EAiE	Halina Mańka Krzysztof Kuczek			Grupa III		Zespół 5
Prac. Fizyczna	Temat: Dozymetria					Nr ćw. 96
Data wykonania:	Data oddania:	Zwrot do poprawy	Data odbioru		Data zaliczenia	Ocena

I. Rozpady promieniotwórcze

Promieniotwórczość naturalna to wysyłanie pewnego niewidzialnego promieniowania przez jądra niektórych ciężkich pierwiastków. Rozróżniamy kilka rodzajów promieniowania : α(strumień jąder helu), β (strumień elektronów lub pozytonów,) i , towarzyszące dwu poprzednim, γ (fala elektromagnetyczna ). Każde z nich ma inne własności. Promieniowanie α , ze względu na niosący ze sobą ładunek, ulega odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym, ma dużą zdolność jonizacyjną, jest mało przenikliwe wywołuje fluorescencję (np. siarczku cynku).Promieniowanie β, podobnie jak α, ulega odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym oraz wywołuje fluorescencję, ale jego masa jest mniejsza i jest bardziej przenikliwe.Natomiast γ ma zupełnie inne własności: nie ulega niewielkiemu odchyleniu w polu magnetycznym i elektrycznym , ponieważ nie niesie ładunku , ma mała zdolność jonizacji ,ale jest bardzo przenikliwe (bardziej niż promienie Roentgena). Rozchodzi się ono z prędkością światła, ulega dyfrakcji, interferencji, polaryzacji - a więc posiada cechy odpowiadające jego charakterowi - fali.

Zgodnie z prawem przesunięć dla pierwiastków α - promieniotwórczych w reakcji :

powstaje jądro pierwiastka, które jest przesunięte o dwa miejsca w układzie Mendelejewa względem jądra macierzystego w stronę początku układu.

Dla pierwiastków β- promieniotwórczych w reakcji :

powstaje jądro pierwiastka, które jest przesunięte o jedno miejsce w układzie Mendelejewa względem jądra macierzystego w stronę końca układu.

Rozróżniamy kilka podstawowych rodzin promieniotwórczych. Zostały one zestawione w poniższej tabelce :

Nazwa rodziny	Jądro pierwotne	Trwałe jądro końcowe
Uranowa
Aktynowa
Torowa
Neptunowa

Działanie i wykrywanie promieniowania jonizującego

Promieniowaniem jonizującym nazywamy każde promieniowanie wywołujące jonizację ośrodka materialnego, w którym się ono rozchodzi. Znamy następujące rodzaje promieniowania jonizującego:

• emitowane przez jądra: cząstki α , β , promieniowanie γ , neutrony

• emitowane przez atomy: promieniowanie rentgenowskie

Do wykrywania promieniowania promieniowania jądrowego służą detektory, które dzielimy na

a) śladowe:

- komora Wilsona

- komora pęcherzykowa

- klisza jądrowa

- komora Charpaka

b) liczniki:

- licznik Geigera - Millikana

- licznik scyntylacyjny

- licznik koincydencyjny

Rozpad jąder promieniotwórczych zachodzi zgodnie z prawem określającym zależność od czasu liczby jąder, które nie uległy dotąd przemianie promieniotwórczej:

N₀ - liczba jąder izotopu promieniotwórczego w chwili t = 0;

N(t) - liczba jąder tego izotopu, które po czasie t nie uległy jeszcze rozpadowi;

λ - stała rozpadu.

Zachodzi związek:

T_1/2 - okres połowicznego rozpadu (zaniku), czyli czas po upływie którego liczba jąder izotopu promieniotwórczego maleje do połowy pierwotnej ich liczby N₀.

Wiązka promieniowania przechodząca przez materię doznaje osłabienia na skutek utraty energii na jonizację materii. Przez I₀ oznaczamy natężenie wiązki padającej. Po przejściu warstwy o grubości d natężenie I maleje wykładniczo według prawa

I=I₀e^-μd

Współczynnik μ zwany współczynnikiem osłabienia, zależy od materiału absorbującego jak również od rodzaju promieniowania. Logarytmując powyższe równanie mamy

Często stosuje się pojęcie tzw. grubości połówkowej d_1/2 po przejściu której natężenie promieniowania spada do połowy wartości pierwotnej (I=I₀/2). Podstawiając powyższy warunek do ostatniego wzoru otrzymujemy:

Promieniowanie jonizujące, które może okazać się bardzo niebezpieczne dla organizmu ludzkiego (choć bywa także wykorzystywane w medycynie) pochodzić może z dwojakiego rodzaju źródeł :

a) źródeł naturalnych - promieniowanie:

- kosmiczne

- emitowane przez izotopy występujące w skorupie ziemskiej

- emitowane przez izotopy występujące w organizmie człowieka.

b) źródeł sztucznych - czyli uzyskanych w procesach technologicznych i wykorzystywanych przez człowieka do celów zastosowań np. w medycynie, przemyśle czy w energetyce jądrowej.

W wyniku jonizacji atomów żywych komórek następują znaczne zmiany biologiczne organizmu : genetyczne i somatyczne. Oczywiście część uszkodzonych w ten sposób komórek może zostać odbudowana w wyniku naturalnych procesów biologicznych . Jednak znaczna ich cześć obumrze, będzie nieprawidłowo funkcjonować (co może prowadzić do chorób nowotworowych). Szczególnie wrażliwe są cząsteczki DNA komórek rozrodczych. Z punktu widzenia oddziaływania biologicznego różne rodzaje promieniowania jonizującego różnią się między sobą gęstością wywołanej jonizacji, zasięgiem w poszczególnych tkankach oraz przestrzennym rozkładem produkowanych jonów. W celu ilościowego rozważania biologicznych skutków oddziaływania promieniowania jonizującego na organizm ludzki a także umożliwienia ich porównywania wprowadzono następujące wielkości charakterystyczne: dawka, równoważnik dawki i współczynnik jakości Q. Dawka pochłonięta D₀ jest to energia zaabsorbowana przez jednostkę masy (1kg) napromieniowanej substancji. Jednostką dawki jest 1 gray, który odpowiada energii 1 J zaabsorbowanej przez masę 1 kg: 1[Gy] = 1[J/kg]. Wpływ promieniowania zależy także od jego rodzaju, (promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie γ czy elektrony są mniej groźne przy danej dawce niż neutrony czy cząstki α ) i jest określany przez tzw. współczynnik jakości Q. Poniżej podano wartości współczynników Q dla różnych typów promieniowania, np. promieniowanie X, γ ma Q=1, cząstki α-Q=20.

Parametrem, który uwzględnia rodzaj promieniowania absorbowanego w organizmie jest równoważnik dawki H, określany równaniem H = D_oQ Mierzony on jest w sievertach lub remach (1Sv = 100 rem). Sievert jest to dawka absorbowana dowolnego rodzaju promieniowania jonizującego, który wywołuje identyczny skutek biologiczny jak dawka absorbowana 1 Gy promieniowania X lub γ. Skutki biologiczne oddziaływania promieniowania jonizującego zależą również od tego, czy źródło promieniowania znajduje się poza organizmem człowieka (napromieniowanie zewnętrzne) czy wewnątrz organizmu (napromieniowanie wewnętrzne). Ochrona przed napromieniowaniem zewnętrznym polega na skracaniu czasu narażenia, zwiększaniu odległości od źródła promieniowania oraz wprowadzaniu warstwę materiału osłonowego pomiędzy źródło a człowieka narażonego na nie. Dobór materiału, ochronnego zależy od rodzaju promieniowania emitowanego przez źródło. Dla ochrony przed promieniowaniem γ (X) , które jest o wiele bardziej przenikliwe niż promieniowanie α czy β o tej samej energii, jako osłony stosuje się cegły ołowiane bądź uranowe . Jako osłony przed promieniowaniem β wystarczy stosować płyty aluminiowe lub plexiglasowe. Osłonę przed neutronami zapewniają materiały spowalniające neutrony - takie jak woda czy parafina -i pochłaniające je takie jak np. żelazo kadm .

Nawet duże dawki promieniowania jądrowego oraz promieniowania rentgenowskiego nie są odczuwane przez receptory ludzkie w czasie oddziaływania i dlatego aby kontrolować dawki , na które narażony jest człowiek należy stosować odpowiednie detektory , które nazywamy dozymetrami. Dozymetr musi rejestrować sumaryczny strumień danego promieniowania , mierzyć dawkę (wydzielaną w dozymetrze energię albo prąd jonizacyjny), a także symulować żywą tkankę pod względem pochłaniania promieniowania.Kontrolę narażenia zewnętrznego można przeprowadzić przez pomiar mocy równoważnika dawki w otoczeniu źródeł promieniowania , lub przez pomiar dawek indywidualnych , pochłoniętych przez osoby narażone zawodowo na promieniowanie. Moc równoważnika dawki promieniowania X czy γ określa się poprzez pomiar dawki ekspozycyjnej .

Moc dawki promieniowania γ (X) w zależności od aktywności źródła można określić za pomocą poniższego wzoru przy założeniu, że źródło promieniowania jest punktowe (tzn. jeżeli odległość od źródła jest co najmniej 10 razy większa od największego wymiaru liniowego źródła):

gdzie:

D - dawka ( wyrażone w )

A - aktywność źródła

r - odległość od punktowego źródła promieniowania w metrach

t - czas w godzinach

I_g - stała charakterystyczna dla danego izotopu promieniotwórczego

Zwykle trzeba wprowadzać poprawkę na osłabienie wewnętrzne promieniowania źródła (samoabsorbcję):

gdzie:

A - aktywność źródła

m - współczynnik absorpcji promieniowania w źródle

l - grubość źródła

Najczęściej stosowanymi detektorami promieniowania w radiometrach (przyrządach dozymetrycznych) są komory jonizacyjne, chlorowcowe liczniki Geigera - Müllera, detektory półprzewodnikowe, liczniki scyntylacyjne. Liczniki Geigera - Müllera mogą być wykorzystywane do detekcji promieniowania jonizującego. Liczniki okienkowe GM wykorzystuje się jako detektory promieniowania o niewielkiej przenikliwości a więc przede wszystkim do pomiarów miękkiego promieniowania X oraz promieniowania a b. W licznikach chlorowcowych (Cl2, Br2). Zaletą ich w porównaniu do tzw. alkoholowych liczników GM jest poprawna praca przy niskim ciśnieniu czynnika gaszącego a także fakt rekombinacji cząsteczek czynnika gaszącego w trakcie pracy co pozwala na uzyskanie stosunkowo długiego czasu życia (108 - 109 impulsów ). Typowy skład gazowej mieszaniny wypełniającej to 200mm Hg Ne + 1 mm Hg Ar + 1mm Hg Br2 a napięcie pracy wynosi wtedy ok. 300 V.

Najprostszymi przyrządami do pomiaru mocy dawki są radiometry. W niniejszym ćwiczeniu będzie wykorzystywany radiometr kieszonkowy przeznaczony do kontroli dawek promieniowania g oraz b.

---