Краткие теоретические сведения.
Изучение зависимости мощности экспозиционной дозы
Точечного источника от расстояния
Цель работы:
· исследовать ослабление потока – фотонов в воздухе;
· проверить выполнение «закона обратных квадратов»;
· научиться оценивать эквивалентную дозу при работе с – радиоактивными источниками;
· решить задачи.
Указания по технике безопасности.
Включение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя или инженера лаборатории.
2. В лабораторной работе используется радиоактивный источник, помещенный в свинцовый контейнер. 
-излучение выходит только из маленького отверстия в основании контейнера. Запрещается заглядывать в это отверстие!!!
Контрольные вопросы.
1. Природа -излучения. Свойства -излучения.
2. Экспозиционная доза, единицы измерения. Для какого вида ионизирующего излучения вводится понятие экспозиционной дозы?
3. Поглощенная доза, единицы измерения.
4. Связь между экспозиционной дозой и поглощенной дозой в воздухе и в биологической ткани.
5. Гамма-постоянная радионуклида.
6. Закон обратных квадратов.
7. Сцинтилляционный метод регистрации ионизирующего излучения.
8. Защита от -излучения.
9. Механизм потерь энергии , -частиц и фотонного излучения в биологической ткани.
Краткие теоретические сведения.
–излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м. Источником –излучения являются возбужденные атомные ядра. Они образуются в различных ядерных реакциях, в том числе при радиоактивном распаде. В качестве примера можно привести электронный -распад Cs-137, сопровождаемый испусканием –излучения.
,
где «*» означает, что дочернее ядро образовалось в возбужденном состоянии, т.е. с избытком энергии, 
- электронное антинейтрино.
Возбужденное состояние ядра неустойчиво, и через маленький промежуток времени ядро переходит в состояние с меньшей энергией, испуская коротковолновое электромагнитное излучение - –излучение.
Этот процесс происходит без изменения массового и зарядового чисел (A и Z), поэтому испускание -излучения не рассматривают как отдельный тип радиоактивности. Процесс испускания -излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами.
Свойства -излучения:
1) –излучение имеет линейчатый спектр, причем каждый элемент дает свой строго определенный –спектр. Именно поэтому по спектру –излучения с помощью -спектрометров определяется какой именно радионуклид распадается.
2) –излучение обладает огромной проникающей способностью, для него не существует понятия длины свободного пробега. Длина свободного пробега –квантов в воздухе стремится к бесконечности (R ).
Количественной мерой воздействия любого вида излучения на облучаемый объект является доза. Различают экспозиционную Х, поглощенную D, эквивалентную Н и другие дозы, отражающие особенности влияния излучения на вещество.
Экспозиционная доза Х характеризует ионизирующее действие фотонного излучения (- и рентгеновского излучения) на сухой атмосферный воздух. Экспозиционная доза равна отношению суммарного заряда dq ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, образованных фотонным излучением в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме:
(1)
Единицы измерения экспозиционной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[ Х ] = Кл/кг [ Х ] = Р
(Кулон/килограмм) (Рентген)
1 Кл/кг = 3876 Р
1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг
Единица измерения экспозиционной дозы названа в честь Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923) – немецкого физика, который открыл излучение, названное его именем.
Мощность экспозиционной дозы 
- отношение приращения экспозиционной дозы dX за малый промежуток времени dt к его длительности
. (2)
Единицы измерения мощности экспозиционной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[ ] = А/кг [ ] = Р/час
(Ампер/килограмм) (Рентген/час)
Мощность экспозиционной дозы, создаваемой -излучением точечного изотропного радионуклидного источника активностью А в точке детектирования, находящегося на расстоянии r от источника, вычисляется по формуле:
(3)
где Г – гамма-постоянная данного радионуклида. Как видно из формулы (2) гамма-постоянная радионуклида представляет собой мощность экспозиционной дозы (Р/ч), создаваемую гамма-излучением точечного изотропного источника активностью 1мКи на расстоянии 1см. Обычно гамма-постоянную выражают во внесистемных единицах: 
. Значения гамма-постоянных радионуклидов приводятся в специальных справочниках.
Из формулы (3) следует, что отношение мощностей экспозиционной дозы 
и 
, измеренных в любых двух точках, удалённых на расстояния 
и 
от источников, обратно пропорциональны квадрату расстояний:
(4)
Соотношение (4) называют иногда «законом обратных квадратов». Понятие точечного источника достаточно условно, поэтому «закон обратных квадратов» выполняется только в тех случаях, когда расстояние r от источника до детектора достаточно велико и размерами источника можно пренебречь.
Повреждения, вызванные ионизирующим излучением в живом организме, зависят от энергии, переданной биологическим тканям. Количественной характеристикой этого воздействия является поглощенная доза.
Поглощенная доза D – основная дозиметрическая величина, равная отношению средней энергии 
, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
. (5)
Единицы измерения поглощенной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[D] = Гр [D] = рад
( Грей ) ( рад )
1 Гр = 100 рад
Единица измерения поглощенной дозы получила название в честь английского физика Луиса Гарольда Грея, внесшего большой вклад в развитие дозиметрии. Один Грей равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж. При облучении вещества поглощенная доза нарастает. Скорость нарастания поглощенной дозы характеризуется мощностью поглощенной дозы.
Мощность поглощенной дозы 
- отношение приращения поглощенной дозы dD за малый промежуток времени dt к его длительности:
(6)
Единицы измерения мощности поглощенной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[ ] = Гр/с [ ] = рад/час
( Грей/секунду) (рад/час)
Предполагая, что мощность поглощенной дозы остается постоянной в течение некоторого времени, легко рассчитать поглощенную дозу за это время:
. (7)
При прохождении через вещество заряженные частицы теряют свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение встречающихся на их пути атомов. Процессы потери энергии заряженной частицей и поглощения энергии веществом происходят практически одновременно в одном и том же элементарном объеме вблизи трека частицы. В биологической ткани длина трека (пробег) -частиц, испускаемых естественными радионуклидами, не превышает 0,1 мм. Поэтому максимум поглощенной дозы находится вблизи передней поверхности облучаемой -частицами биологической ткани. Поглощенная доза быстро убывает по мере проникновения -частицы вглубь объекта. Поскольку максимальный пробег -частиц в биологической ткани составляет несколько сантиметров, то максимум поглощенной дозы находится несколько глубже, но все равно близко к поверхности облучаемого объекта и убыль поглощенной дозы происходит медленнее, чем для -частиц.
Фотонное излучение, проникая на значительные расстояния вглубь облучаемого объекта, вызывает ионизацию и возбуждение атомов вещества косвенным путем за счет электронов, образованных в результате фотоэффекта, эффекта Комптона и эффекта образования электронно-позитронных пар. Именно эти электроны, ионизируя и возбуждая атомы среды, формируют поглощенную дозу при облучении фотонным излучением. По мере проникновения вглубь облучаемого объекта поглощенная доза сначала возрастает, достигая максимума, а затем начинает уменьшаться.
При облучении живого объекта фотонным излучением, испускаемым радионуклидами, максимум поглощенной дозы наблюдается в поверхностном слое (в пределах двух сантиметров), а последующий спад поглощенной дозы более медленный, чем при облучении - и -частицами. Возрастание поглощенной дозы по мере проникновения в глубину биологической ткани объясняется добавлением электронов, образовавшихся у поверхности облучаемого объекта, и ее спад вызван уменьшением интенсивности фотонного излучения.
Для целей радиационной безопасности обычно используют максимальные значения доз в теле человека.
Поглощенную дозу в биологической ткани экспериментально определить очень сложно, но оценить ее можно, использовав связь между поглощенной и экспозиционной дозой:
, (8)
где f - коэффициент перехода от экспозиционной к поглощенной дозе:
в воздухе биологической ткани
f = 0,873 рад/Р f = 0,96 рад/Р
f = 33,85 Гр/Кл/кг f = 36,9 Гр/Кл/кг
Для сравнения биологических эффектов, вызываемых различными видами ионизирующих излучений, введено понятие эквивалентной дозы.
Эквивалентная доза Нравна произведению поглощенной дозы D в органе или ткани на взвешивающий коэффициент WR , зависящий от вида излучения:
(9)
Единицы измерения эквивалентной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[Н ] = Зв [Н ] = бэр
( Зиверт ) (биологический эквивалент рада)
1Зв = 100 бэр
Единица измерения эквивалентной дозы названа по имени шведского ученого Рольфа Зиверта – одного из основателей МКРЗ (Международного комитета по радиологической защите).
Мощность эквивалентной дозы 
- отношение приращения эквивалентной дозы 
за малый промежуток времени 
к его длительности:
(10)
Единицы измерения мощности эквивалентной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[ ] =Зв/с [ ] =бэр/час
Предполагая, что мощность эквивалентной дозы остается постоянной в течение некоторого времени, легко рассчитать эквивалентную дозу за это время:
. (11)
Таблица 1. Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения.
| Вид излучения | WR, 
|
| Рентгеновское и -излучения | |
| -излучение | |
| -излучение с энергией меньше 10 МэВ |
Таким образом, при одной и той же поглощенной дозе неблагоприятные биологические последствия оказываются разными для различных видов излучения.
Используя формулы (3), (7), (8) и (9) получим формулу для определения эквивалентной дозы:
(12)
Защита от фотонного излучения (- и рентгеновского излучения). Различают следующие основные методы защиты от воздействия фотонного излучения:
· уменьшение продолжительности работы на территориях, где имеются источники фотонного излучения,
· увеличение расстояния от персонала до источника,
· уменьшение до минимально возможной активности используемого источника,
· сооружение защитных экранов из поглощающих материалов между источником и местом размещения персонала.
Для краткости эти возможные методы защиты называют защита временем, расстоянием, количеством и экранировкой.
В настоящей лабораторной работе будет обсуждаться метод защиты расстоянием и с этой целью проводится проверка «закона обратных квадратов». В экспериментальной установке используется сцинтилляционный детектор, работающий в режиме счетчика фотонов. – излучение источника, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора, создаёт в нем вспышки света. Каждая вспышка вызывает один импульс тока в одной цепи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Очевидно, что число импульсов N в единицу времени, регистрируемое на выходе ФЭУ, пропорционально мощности экспозиционной дозы 
. Поэтому если на расстоянии r1 от источника детектор зарегистрирует N1 импульсов в единицу времени, а на расстоянии r2 – N2, то согласно соотношению (4) будет иметь место равенство:
(13)
Следовательно, произведение числа импульсов на квадрат расстояния должно оставаться постоянным
. (14)