Podstawy ochrony rad, WiP PW, Automatyka i robotyka, WZFIZ
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Politechnika Warszawska
Do użytku wewnętrznego
Wydział Fizyki
Laboratorium Fizyki II p.
PODSTAWY OCHRONY RADIOLOGICZNEJ
.
Część ćwiczeń wykonywanych w Laboratorium Fizyki II wymaga pracy ze
źródłami promieniowania jądrowego lub z promieniowaniem rentgenowskim.
Promieniowanie jądrowe/rentgenowskie jest szczególnie niebezpieczne, ponieważ
żaden z naszych zmysłów nie sygnalizuje nam jego obecności, a skutki
napromieniowania mogą być groźne i długotrwałe.
Pierwszą informacją, jaką możemy uzyskać o źródle promieniowania jądrowego jest
jego
aktywność
. Aktywność jądrowego preparatu promieniotwórczego określa nam
liczba zachodzących w nich przemian jądrowych w jednostce czasu. Jednostką
aktywności w układzie SI jest bekerel [Bq]:
1
Bq]
=
1
⎣
przemiana
⎦
s
Pozaukładową jednostką aktywności jest 1 kiur [Ci]:
1[Ci] = 3,7 · 10
10
[przemian/sek]
Przyjmując, że prawdopodobieństwo
λ
zajścia określonej przemiany
promieniotwórczej w jednostce czasu jest dla danego izotopu stałe, to liczbę
rozpadów w czasie do
dN
t
t
+
dt
, można obliczyć ze wzoru:
dN
−
=
λ
Ndt
,
gdzie - jest liczbą jąder w preparacie, które jeszcze w chwili czasu nie rozpadły
t
się. Korzystając z warunku początkowego, że w chwili czasu
t
= 0 liczba jąder
równała się , otrzymujemy:
N
0
N
t
)
=
,
N
0
e
−
λ
t
ponieważ aktywność
A
jest równa
dt
dN
, a
dt
dN
jest proporcjonalne do , to możemy
N
to równanie zapisać w postaci:
A
=
A
0
e
−
λ
t
1
⎡
⎤
N
λ
nazywa się stałą rozpadu promieniotwórczego. W praktyce używa się
-1
pojęcia
czasu połowicznego rozpadu
T
, określającego czas w ciągu którego
1
2
aktywność spada do połowy swej początkowej wartości, to znaczy:
A
=
exp
⎛
−
λ
T
⎟
⎠
=
1
A
1
2
0
2
Z powyższej równości otrzymujemy zależność między
λ
T
:
i
2
T
1
=
ln
2
λ
2
Jak dalece jednak informacja o aktywności źródła jest niewystarczająca do
oceny jego szkodliwości biologicznej, przekonamy się gdy poznamy mechanizm
działania promieniowania na komórki żywych organizmów.
Promieniowanie jądrowe (a także promieniowanie rentgenowskie) wywiera
swój ujemny wpływ poprzez jonizację cząsteczek, z których składają się podstawowe
jednostki organizmu – komórki. Jonizacja pociąga za sobą dalsze procesy fizyko-
chemiczne prowadzące do zmiany składu chemicznego, przemian metabolicznych
tkanki, zaburzenia syntezy białek i przemiany węglowodorowej. Nie wszystkie tkanki
są jednakowo wrażliwe na promieniowanie. Wrażliwość komórek jest wprost
proporcjonalna do szybkości ich rozmnażania i odwrotnie proporcjonalna do stopnia
zróżnicowania. Z tego powodu, najbardziej wrażliwe na promieniowanie są gonady i
szpik kostny, najmniej wrażliwe są ręce, przedramionna i stopy.
Z powyższego wynika, że o stopniu szkodliwości biologicznej promieniowania
jądrowego będzie decydować jego zdolność do jonizacji, która zależy nie tylko od
energii wysyłanych z jądra cząstek czy kwantów, ale również od rodzaju
promieniowania.
Oddziaływanie promieniowania z materią.
Promieniowanie alfa
Cząstki alfa (jądra helu) wysyłane w danym rozpadzie jądra atomowego są
monoenergetyczne czyli mają jednakową energię. Ze względu na dużą zdolność
jonizacji (około 30000 par jonów na drodze 1cm w powietrzu) prowadzącej do
szybkiej utraty energii, zasięg ich jest bardzo mały. Maksymalny zasięg w powietrzu
2
Stała
[ ]
s
⎜
⎝
⎞
1
cząstek alfa emitowanych przez
212
Po, mających energię 10,53 MeV, wynosi około
11,5 cm. Ogólnie, zasięg w powietrzu cząstek alfa nie przekracza kilku centymetrów,
a w tkance człowieka – kilku mikronów.
Z tego też powodu, promieniowanie alfa może być jedynie bardzo groźne przy
bezpośrednim skażeniu ciała preparatem promieniotwórczym, szczególnie gdy
dostanie się on do organizmu.
Promieniowanie beta.
Cząstki beta (elektrony lub pozytony) emitowane z jąder atomowych nie są
monoenergetyczne, lecz tworzą widmo ciągłe. Dlatego używa dla nich pojęcia energii
średniej i maksymalnej. Energia maksymalna cząstek beta waha się od kilkunastu
KeV do kilkunastu MeV. Zdolność jonizacji cząstek beta jest znacznie mniejsza niż
cząstek alfa. Zasięg w powietrzu cząstek beta o energii maksymalnej 1MeV wynosi
3m, a o energii 10 MeV dochodzi do 39 m. Ponieważ wytworzenie jednej pary jonów
w powietrzu potrzeba około 34 eV łatwo policzyć, że cząstki beta powodują
powstawanie średnio tylko około100 par jonów w powietrzu na 1cm drogi.
Jonizacja nie jest jedynym procesem w wyniku którego cząstki beta mogą
tracić swoją energię. Zgodnie z klasyczną teorią elektromagnetyzmu ładunek
elektryczny poruszający się ruchem niejednostajnym wysyła promieniowanie
elektromagnetyczne o amplitudzie proporcjonalnej do przyspieszenia. W pobliżu
jąder atomowych elektrony doznając zmian prędkości wskutek oddziaływania
kulombowskiego, wysyłają rentgenowskie promieniowanie hamowania. Strata energii
na jednostkę drogi związana z tym promieniowaniem jest proporcjonalna do iloczynu
EZ
2
, gdzie
E
jest energią elektronu, a Z - liczbą atomową absorbenta.
Promieniowanie elektromagnetyczne.
Promieniowanie gamma podobnie jak promieniowanie rentgenowskie nie może
bezpośrednio jonizować ośrodka przez które przechodzi. Głównymi mechanizmami
oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią są:
•
Efekt fotoelektryczny, w którym promieniowanie elektromagnetyczne
ujawniając swoją naturę kwantową (fotonową) przekazuje całą energię
elektronom z wewnętrznej powłoki atomowej.
•
Efekt Comptona, polegający na rozproszeniu kwantu (fotonu) na
swobodnym elektronie, przy czym elektrony związane na orbitach
atomów możemy uważać za swobodne, gdy energia kwantu
promieniowania znacznie przekracza energię wiązania elektronu. W
3
zjawisku Comptona, tylko część energii kwantu przekazywana jest
elektronowi.
•
Efekt tworzenia pary elektron – pozyton, gdy energia kwantu
przekracza podwójną energię spoczynkową elektronu (1,02MeV =
2m
e
c
2
).
Poszczególny kwant może zjonizować tylko jeden atom, natomiast właściwą
jonizację ośrodka powodują elektrony, którym kwanty przekazują energię w wyniku
jednego z wyżej wymienionych procesów.
Promieniowanie elektromagnetyczne jest bardzo przenikliwe i nie możemy mówić o
jakimś określonym jego zasięgu. Przy przechodzeniu przez ośrodek ulega ono
jedynie osłabieniu w wyniku omówionych procesów. Ponieważ prawdopodobieństwo
zajścia tych procesów rośnie szybko ze wzrostem liczby atomowej Z (wzrostem
liczby elektronów w atomie), to osłabienie wiązki promieniowania będzie tym większe
im cięższe pierwiastki będą wchodzić w skład materiału osłabiającego.
Neutrony
.
Innym rodzajem promieniowania jądrowego są neutrony, które wytwarzane są
głównie w reaktorach atomowych. Jako cząstki obojętne nie wywołują bezpośredniej
jonizacji i dlatego ich zasięg jest bardzo duży. Zderzając się z protonami (jądrami
wodoru), przekazują im swą energię, a te z kolei wywołują silną jonizację ośrodka.
Neutrony zatem odznaczają się znaczną szkodliwością biologiczną.
Dawki promieniowania jonizującego.
Aby w sposób wymierny określić stopień zagrożenia ze strony źródeł
promieniowania jonizujacego należy wprowadzić odpowiednie jednostki pozwalające
na ilościową ocenę skutków jonizacji. Ze względu na duże zróżnicowanie
oddziaływania promieniowania z materią istnieje szereg definicji dawek
promieniowania.
Dawka ekspozycyjna.
Dawka ekspozycyjna jest specyficzną wielkością dozymetryczną wprowadzoną dla
promieniowania elektromagnetycznego. Definicja dawki ekspozycyjnej opiera się na
względnie łatwym pomiarze jonizacji powietrza i dlatego większość przyrządów
dozymetrycznych wyskalowana jest właśnie w jednostkach dawki ekspozycyjnej.
Dawka ekspozycyjna jest równa sumie ładunków
Q
jednakowego znaku powstałych
w powietrzu przy całkowitym zahamowaniu elektronów uwolnionych przez
4
promieniowanie elektromagnetyczne w jednostce masy powietrza. Jednostką dawki
ekspozycyjnej w układzie SI jest
⎦
⎡
C
⎤
,
⎣
kg
Moc dawki ekspozycyjnej jest miarą przyrostu dawki ekspozycyjnej w jednostce
czasu. Jednostką mocy dawki ekspozycyjnej jest
⎣
A
⎦
tj.
⎣
C
⋅
s
⎦
.
kg
kg
Dawka pochłonięta.
Ponieważ jednostki dawki ekspozycyjnej zostały zdefiniowane tylko dla
promieniowania gamma i rentgenowskiego aby usunąć to ograniczenie
wprowadzono pojęcie dawki pochłoniętej
D
, będącej miarą energii pochłoniętej przez
jednostkę masy napromieniowanej substancji. Jednostką dawki pochłoniętej w
układzie SI jest grej [Gy], przy czym:
1 [Gy] = 1
⎦
⎡
J
⎤
⎣
kg
Równoważnik dawki
W przypadku napromieniowania żywych organizmów informacja o wielkości energii
pochłoniętej przez materię okazuje się niewystarczająca. Istotna jest również
informacja od jakiego promieniowania ta energia pochodzi. Największe szkody w
komórkach organizmu żywego, wyrządza promieniowanie o dużej zdolności
jonizacyjnej. Przypisano zatem poszczególnym rodzajom promieniowania tzw.
współczynniki jakości
Q
P
(Tabela 1), który opisuje skuteczność danego rodzaju
promieniowania. Wprowadzona wielkość zwaną równoważnikiem dawki
H
T
odnosi
się do pojedynczej tkanki T. Jeśli dawkę pochłoniętą w tkance T, pochodzącą od
tego samego rodzaju promieniowania P oznaczymy
D
TP
to równoważnik dawki
otrzymamy sumując dawki pochodzące od wszystkich rodzajów promieniowania:
H
T
= ∑ D
TP
Q
P
Równoważnik dawki mierzymy w siwertach (Sv)
1 Sv = 1J/kg
Tabela 1
Wartości współczynników jakości Qp
Rodzaj promieniowania
Q
p
Rentgenowskie, gamma, cząstki beta
1
Cząstki alfa, ciężkie jony
20
Neutrony termiczne
4,5
5
⎡
⎤
⎡
⎤
[ Pobierz całość w formacie PDF ]