп обусловлен, как правило, цепными химическими реакциями. Для целей дозиметрии наиболее пригодны вещества 2-й и 3-й групп, так как имеют лучшую воспроизводимость результатов и меньше чувствительны к влиянию освещения, примесей и колебаний температуры.

Многие химические дозиметры представляют собой водные растворы некоторых веществ. Наиболее распространенной химической системой применяемой при дозиметрии ионизирующих излучений является раствор соли FeSO4 в разбавленной серной кислоте. В растворе в результате электролитической диссоциации присутствуют ионы двухвалентного железа Fe2+. Под действием излучения происходит радиолиз воды (ионизация) с образованием свободных радикалов H, ОН, и окислителей, которые окисляют двухвалентное железо до трехвалентного по реакциям

Fe2+ + ОН ->Fe1+ +OH-

Fe2+ + H2O2 -» Fe3+ + ОН + ОН и некоторым другим

Появление Fe3 изменяет оптическую плотность раствора, которая измеряется спектрофотометром (прибором для измерения поглощения видимого света в различных областях спектра).

Изменение оптической плотности зависит от числа образовавшихся в результате облучения и завершения всех реакций ионов трехвалентного железа и служит мерой поглощенной энергии.

Энергия, поглощенная в химическом дозиметре, определяется соотношениями

E=M(Sобл- Sчист)

где Sобл и Sчист — оптическая плотность облученного и необлученного растворов,

M—коэффициент, зависящий от свойств дозиметра и условий облучения

Sобл- Sчист= µ*C*1

где µ —коэффициент поглощения, зависящий от температуры,

С —концентрация ионов трехвалентного железа,

1 — толщина слоя раствора

Таким образом, по изменению оптической плотности раствора можно определить концентрацию продукта, образовавшегося в растворе под действием излучения. Зная концентрацию образованных ионов и радиационно-химический выход реакции их образования, можно легко вычислить поглощенную дозу облучения.

Например, для ферросульфатного дозиметра радиационно-химический выход составляет 15,6 ±0,5.

Основным компонентом данного дозиметра является вода, и эффективный атомный номер по поглощению фотонного излучения для раствора близок к эффективному атомному номеру воды, а следовательно и живой ткани. Поэтому дозиметр практически не имеет хода с жесткостью в диапазоне энергий 100 кэВ — 2 МэВ. Погрешность измерения (особенно при больших дозах) составляет не более 1 %.

В состав химических дозиметров тепловых нейтронов добавляют небольшое количество солей бора или лития. Для учета действия і - фотонов одновременно с нейтронным дозиметром облучают аналогичный дозиметр без добавок бора и лития. Известно некоторое количество различных веществ которые в результате окислительных или восстановительных реакций, протекающих под действием ионизирующего излучения, меняют свою окраску. Если в раствор такого вещества добавить около 10% желатина, а затем раствор охладить, то получится гель-студенистое вещество сохраняющее свою форму. Если облученный гель разрезать на части, то можно получить пространственное распределение поглощенной дозы. Обладая рядом бесспорных преимуществ, химический метод регистрации ионизирующих излучений, тем не менее, крайне редко используется в практической дозиметрии, так как даже у наиболее чувствительных химических дозиметров нижний предел измерения составляет порядка 5 сГр.

Ионизационный метод

Ионизационный метод основан на способности ионизирующего излучения вызывать ионизацию среды. Если взять какое-либо непроводящее электрический ток вещество и поместить его в поле действия ионизирующего излучения, то при взаимодействии излучения с веществом часть энергии передается атомам и молекулам этого вещества и расходуется на их ионизацию. В веществе появляются положительно и отрицательно заряженные ионы. При отсутствии электрического поля ионы рекомбинируют между собой и в результате в веществе устанавливается равновесная концентрация ионных пар (равенство скоростей ионизации и рекомбинации при постоянной интенсивности излучения).

Если к веществу приложить разность потенциалов, то в нем возникает электрическое поле, под действием которого положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному электроду. В результате этого в цепи возникает электрический ток. При определенных условиях сила тока пропорциональна интенсивности излучения, воздействующего на вещество.

Методы дозиметрии

Рис. 1. Простейшая схема ионизационного детектора

Ионизационные детекторы по конструкции подобны конденсаторам, то есть имеют два электрода, разделенные диэлектриком. В качестве диэлектрика обычно используют газ или смесь газов.

На ион зарядом е в электрическом поле напряженностью E действует сила, равная произведению е . E. Под действием этой силы ионы движутся к электродам, причем скорость их движения пропорциональна напряженности электрического поля. При достаточно большой напряженности скорость перемещения электронов (как более легких частиц) может возрасти настолько, что электрон на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения) разгоняется до энергии, превышающей потенциал ионизации атомов и молекул газа. Неупругие столкновения с таким электроном приводят к ионизации атомов и молекул. Этот процесс, названный ударной ионизацией, увеличивает число пар ионов, образующихся в газе, и является механизмом газового усиления ионизационного эффекта регистрируемого излучения.

Люминесцентный метод

Сущность метода заключается в том, что в некоторых веществах (люминофорах) образованные под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном внешнем воздействии (возбуждении).

Чаще всего дополнительным возбуждением может быть либо освещение люминофора светом определенного спектра, либо его нагрев (фотолюминесценция и термолюминесценция). Рассмотрим механизм термолюминесценции:

Методы дозиметрии

Рис. 2. Механизм термолюминесценции: 1 — переход электрона из валентной зоны в зону проводимости; 2 — захват дырки центром люминесценции; 3 — захват электрона ловушкой; 4 — освобождение электронов при нагреве кристалла; 5 — рекомбинация электронов с дырками в центрах люминесценции; 6 — возбуждение центра люминесценции; 7 — излучательный переход в основное состояние.

Электрон, поглощая энергию ионизирующего излучения, переходит из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся дырка переходит в запрещенную зону и создает центр люминесценции. Если в запрещенной зоне имеется электронная ловушка, обусловленная дефектом кристалла или введением примесей, то она захватывает электрон и электрон переходит в метастабильное состояние. Внешнее воздействие сообщает электрону дополнительную энергию и он вновь переходит в зону проводимости, после чего рекомбинирует с дыркой (центром люминесценции). Центр люминесценции переходит в возбужденное состояние, которое снимается излучением светового фотона. В дальнейшем световые вспышки переводятся в электрический сигнал.

Заключение

При дозиметрии ионизационных излучений используют как инструментальные, так и расчетные методы. Все дозиметрические приборы устроены по принципу регистрации радиационно-индуцированных эффектов в некотором модельном объекте — детекторе ионизирующего излучения. В ранний период становления дозиметрии, использовались фотографическое действие ионизирующих излучений, химические превращения и выделение тепла. По мере развития методов регистрации элементарных частиц развивались и методы дозиметрии. В современных условиях используется широкий спектр радиационно-индуцированных эффектов. К уже упомянутым можно добавить ионизационные эффекты в газах и конденсированных средах, изменение электрических свойств полупроводников, деструктивные повреждения твердых тел, люминесценцию, сцинтилляцию и др. Особое место занимает биологическая дозиметрия использующая в качестве меры дозиметрической величины количественные радиобиологические эффекты, например хромосомные аберрации, изменение морфологического состава крови и другие показатели, однозначно связанные с дозиметрией ионизационных излучений. Методы дозиметрии ионизационных излучений можно классифицировать по разным признакам. Так, в зависимости от вида регистрируемого эффекта различают ионизационный, фотографический, химический, люминесцентный, калориметрический, сцинтилляционный методы, метод следов повреждения и др. При этом имеет место однозначная количественная связь между изменением физических или химических свойств детектора излучения и поглощенной энергией. В клинической дозиметрии распространены ионизационные методы, в которых детектором служат ионизационная камера, твердотельные люминесцентные кристаллы, полупроводники. Последние привлекают малыми размерами детектора.

Литература

Профессор И. Н. Бекман «курс лекций по ядерной медицине»

В. И. Иванов «Курс дозиметрии»

Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А. «Радиобиология человека и животных»

Журнал «Український медичний часопис» - №1 (39), I/II 2004

Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучений

Матвеев А.В., Козаченко В.И., Котов В.П. Практикум по дозиметрии и радиационной безопасности

Интернет ресурсы:

http://medicina.at.ua/publ/1-1-0-116

http://www.serdechno.ru/enciklopediya/5135.html

Реферат: Методы дозиметрии

Похожие работы: