ПРАКТИКУМ радиология

Предисловие

Сельскохозяйственная радиология – сравнительно молодая и развивающаяся область знаний. В круг задач этой дисциплины входят вопросы воздействия радиации и радиоактивных загрязнений на человека через объекты природы и сельскохозяйственного производства – почву, удобрения, воздух, воду, декоративные растения, пищевые продукты, дикорастущие ягоды и грибы, дичь и рыбу. Одной из важнейших практических задач сельскохозяйственной радиологии является обучение методам контроля и прогнозирования радиоактивных загрязнений продуктов питания и кормов, а также способам предотвращения серьезных последствий от воздействия радиации. Таким образом, сельскохозяйственная радиология ориентирована на решение актуальной гуманитарной задачи обеспечения полноценной и безопасной среды обитания человека.

Настоящий практикум по сельскохозяйственной радиологии предназначен для студентов сельскохозяйственных вузов, обучающихся по агрономическим, зоотехническим и технологическим специальностям, а также по специальностям агрохимия, почвоведение и агроэкология. Лабораторный практикум построен так, что дает общее, достаточно полное представление о методах определения активности и состава радионуклидовзагрязнителей, об оценке дозовой нагрузки при внешнем и внутреннем облучении на население, проживающее на территориях с напряженной радиоэкологической ситуацией.

При написании практикума использован обширный опыт преподавания этой дисциплины на кафедре радиологии Российского государственного аграрного университета – МСХА им. К.А. Тимирязева. Он написан в традиционном стиле и включает разделы по радиометрии, по дозиметрии внешнего облучения и по прогнозной оценке суммарного облучения человека при проживании в условиях загрязнения окружающей среды радионуклидами.

В процессе прохождения практикума студенты знакомятся с основами техники работы с источниками ионизирующих излучений, выполняют упражнения на современной радиометрической и дозиметрической аппаратуре. В настоящем практикуме содержится много иллюстрационного и справочного материала, и он вполне может использоваться для самостоятельной подготовки студентов по данной дисциплине. Более полную информацию по некоторым разделам можно найти в учебниках: 1) Фокин А.Д., Лурье А.А., Торшин С.П. Сельскохозяйственная радиология – СПб.: Лань, 2011 и 2) Лурье А.А. Сельскохозяйственная радиология и радиоэкология.- М.:ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2007.

3

Техника безопасности при работе в радиоизотопной лаборатории

Практикум по сельскохозяйственной радиологии рассчитан на подготовку специалистов сельскохозяйственного профиля, для которых радиология не является основной специальностью и носит в основном ознакомительный характер.

В связи с этим в практикуме приведены лабораторно-практические работы только с закрытыми источниками ионизирующих излучений

(ИИИ). В отличие от открытого ИИИ, когда возможно попадание радионуклида в организм человека через желудочно-кишечный тракт, ингаляционным путем или через кожные покровы, закрытый ИИИ при правильном с ним обращении исключает попадание радионуклида внутрь организма.

Используемые в практикуме закрытые ИИИ представляют собой либо пластинки из плексигласа или алюминия с углублениями, в которые помещен радионуклид, герметично запечатанный пластиком или алюминиевой фольгой, либо кюветы с загрязненным субстратом (почва, растительный материал, зола), также запечатанные герметично. При работе с такими препаратами следует соблюдать следующие правила:

1.Не повреждать защитные покровные материалы. При визуальном обнаружении разгерметизации необходимо поставить в известность преподавателя или лаборанта.

2.Не выносить ИИИ за пределы радиоизотопной лаборатории.

3.Во время работы с закрытыми ИИИ пользоваться защитными экранами: для бета-излучателей (90Sr, 90Y) – экраном из плексигласа, для гамма- излуча-телей (137Cs, 60Co) – экраном из специального стекла (тяжелый флинт).

Кроме того, активности препаратов, с которыми предлагается рабо-

тать студентам, минимальны. Наибольшая активность составляет 1500 Бк,

что гораздо меньше минимальной значимой активности на рабочем месте (МЗА) – 104 Бк для 90Sr и 137Cs. МЗА показывает границу активности, выше

которой работы квалифицируются как работы с радиоактивными материалами. Ниже этой границы работы квалифицируются как обычные процедуры с материалами, не содержащими радиоактивных веществ. Контакт с такими закрытыми ИИИ исключает соматический и генетический ущерб здоровью вне зависимости от возраста, пола и состояния (беременные, кормящие женщины).

4

Лабораторная работа № 1

Методы обнаружения и регистрации радиоактивности. Радиометр «Эксперт-М»

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Явление радиоактивности. Радионуклиды

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного превращения ядра атома, сопровождающееся испусканием частиц и (или) электромагнитного излучения.

Следует подчеркнуть, что радиоактивность, в отличие от обычных химических реакций, протекающих путем взаимодействия между орбитальными электронами атомов, – это изменения, происходящие внутри атомного ядра.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. В состав ядра входят протоны, – положительно заряженные частицы, и нейтроны – частицы, не имеющие заряда. Общее их название – нуклоны. Сумма числа протонов и нейтронов в ядре составляет массовое число (M).

Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента (Z), определяет заряд ядра и положение элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева. В любом атоме число протонов в ядре равно числу орбитальных электронов, и атом в целом электрически нейтрален.

Число нейтронов в атомах одного и того же элемента не постоянно и может в известных пределах меняться. Например, все атомы водорода имеют 1 протон и 1 электрон, а число нейтронов может быть 0, 1 или 2 (рис.1).

Разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изото-

пами.

Другими словами, изотопы − это атомы, имеющие одинаковый атомный номер (и, следовательно, заряд ядра), но разное массовое число. Число известных изотопов у каждого элемента сильно варьирует. Оно меняется от трех у водорода до 27 − у полония. Химические свойства всех изотопов одного элемента практически одинаковы.

5

e- e- e-

Рис. 1. Разновидности атомов водорода

(р – протоны, n – нейтроны, e – электроны).

Изотопы принято обозначать в виде: MZ X , где X − символ химического элемента, M− массовое число, а Z − атомный номер элемента или заряд ядра. Поскольку каждый химический элемент имеет свой постоянный

атомный номер, то его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа, например, 3Н, 14С, 137Сs, 90Sr и т.д.

Изотопы бывают стабильными, если их ядра устойчивы и не распадаются, и радиоактивными, если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра.

Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадать-

ся, называют радионуклидами.

В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь самопроизвольно распадающийся. Такие цепочки радиоактивных элементов, возникающих последовательно в результате ядерных превращений, называются радиоактивными семействами. Завершают радиоактивные семейства стабиль-

ные изотопы, например, 90Sr (радиоактивный) → 90Y (радиоактивный) → 90Zr (стабильный).

По происхождению радионуклиды разделяют на естественные и искусственные (или техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности человека.

6

1.2. Типы радиоактивного распада. Виды излучения

Радионуклиды претерпевают самопроизвольные превращения и становятся источниками излучений определенного вида. Различают несколько типов таких превращений (рис.2-4) и соответствующие им виды излучения.

Альфа (α)-излучение – это поток α-частиц, обладающих массой (М = 4) и зарядом (+2). Такое же строение имеют ядра атома гелия (два протона + два нейтрона), поэтому α-частицы часто обозначают 24 He. Возникает излучение в результате альфа-распада, который характерен для радиоактивных изотопов с большими атомными номерами, находящимися в таблице Менделеева после свинца.

Испускание α-частицы приводит к образованию нового химического элемента, у которого заряд ядра меньше на две единицы и массовое число меньше на четыре единицы, чем у исходного элемента.

Например,

23892U→23490Th +α(24He) ;

22286 Rn→21884 Po +α(24He) .

MZ--24Y

Рис. 2. Схема α−распада.

Бета (β)-излучение представляет собой поток электронов или позитронов. Возникает оно в результате бета-распада ядра атома. Если в ядре есть избыток нейтронов, то один из них распадается с образованием протона, который остается в ядре, электрона, который испускается в виде бе- та-излучения, и антинейтрино, не имеющего массы покоя и заряда, но уносящего из ядра часть энергии. Антинейтрино очень трудно обнаружить, так как оно практически не взаимодействует с веществом.

7

e− – β−-частица

MZX

антинейтрино

Рис. 3. Схема β−−распада.

Например,

146 C→147 N + β− +νe

1532 P→1632S + β− +νe

Позитрон − античастица электрона − образуется при распаде ядра с избытком протонов. Такой тип распада (β+-распад) встречается гораздо реже, чем β−-распад.

Гамма (γ)-излучение представляет собой поток фотонов или квантов электромагнитного излучения. При наличии в ядре избытка энергии, например, после α- или β-распада, переход ядра из возбужденного (метастабильного) состояния (обозначается буквой m у массового числа) в стабильное может происходить путем гамма-изомерного перехода, т.е. с испусканием гамма-квантов. При этом атомный номер элемента и массовое число изотопа остаются прежними, меняется только энергетическое состояние ядра.

МZX

8

Рис. 4. Схема γ-изомерного перехода

Например, радиоактивный изотоп 137Cs претерпевает β– -распад с образованием 137mBa, испускающего при изомерном переходе гамма-квант:

13755 Cs → β − − распад →13756m Ba →13756 Ba + γ

Наряду с понятием «излучение» используется термин «радиация». Эти понятия одинаковы по смыслу и являются синонимами.

1.3. Энергия излучения

Энергия излучения, выделяющаяся при радиоактивном распаде ядра атома, несоизмеримо больше энергии обычных химических реакций.

Единицей измерения энергии ядерных изменений является электрон-

вольт (эВ). Электронвольт – это внесистемная единица энергии, равная энергии, которую приобретает электрон при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в 1В. 1 эВ = 1,6 • 10−19 Дж. Часто поль-

зуются производными единицами: 103 эВ – килоэлектронвольт (кэВ), 106 эВ – мегаэлектронвольт (МэВ) (см. Приложение, табл.1).

Альфа- и β-частицы обладают электрическим зарядом и непосредственно при прохождении через вещество производят ионизацию нейтральных атомов и возбуждение электронов атомных оболочек (непосредственно ионизирующее излучение). Гамма-излучение зарядом не обладает, но может выбивать электроны атомных оболочек, которые вызывают «вторичную» ионизацию (косвенно ионизирующее излучение).

1.4. Основные способы измерения радиоактивности

Измерение радиоактивности осуществляется посредством регистрации излучения, испускаемого радиоактивными атомами. В основе всех существующих в настоящее время методов измерения радиоактивности лежат явления взаимодействия излучений с веществом – возбуждение и ионизация. Условно методы и соответствующие детекторы регистрации радиоактивности можно разделить на следующие группы:

1.химические

2.ионизационные

3.оптические

9

1.4.1.Химические детекторы радиоактивности

Воснову этих методов положена способность излучений инициировать химические реакции атомов и молекул при их возбуждении и ионизации. Химическими детекторами могут быть газообразные, твердые и жидкие вещества. Например, в газовом детекторе используется закись азота

(N2O). Под влиянием ионизирующих излучений закись азота образует N2, NO, O2. Количество этих образовавшихся продуктов пропорционально активности радионуклида. Химические методы регистрации излучений в настоящее время применяются редко из-за небольшой чувствительности. Исключение составляет фотографический метод.

Фотографический метод (радиоавтография) является разновидно-

стью химических методов регистрации излучений. Исторически это первый метод регистрации излучений, с помощью которого была открыта радиоактивность (А. Беккерель, 1896 г.). Так в светочувствительных материалах (фотографическая эмульсия) ионизирующее излучение, так же как видимый свет, создает скрытое

изображение (рис. 5).

Для получения такого изображения (радиоавтографа) изучаемый образец размещают непосредственно на фотопластинке или фотопленке и экспонируют определенное время. Частицы или кванты высокой энергии взаимодействуют с галоидным серебром (например, AgBr) фотоэмульсии, восстанавливая его до металлического серебра. Затем пластинку проявляют и по степени потеемнения судят о наличии и локализации радионуклидов в образце.

Рис. 5. Радиоавтограф растения фасоли.

10

1.4.2. Ионизационные детекторы радиоактивности

Эти методы основаны на использовании явления прохождения электрического тока через газы или твердые полупроводники. Реализация ионизационных методов осуществляется различными приборами: электроскопом, ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком, счетчиком Гейгера-Мюллера, полупроводниковыми детекторами. Наибольшее распространение из этих приборов получили счетчики Гейгера-Мюллера, а в настоящее время – полупроводниковые детекторы.

Устройство и принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера

Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой герметичную емкость, заполненную газом, разряженным до 102-103 гПа. Внутри счетчика находятся два электрода: положительно заряженный анод и отрицательно заряженный катод. Анод выполнен в виде металлической нити, расположенной в центре счетчика. Катод – в виде металлического цилиндра – размещен, как правило, у стенки счетчика (рис.6).

В качестве газовой среды часто используют инертные газы, например, аргон. На электродах при помощи источника постоянного тока создается напряжение U1 = 200-3000 В.

На рисунке 7 схематично показан принцип действия счетчика Гейге- ра-Мюллера. Вверху в каждой из четырех частей рисунка представлены процессы, происходящие в самом счетчике; внизу (в виде графиков) – из-

11