Добрый день, Пикабу.
Для тех, кто не читал первый пост с основами материала об ионизирующем излучении - прошу, можете ознакомиться здесь.
Продолжаю тем временем развивать тему.
Дозиметрия ионизирующего излучения.
Как только человечество узнало про радиоактивный распад и стало тщательно изучать радиоактивные вещества, оно сразу же столкнулось с опасностью и вредом неконтролируемого ионизирующего излучения.
Первооткрыватель радиоактивности, Мария Склодовская-Кюри, стала одной из первых жертв обращения с радиоактивными веществами. Она погибла в 66 лет от вызванной облучением апластической анемии, это недостаточность выработки эритроцитов и гемоглобина, а также общее угнетение выработки всех клеток крови.
Её дочь, Ирен Жолио-Кюри, умерла в 58 лет из-за острой лейкемии, также вызванной облучением.
Для изучения влияния радиации на вещество, как живое, так и неживое, была создана наука дозиметрия. В рамках дозиметрии изучается также то, как зафиксировать и количественно оценить ионизирующее излучение. Радиационная безопасность, пределы доз населения и работников специальных предприятий - всё это тоже дозиметрия.
Как же измерить ионизирующее излучение?
Сначала ликбез про то, что забыл упомянуть в предыдущем посте.
Есть такое понятие, как "доза", поглощенная или, например, эквивалентная. Показывает сколько энергии передано веществу (и каким видом излучения, если это эквивалентная доза).
А вот чтобы понимать, сколько энергии передаётся веществу в единицу времени, используется понятие "мощность дозы". Мощность эквивалентной дозы измеряется, например, в зивертах в секунду. Или в минуту. Или в час. Я у себя на АЭС привык оценивать в микрозивертах в час (мкЗв/ч).
Как же измерить мощность дозы и саму полученную дозу? Есть на то специальные приборы с разными интересными датчиками.
Дозиметр, как и следует из названия, измеряет дозу излучения. Также измеряет мощность дозы излучения.
Современные дозиметры обычно измеряют поглощенную дозу. Для удобства оператора некоторые дозиметры умеют автоматически пересчитывать поглощенную дозу в эквивалентную.
Радиометр измеряет плотность потока излучаемых частиц (альфа и бета в основном). Показывает активность помещенного под датчик материала.
Дозиметр-радиометр это совмещенный прибор, может измерять как дозы излучения, так и подсчитывать активность радиоактивного материала.
Те приборы, которые вы можете купить для личного использования, обычно и есть дозиметры-радиометры. Например, обходи, обходи эту шелупонь РКС-20.03 «Припять» умеет измерять и мощность дозы гамма- и рентгеновского излучения, а также плотность потока бета-излучения.
Или же современный Радиаскан 701А умеет измерять как плотность потока альфа и бета частиц, так и мощность дозы гамма- и рентгеновских лучей.
К слову, такие приборы свободно продаются и стоят относительно недорого. При желании можно даже дешево купить советский армейский ДП-5 и измерять радиацию им, хотя лучше всё же пользоваться современными проверенными (и поверенными) приборами.
Как это всё работает?
Внутри дозиметра/радиометра стоит специальный детектор. Расскажу вам про некоторые из них.
Отдельный класс детекторов - газоразрядные. Ионизационная камера, пропорциональная камера, счетчик Гейгера - в общем смысле регистрируют изменение заряда в закрытом газовом объеме, вызванное ионизацией газа излучением.
Современные бытовые приборы в основном используют вариации счетчика Гейгера. Вот так, например, выглядит самый распространенный в России и недорогой счетчик Гейгера СБМ-20.
Такие или аналогичные датчики стоят в большинстве бытовых приборов. СБМ-20 недорог, при желании можно на его основе собрать собственный дозиметр. В интернете можно найти схему прибора, и если вы обладатель как минимум паяльника и прямых рук - то дерзайте.
А вот так выглядит ионизационная камера, которую использовал Пьер Кюри с 1895 по 1900 годы:
Как видите - ничего необычного и сверхнаучного. Металлическая банка с запорной арматурой для газа и с парочкой выводов для подключения электрической части.
Есть также сцинтилляционные детекторы - в них специальное вещество (сцинтиллятор) "превращает" полученную радиацию в световой поток, который на фотоэлектронном умножителе превращается в ток и усиливается. На выходе токовый сигнал, пропорциональный уровню излучения.
Вот фотография вещества-сцинтиллятора:
А вот так выглядит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), который "собирает" свет со сцинтиллятора и преобразует его в электричество:
Такие штуки используются всё же в специализированных лабораториях, в быту и в полях устройство на основе ФЭУ и сцинтиллятора будет громоздким и неудобным.
Полупроводниковые детекторы по своему принципу аналогичны газоразрядным, только вместо заполненной газом полости там используется объем полупроводника между двумя электродами.
Такие детекторы небольшие, поэтому современные прямопоказывающие дозиметры, которые носит персонал АЭС, обычно используют именно полупроводниковые детекторы для регистрации излучения. Вот такой выдают на моей станции:
Показывает полученную дозу, текущую мощность дозы, умеет устанавливать пределы дозы и мощности дозы, по достижению которых начинает истошно пищать. Вставляется в нагрудный карман и надёжно на нем крепится.
Для постоянного ношения у тех, кто работает с ионизирующим излучением, есть также личные, не прямопоказывающие дозиметры. Это небольшие устройства, которые "запоминают" полученную дозу. Периодически, обычно раз в квартал, эту дозу с прибора считывают и вносят в базу данных для учета.
Я лично ношу вот такую штуку, это термолюминесцентный дозиметр фирмы Harshaw:
Еще в истории дозиметрии есть такие интересные штуки, как пузырьковые камеры, камеры Вильсона, искровые камеры и так далее.
Очень интересно сделаны детекторы нейтронного потока. Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому прямой ионизации вещества не вызывают. Обычными детекторами нейтронное излучение не увидеть.
Для того, чтобы зафиксировать нейтроны, необходим особый детектор. Внутрь датчика ставится определенное вещество (радиатор, или конвертер), которое после взаимодействия с нейтроном даёт вторичное излучение (заряженные частицы или гамма-кванты), которое в дальнейшем и регистрируется стандартным путем.
Про бытовые приборы и детекторы - всё.
Следующим постом будет информация про природное, медицинское и техногенное облучение, и про получаемые при этом дозы. Он даже уже готов, но если выкладывать всё сразу - то получается слишком громоздко.
А пока - новая рубрика, ответы на вопросы, заданные в предыдущих постах.
Вопрос от товарища @Kivell:
Глубина проникновения альфа, бетта и гамма излучения, а также почему все таки свинец является защитным материалом от ионизирующего излучения
Альфа частицы, появившиеся в результате радиационного распада, имеют энергию в пределах от 1,8 до 15 мегаэлектронвольт.
В воздухе (ионизируя воздух и тормозя таким путем) такая частица может пройти путь до остановки примерно в 5-15 сантиметров.
В биологической ткани этот путь составляет сотые и десятые доли миллиметра.
От альфа-излучения обычных энергий, как видно, может защитить и обычная одежда и даже наружный слой кожи.
У бета-частиц, в зависимости от энергии, пробег в воздухе составляет единицы и десятки метров.
В биологическую ткань бета-излучение проникает глубже чем альфа-излучение. Глубина проникновения варьируется от долей миллиметра до единиц и даже десятков миллиметров для высокоэнергетичных частиц.
Таким образом, бета-излучение уже не останавливается одеждой. При работе с бета-излучателями желательно применять дополнительные слои стекла, плексигласа, металла между вами и источником излучения.
Гамма-излучение совсем плохо останавливается (поглощается) материалами.
Существует понятие: "слой половинного ослабления". Оно означает толщину слоя материала, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшится в два раза. Чем лучше вещество ослабляет излучение, тем меньше величина этого слоя.
Для определенных энергий гамма-излучения слой половинного ослабления такой:
Для воздуха ~85 метров.
Для свинца ~0.8 сантиметров.
Для стали ~1.3 сантиметра.
Для бетона - от 4 до 7 сантиметров.
Для вольфрама толщина слоя половинного ослабления составляет ~0,33 см, а для обедненного урана ~0.28 см, но оба этих материала весьма и весьма дороги.
Для промышленной защиты от гамма-излучения обычно используются самые эффективные и дешевые материалы - свинец, сталь, бетон.
Для дополнительной защиты при проведении определенных работ применяется листовой свинец. Тяжелый, зараза. Один ты его еле поднимешь, и даже вдвоем еле унесешь.
Вопрос от товарища @prostorspb:
Интересно было бы почитать про радиоактивный распад. Например, чем задаётся (регулируется)период распада? Чем один атом отличается от соседнего, если они распадаются за разный период?
Радиоактивный распад ядра - процесс статистический и зависит от внутренних свойств ядра.
Отдельно взятое ядро радиоактивного материала может распасться в любой момент, и никаких закономерностей в его распаде мы зафиксировать не успеем.
Но когда мы наблюдаем какое-то количество ядер одного и того же распадающегося вещества, то по активности и скорости изменения этой активности от всего количества ядер мы можем выяснить свойства этих ядер. Как пример такого свойства - постоянная распада λ, характеризует вероятность распада ядра в единицу времени.
Число еще не распавшихся ядер N(t) связано с начальным количеством ядер N₀ и постоянной распада λ вот таким соотношением:
Соответственно, и период полураспада (время, за которое распадется половина ядер от начального количества) также задается только внутренними свойствами ядра. Как-то повлиять на него или изменить его мы не можем никак.
Часто ошибочно считается, что за два периода полураспада распадётся всё радиоактивное вещество, присутствующее изначально. Это не так.
После первого периода полураспада останется половина от начального количества. После второго - останется половина от половины, то есть одна четвертая часть. После третьего периода полураспада останется одна восьмая от начального количества, и так далее.
