Сделай Сам Свою Работу на 5

Естественный радиоактивный фон Земли.





Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения(попадание в организм). Остальную часть вносят космические лучи и источники земной радиации, главным образом путем внешнего облучения.

Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровень, фосфатных удобрений, герметизация помещений и даже полеты на самолетах - все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации.

Земная радиация

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, - это K-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от U-238 и Th-232 - долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентраций радионуклидов в том или ином участке земной коры.(Бразилия, Иран-max!)



В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет K-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда U-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда Th-232.

Некоторые из них, например нуклиды. Pb-210 и Po-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения.

Радонвысвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара. Rn-222, (продукты распада U-238), и в виде Rn-220, (ряд Th-232).

--Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе.



--повышенная радиоактивность некоторых строительных материалов.

--вдыхание паров воды с высоким содержанием радона, например в ванной комнате.

--природный газ содержащий радон.

Аэроионы:

В приземном слое атмосферы небольшая часть молекул подвергается ионизации под воздействием космических лучей, излучения радиоактивных горных пород и продуктов распада радия (в основном радона) в самом воздухе. В процессе ионизации атом теряет электрон и приобретает положительный заряд. Свободный электрон быстро соединяется с другим атомом, образуя отрицательно заряженный ион (аэроион). То есть человеку, животным и растениям уже генетически предопределено дышать ионизированным воздухом. Только такой воздух способствует сохранению организма в здоровом состоянии до глубокой старости, благоприятное влияние на организм оказывают именно отрицательные ионы. Парные положительные и отрицательные ионы имеют молекулярные размеры. Молекулы в атмосфере стремятся группироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул, объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый обычно «легким ионом».

В атмосфере присутствуют также комплексы молекул, известные в метеорологии под названием ядер конденсации, вокруг которых при насыщении воздуха влагой начинается процесс конденсации. Эти ядра представляют собой частички соли и пыли, а также загрязняющих веществ, поступающих в воздух от промышленных и других источников. Легкие ионы часто присоединяются к таким ядрам, образуя «тяжелые ионы».



Под воздействием электрического поля легкие и тяжелые ионы перемещаются из одних областей атмосферы в другие, перенося электрические заряды. Хотя обычно атмосфера не считается электропроводной средой, она все же обладает небольшой проводимостью. Поэтому оставленное на воздухе заряженное тело медленно утрачивает свой заряд.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ (КЛ) - поток заряж. частиц высокой энергии, преим. протонов, приходящих к Земле приблизительно изотропно со всех направлений космич. пространства. КЛ напоминают сильно разреженный газ, частицы к-рого практически не сталкиваются друг с другом, но взаимодействуют с веществом и эл.-магн. полями межзвёздного и межпланетного пространства. Ядра атомов разл. элементов, входящие в состав КЛ, полностью лишены электронов и обладают огромными кинетич. энергиями (вплоть до 1020 эВ).

Первичные КЛ:

-метагалактичсские КЛ --самые энергичные частицы.

-галактические КЛ (ГКЛ).

-солнечные КЛ (СКЛ).

Вторичные КЛ,- большое количество вторичных частиц (протонов, электронов,мезонов, фотонов и др.) к-рые затем регистрируются приборами на Земле.

Важная особенность КЛ - нетепловое происхождение их энергии. КЛ приобретают энергию в специфич. астрофизич. процессах эл.-магн.и плазменной природы.

Состав космических лучей. Более 90% частиц КЛ всех энергий составляют протоны, 7% - ядра гелия (-частицы) и лишь небольшая доля (1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов(эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон).

в КЛ значительно больше лёгких ядер (Li, Be,В) и тяжёлых ядер с Z20. Большое количество ядер Li, Be, В по сравнению со ср.распространённостью связано, вероятно, с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды.

Вариации КЛ. Проникая в Солнечную систему, первичные ГКЛ вступают во взаимодействие с межпланетным магн. полем гелиосферы, к-рое формируется намагниченной плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер). Параметры гелиосферы изменяются с изменением солнечной активности в течении 11-летнего цикла, и в ГКЛ наблюдается модуляция интенсивности, наз. 11-летней вариацией. Интенсивность КЛ изменяется в противофазе с солнечной активностью. Кроме 11-летней наблюдаются ещё 27-дневная, солнечно-суточная вариации.

Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли. Попадая в атмосферу Земли, высокоэнергичные первичные КЛ (протоны и др. ядра) испытывают столкновения с ядрами атомов воздуха (в основном азота и кислорода). В результате взаимодействия происходит расщепление ядер и рождение нестабильных элементарных частиц. протон успеет неск. раз вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха. Поэтому вероятность дойти до уровня моря у первичных КЛ крайне мала. На больших глубинах в атмосфере регистрируется вторичное излучение, разделяемое в соответствии с природой и свойствами на ядерно-активную, мюонную и электронно-фотонную компоненты (рис. 2).

В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элементарные частицы, среди к-рых гл. роль играют -мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться -мезоны образуют 3)ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до 109 эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

2)Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных-мезонов.

Высокоэнергичные мюоны взаимодействуют с веществом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю.

Возникновение 1)электронно-фотонной компоненты связано с распадом –мезонов. В кулоновском поле ядер каждый g-фотон рождает электрон-позитронную пару . Засчёт тормозного излучения этой пары вновь возникают -фотоны, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до тех пор, пока преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии -фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада.

Из-за высокой изотропии ГКЛ наблюдения у Земли не позволяют однозначно установить, где они рождаются и как распределены во Вселенной.

КЛ незаменимы в качестве естеств. источника частиц высокой энергии при изучении элементарной структуры вещества и взаимодействий между элементарными частицами.

При взаимодействии обладающих высокой энергией космических лучей с отдельными составляющими атмосферы также образуются радиоактивные изотопы.( 14С)

Изотопные источники заряженных частиц и γ – квантов.

Изотопы γ – квантов --60Co 75Se 137Cs 134Cs 137Ba 155Eu. Источниками γ являются β-активные препараты, Высокие мощности экспоз дозы γ имеются у отработавших тепловыделяющих элементов мощных атомных реакторов. γ излучение может также генерироваться в ускорителях e с их взаимодействием с мишенью.Источниками заряженных частиц являются в основном ускорители частиц.

НЕЙТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ, устройства или в-ва, излучающие нейтроны. Самые мощные нейтронные источники-ядерные реакторы, испускающие до 5.1015 нейтронов в секунду с 1 см2 активной зоны реактора. Благодаря наличию замедлителей обычно получают значит. кол-во в потоке тепловых нейтронов с энергией ок. 0,06 эВ. В т. наз. н е й т р о н н ы х г е н е р а т о-р а х-электростатич. ускорителях заряженных частиц -получают почти моноэнергетич. потоки нейтронов в интервале энергий от 1,5 до 20 МэВ с интенсивностью до 1010 нейтрон/с в результате р-ции 2Н + 3Н4Не + п. Нейтронные генераторы широко используют для нейтрон-но-активац. анализа материалов, нейтронного каротажа геол. пород. В нейтронографии используют в качестве нейтронных источников ядерный реактор, работающий в импульсном режиме.

Простейшими нейтронными источниками являются радионуклиды, излучающие нейтроны в результате спонтанного деления атомных ядер. Наиб. распространены 252Cf, ядра к-рого делятся спонтанно с испусканием большого кол-ва нейтронов-2,34.1012 с-1 г-1, и однородные смеси, состоящие из порошка Be, Li (или др. в-ва) и излучателя a-частиц либо источника g-излучения. Под действием a-излучения из ядер, напр. Be, испускаются нейтроны: 9Ве + 4Не12С + п + 5,704.Поток нейтронов радионуклидных источников составляет от 1•103 до 2•1010 с-1 в угле рассеяния 4p.

В т. наз. а м п у л ь н ы х нейтронных источниках радиоактивный материал заключают в герметичные оболочки (ампулы) из прочного и химически стойкого материала (нержавеющая сталь, платина, тантал, цирконий). Осн. достоинства ампульных нейтронных источников: компактность, портативность, возможность контролирования потока нейтронов определенной интенсивности, надежность и безопасность. Наиб. миниатюрные калифорниевые нейтронные источники используются в медицине для лечения злокачеств. опухолей.

Ускорители заряженных частиц.-класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий

Линейный ускоритель

Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускоритель, в котором частицы пролетают однократно. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени (!) энергии частиц. E=20 МэВ и выше.

Бетатро́н— циклический ускоритель электронов с постоянной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля.

Циклотрон- циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты. В циклотроне ускоряемые частицы движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров(3), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц(2). Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генераторомВЧ(4), которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона. Условие синхронизации:T=2πm/(q*B) Минус метода- небольшие E частиц.

Фазотрон- (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты). В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота p ускоряющего электрического поля меняется. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, a-частиц). Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора - конденсатора переменной ёмкости, включенного в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка.Крупнейшие современные фазотроны дают протоны с кинетической энергией до 1000 Мэв.

Синхрофазотрон--Циклический ускоритель рс постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. При этом wy и В меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты R оставался постоянным.Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами.При энергиях выше 1 Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.

Синхротрон-Циклический ускоритель е с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем. Синхротрон действует по резонансному принципу уcкорения, то есть пролетающие частицы попадают в ускоряющее поле всегда в резонанс с изменением поля.Энергии около 20 ГэВ.

УСКОРИТЕЛИ В МЕДИЦИНЕ

Ускорители играют важную практическую роль в медицинской терапии и диагностике. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным.

В медицине линейные ускорители используются как основной элемент радиотерапии и радиохирургии (источник рентгеновского излучения), Используется в промышленности для изготовления различных изотопов химических элементов и для стерилизации медицинского оборудования.

 

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ,приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву e от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Ионизационные приборы.

Рис. 1. СХЕМА ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ, которая собирает ионы, возникающие в результате ионизации газа. На два проводящих электрода, катод и анод, подано высокое напряжение. Частица, пролетающая сквозь газ, создает ионы, при этом положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные – к аноду.

Ток, ионизации, i = nq/t, где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд иона,. Полные потери энергии частицы E = nk, где n – число образованных ионов, которое можно определить по i или u в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Все измеренные величины, будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

. Рис2.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР представляет собой твердотельный электронный прибор. Обратное напряжение, приложенное к pn-переходу, удаляет свободные носители, создавая обедненную область. При прохождении через эту область ионизующей частицы возникают свободные носители заряда, которые диффундируют в противоположных направлениях, создавая электрический ток. k,необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3эВ,(в газовом – 30 эВ).Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры.возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии. Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам,. Однако их конструкция имеет свои особенности.Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов.

Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера.Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток выхода. Если увеличить высокое напряжение на ионизационной камере, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению сигнала. Детектор, работающий в таком режиме, называют пропорциональным счетчиком, поскольку импульсы напряжения, снимаемые со счетчика, пропорциональны числу первоначально возникших ионов. Число вторичных ионов, создаваемых в среднем каждым первичным ионом, зависит от напряженности электрического поля в счетчике.В камерах с центральной нитью в качестве анода, окруженной цилиндрическим катодом, поле неравномерно и увеличивается вблизи анода. В такой геометрии удается достичь коэффициента усиления в несколько тысяч. С какого-то момента сигнал счетчика перестает быть пропорциональным первичной ионизации и ненамного увеличивается с повышением напряжения. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера. Цилиндрический счетчик Гейгера — Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 1500 В. Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма — кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него e. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов e и создают положительные ионы и свободные e. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет e до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счетчика является его эффективность. Не все гамма-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные e и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма- лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных e поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема

При наличии излучений разных видов счетчик Гейгера дает лишь общее число частиц, прошедших через детектор, а пропорциональный счетчик позволяет анализировать излучение по его виду и энергии. Такими же возможностями обладают и полупроводниковые детекторы, а также многие из рассматриваемых ниже детекторов других типов. недостатком счетчика Гейгера — Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счетчиках.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.