В чем измеряется радиация

Ежедневно мы сталкиваемся с электромагнитным излучением. Солнечные лучи и сияние свечи, а также фотоэффект, выбивающий из внешнего слоя атомов электроны или потоки нейтрино, пронизывающие материю вокруг и не задевающие обычные атомы вещества. Все эти явления можно назвать относительно безопасными для человека. Многие из них используются в научных целях. К примеру, изучение строения атомарного ядра и его элементов осуществляется в ЦЕРН при помощи ускорения нейтронов для бомбардировки атомов. Этот процесс приводит к искусственному распаду ядра на составляющие, благодаря чему возможно детальнее изучать его части. Однако распад атомарного ядра встречается не только в массивной конструкции адронного коллайдера. Явление, которое люди симулируют в этой огромной машине, имеет более естественное происхождение, чем может показаться на первый взгляд. Если присмотреться ближе к Солнцу, то можно понять, что во внутренностях звезды происходит непрерывный процесс выделения энергии. Измерение солнечной радиации показывает наличие широкого спектра неполяризованного дневного света, в состав которого входят специфические виды электромагнитного излучения.

Данный процесс обусловлен постоянным столкновением ядер с их последующим слиянием и выделением во внешнюю среду излишних протонов, нейтронов и остаточной энергии в виде волнового излучения. После эксперимента Резерфорда (Рисунок 1), доказавшего, что атомы можно разделять на части, люди поняли, что могут использовать это в свою пользу. Так человечество узнало о другом типе реакции – распаде атомного ядра с выделением энергии и побочных продуктов. Впоследствии этот принцип начал применяться для создания атомных электростанций. Во время работы реактора происходит контролируемое разложение тяжелых ядер на более легкие. В промышленности применяются стержни с сердечником из таких элементов как уран, торий и плутоний. Отталкиваясь от температуры активной зоны, в качестве оболочки используется алюминий, цирконий, нержавеющая сталь и графит. Неприятным развитием событий может стать утечка истощенных топливных элементов и возникновение радиоактивного загрязнения.

Что такое радиация и зачем ее замерять

Механизм возникновения заряженной частицы весьма прост: при разрушении ядра излишки нейтронов, протонов и электронов выбрасываются во внешнюю среду. Некоторые из них опасны для человеческого организма, в то время как остальные не представляют опасности и могут быть даже полезны. Все зависит от длительности, проведенной под непосредственным влиянием облучающих факторов.

Существует множество типов радиоактивного излучения, которые способен выявить прибор для измерения радиации:

• Альфа-излучение или поток атомарных ядер гелия без электронных орбиталей. Огромный вес и объем частиц снижает их мобильность. Благодаря такой особенности, предельная длина пути, который частица может преодолеть – это 7см в воздушной среде и одна сотая доля миллиметра через кожу. Сложности прохождения через органическую ткань обусловлены более плотным заполнением среды атомами вещества, по сравнению с газом. Опасность представляет только попадание источников альфа-распада в организм, что вызывает стремительную ионизацию молекул всех близлежащих клеток. Это нарушает их целостность, и приводит к дегенерации тканей. Токсины оседают в очистительных системах, таких как лимфатические узлы и селезенка.
• Бета-излучение или поток электронов. Данная частица обладает весьма скудными параметрами объема и массы по сравнению с атомами. Образовывается, когда нейтрон преобразуется в протон и наоборот. В свободном виде встречается только в таких природных явлениях как фотоэффект, радиация Черенкова-Вавилова, выбросах в результате потери атомом протонов. Размеры влияют на максимально возможную глубину прохождения в твердой среде – от 10 до 15 сантиметров. Нужно учитывать поправку на атомарную плотность среды, через которую проходит бета-частица: в более плотных средах длина будет меньше. Для защиты будет достаточно толстого куска картона или органического стекла. Во время прохождения через ткани человеческого тела повлияет на атомарный состав клеток лишь незначительно. Не вызывает серьёзных процессов ионизации ДНК и последующих мутаций. Довольно распространенный тип излучения, которому подвергался почти каждый человек.
• Поток нейтронов. Яркий представитель корпускулярного типа облучения. Пути образования: при работе ядерных реакторов, в области поражения ядерного оружия, как побочный продукт промышленных или лабораторных установок. Самостоятельно не имеют ионизирующих свойств, однако столкнувшись с атомом, могут выбить его из стабильного состояния, начав реакцию распада. Это приводит к проявлению наведенной радиации, которой подвержено обширное количество материалов. В том числе и ткани человеческого организма. Обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека повышенный уровень биологической опасности. Самыми надежными способами защиты являются материалы, имеющие высокий процент концентрации водорода. Таковыми выступают: парафин, водные массы, органические полимеры (полиэтилен, полиэстер, полипропилен, полиамиды, кевларовое полотно). Хорошей замедляющей способностью для данного типа обладают бериллий и графит. Отлично поглощаются ядрами бора и кадмия.
• Высокочастотное излучение. Как уже стало известно, в результате распада ядер выделяется некое электромагнитное излучение. Но не только один его тип, а множество разнообразных видов, имеющих различные свойства, угол поляризационной плоскости, самое важное – длину волны. Волны, обладающие длиной в пределах от 005 до 100 нанометров, называются рентгеновскими. Их источником могут служить процессы бета-распада некоторых нуклидов. Благодаря высокой степени проницаемости сквозь толщу органических тканей без ионизации применяется в медицине. Основным путем использования является создание более подробной модели внутренних органов без вскрытия при помощи рентгеновской установки. Это стало возможным благодаря замедлению твердыми средами потока лучей, которые проходят через них.
• Внутриядерное происхождение имеет и другой тип волн с длиной менее 20 нанометров. Чем ниже длина и выше частота, тем больше энергии переносит волна. Такой тип волн имеет название гамма-излучение (Рисунок 2), и благодаря высокой плотности переносимой энергии обладает некоторыми свойствами частицы. После преодоления рубежа в несколько десятков МэВ гамма-квант спокойно проходит через любую среду и вышибает составляющие из ядра атома. Такое явление называется ядерным фотоэффектом и представляет опасность для любой сложной формы жизни с клеточным строением тканей. Проникающая способность гамма-волн растет с энергетическим уровнем. Эффективным способом защиты признаны материалы, содержащие высокий процент тяжелых элементов и обладающие высокой плотностью. Источником для возникновения данного типа квантов выступает гамма-разложение вещества и протекающие ядерные реакции, в ходе которых происходит выброс излишка энергии в виде электромагнитного излучения высоких энергий. К примеру, переход ядра из возбужденного состояния в более стабильное или аннигиляции антиподных пар. В промышленности встречается при работе ядерного реактора.

Благодаря современным технологиям измерение радиации специализированными приборами способно выявить каждый из представленных видов излучения.

Это позволит:

1. Избежать неприятностей связанных с лучевой болезнью (Рисунок 3) при нахождении возле радиоактивного объекта;
2. Регулировать дозу облучения, получаемую организмом во время пребывания в загрязненной зоне;
3. Проводить замеры с целью разведки радиационного фона и создания карт загрязнения.

Но все эти действия возможны только благодаря знанию о том, в чем измеряется радиация, и какие системные единицы применяются для ее определения.

В чем измеряется радиация

Ионизация органических тканей приводит к нарушению механизмов регенерации клеточных структур и возникновению раковых опухолей.

Поэтому очень важно проводить измерение уровня радиации окружающей среды при подозрении на повышенный уровень загрязнения. Для удобства измерения была придумана единица измерения радиации, выражающая количество поглощенной биологическими тканями энергии – Зиверт. Количество накопительного облучения, которое будет безопасным для человека – это 3.5-4 мЗв в течение одного года (Рисунок 4). Помимо Зиверта, существуют и другие единицы измерения.

Каждая из них обладает своими особенностями, необходимыми для как можно более точного установления дозы облучения:

1. Экспозиционная доза. Используется для измерения концентрации в объемах воздуха позитивных ионов, гамма-лучей и потока рентгеновского излучения. Единица измерения радиации, применяемая для такого типа дозы – это 1 Кулон на 1000 грамм массы. Для сравнения с другой единицей измерения 1 Кл/Г равноценен 3876 Рентгенам.
2. Поглощенная доза. Этим термином обозначают количество радиационного облучения, поглощенного определенным типом вещества. Бетон, сталь, человеческая плоть – для каждого из этих видов материи применятся свой алгоритм подсчета поглощенной дозы. Применяемой для измерения системной единицей является Грей, не системной – Рад. 1Гр = 100 Рад.
3. Эквивалентная доза. Данный термин выступает показателем уровня деградации органики под воздействием различных видов энергии радиоактивного воздействия, которая была поглощена. Измерение дозы радиации такого типа в системе СИ осуществляется с помощью Зиверта (Зв). Внесистемным значением выступает Бэр (бэр), и его соотношение к Зиверту = 1:100.
4. Эффективная доза. По причине различия клеточного состава человеческие органы обладают индивидуальным уровнем чувствительности к радиации. Для удобства определения дозы, способной вывести тот или иной орган из строя добавили этот определитель. Роль единицы измерения вновь играет Зиверт (Зв).
5. Мощность эквивалентной дозы. Поскольку распределение лучей во времени неравномерно, а сам источник не излучает волны со стабильным промежутком, был введен показатель поглощенной дозы за единицу времени. Он называется мощностью дозы и выражается в любой удобной единице измерения радиоактивного воздействия на один час времени. Мера измерения радиации – Рентген (Р), Зиверт (Зв) или же Грей (Г).

Приборы измерения радиации

Такой широкий спектр различного рода загрязнителей нуждается в весьма точном и выверенном измерении. Вне зависимости от того, быт это или же промышленные мощности, нужны эффективные методы измерения радиации. С этой целью были созданы дозиметры – приборы, обладающие рядом свойств, благодаря которым можно точно сказать, какому типу излучения подвергается определенный участок местности.

Они бывают различных типов (Рисунок 5):

• Газоразрядные детекторы. В утрированном варианте это камера конденсатора, заполненная инертным, не проводящим электричество, газом. При возникновении ионизированной частицы в результате радиоактивного облучения образуется пробивной разряд высокой мощности. Это регистрируется датчиком, проходя через математическую плату, подсчитывается уровень облучения.
• Сцинтилляционные детекторы основаны на свойстве некоторых веществ излучать видимый свет при поглощении ими ионизирующего излучения. Свет попадает на фотоприемник, преобразуется из аналогового в цифровой импульс, где по частоте счетный блок устройства определяет тип и уровень радиации.
• Полупроводниковый детектор. Принцип действия аналогичен газоразрядному, но с поправкой на твердое активное тело, зажатое между двумя электродами.

В чем измеряется радиация на мерной шкале каждого из них – те же Рентгены, Зиверты и Греи.

Бытовые дозиметры

Обычно ошибка лежит в пределе от 25% до 35%. Обусловлено подобное наличием только одной газоразрядной камеры, что также сказывается на продолжительности измерений – от 40 секунд. Такие устройства не считаются средствами точного измерения и не подлежат специальной сертификации в государственных органах (Рисунок 6). Их применение ограничивается собственными нуждами в быту. Государственные структуры не принимают в расчет показания бытовых дозиметров из-за низкой точности и больших погрешностей. Индивидуальные счетчики Гейгера можно приобрести в свободном доступе. К сожалению, они ограничены не только точностью, но и диапазоном замеряемых частот.

Профессиональные дозиметры

Профессиональные дозиметры (Рисунок 7) обладают рядом преимуществ по сравнению с бытовыми. Первое, бросающееся в глаза различие – более широкий диапазон измеряемых частот и высокая точность. При более детальном рассмотрении можно обнаружить дополнительно встроенные функции. К примеру, замер альфа-частиц, рентгеновских лучей, бета-облучения в зоне загрязнения. Конструкционные особенности высокочувствительных элементов позволяют сократить время анализа до нескольких секунд. Это способствует оперативному измерению в полевых условиях. Также программное обеспечение обладает функционалом, который обеспечивает гибкие настройки: например, сообщения по достижению определенной дозы радиации; индивидуальные сигналы оповещения для различных типов радиационного воздействия. Данный тип устройств подлежит государственному учету и сертификации в ряде некоторых стран.