Дозиметрия и радиометрия — конспект и основные формулы

Дозиметрия и радиометрия — практические дисциплины, без которых невозможна работа на любом ядерном объекте. Этот конспект поможет систематизировать знания перед экзаменом.

Основные понятия

Дозиметрия — наука об измерении доз ионизирующего излучения и его воздействии на вещество и живые организмы.

Радиометрия — наука об измерении активности радионуклидов и характеристик полей ионизирующего излучения.

Дозиметрические величины

Экспозиционная доза (X)

Характеризует ионизирующую способность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе.

X = dQ / dm

Где dQ — суммарный заряд ионов одного знака, dm — масса воздуха.

Единицы: Кл/кг (СИ), Рентген (Р) (внесистемная). 1 Р = 2.58 × 10⁻⁴ Кл/кг.

Поглощённая доза (D)

Энергия, переданная излучением единице массы вещества.

D = dE / dm

Единицы: Грей (Гр) = 1 Дж/кг. Старая единица: рад. 1 Гр = 100 рад.

Керма (K)

Кинетическая энергия, переданная заряженным частицам в единице массы.

K = dE_tr / dm

Для фотонов в условиях электронного равновесия: K ≈ D.

Эквивалентная доза (H)

Учитывает различную биологическую эффективность видов излучения.

H_T = Σ w_R · D_T,R

Где w_R — взвешивающий коэффициент для излучения типа R:

Фотоны (любых энергий): w_R = 1
Электроны, мюоны: w_R = 1
Протоны: w_R = 2
Альфа-частицы, тяжёлые ядра: w_R = 20
Нейтроны: w_R = 2.5–20 (зависит от энергии)

Единицы: Зиверт (Зв). Старая единица: бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Эффективная доза (E)

Учитывает радиочувствительность разных органов и тканей.

E = Σ w_T · H_T

Где w_T — взвешивающий коэффициент ткани:

Костный мозг, толстая кишка, лёгкие, желудок, молочная железа: w_T = 0.12
Гонады: w_T = 0.08
Мочевой пузырь, пищевод, печень, щитовидная железа: w_T = 0.04
Кожа, костная поверхность, мозг, слюнные железы: w_T = 0.01
Остальные ткани (суммарно): w_T = 0.12

Сумма всех w_T = 1.

Мощность дозы

Доза в единицу времени:

Мощность поглощённой дозы: Ḋ = dD/dt (Гр/с, Гр/ч)
Мощность эквивалентной дозы: Ḣ = dH/dt (Зв/с, мЗв/ч, мкЗв/ч)
Мощность экспозиционной дозы: Ẋ = dX/dt (Р/ч, мР/ч)

Связь между величинами

Для гамма-излучения в мягкой ткани (при электронном равновесии):

D (Гр) ≈ 0.00873 × X (Р)
1 Р ≈ 8.73 мГр ≈ 8.73 мЗв (для фотонов, w_R = 1)

Активность

Активность (A) — число распадов в единицу времени.

A = λ · N = (ln2 / T₁/₂) · N

Единицы: Беккерель (Бк) = 1 распад/с. Кюри (Ки) = 3.7 × 10¹⁰ Бк.

Удельная активность

Массовая: A_m = A/m (Бк/кг)
Объёмная: A_V = A/V (Бк/м³, Бк/л)
Поверхностная: A_S = A/S (Бк/м²)

Формулы дозовых расчётов

Доза от точечного источника гамма-излучения

Ḋ = Γ · A / r²

Где Γ — керма-постоянная (гамма-постоянная) радионуклида (аГр·м²/(с·Бк)), A — активность, r — расстояние.

Примеры гамма-постоянных: - ⁶⁰Co: Γ = 84.7 аГр·м²/(с·Бк) - ¹³⁷Cs: Γ = 21.4 аГр·м²/(с·Бк) - ²²⁶Ra: Γ = 55.8 аГр·м²/(с·Бк)

Закон обратных квадратов

Ḋ₁ · r₁² = Ḋ₂ · r₂²

Увеличение расстояния вдвое снижает дозу вчетверо.

Ослабление экраном

Ḋ = Ḋ₀ · B · e^(−μd)

Где μ — линейный коэффициент ослабления, d — толщина экрана, B — фактор накопления (учитывает рассеянное излучение).

Слой половинного ослабления: d₁/₂ = ln2 / μ = 0.693 / μ

Примеры d₁/₂ для ⁶⁰Co (E ≈ 1.25 МэВ): - Свинец: 1.2 см - Железо: 2.2 см - Бетон: 6.2 см - Вода: 11.2 см

Доза за время облучения

D = Ḋ · t

Для распадающегося источника:

D = Ḋ₀ · (1 − e^(−λt)) / λ

Дозиметрические приборы

По назначению

Дозиметры: измерение поглощённой/эквивалентной дозы и мощности дозы
Радиометры: измерение активности источников и проб
Спектрометры: определение энергии и типа излучения
Индивидуальные дозиметры: контроль дозы персонала

По принципу действия

Ионизационные: ионизационные камеры, счётчики Гейгера–Мюллера, пропорциональные счётчики
Сцинтилляционные: NaI(Tl), CsI, пластиковые сцинтилляторы
Полупроводниковые: HPGe, Si(Li) — высокое энергетическое разрешение
Термолюминесцентные (ТЛД): LiF, CaF₂ — для индивидуальной дозиметрии
Плёночные: радиографическая плёнка

Счётчик Гейгера–Мюллера

Самый известный дозиметрический прибор:

Регистрирует отдельные частицы/фотоны
Характерные щелчки — каждый щелчок = одна зарегистрированная частица
Прост и надёжен, но не различает энергию излучения
Мёртвое время: ~100–200 мкс (ограничивает максимальную скорость счёта)

Вывод

Дозиметрия и радиометрия — практический инструментарий для работы с ионизирующим излучением. Знание дозовых величин, формул расчёта защиты и принципов работы приборов — обязательный навык для каждого специалиста ядерной отрасли.