Рентгеновское излучение Ускорители элементарных частиц и ионов. Первый бетатрон для ускорения электронов Реактор БИГР Атомные батареи в космосе Атомные батареи для маяков, бакенов Космические ядерные аварии
Импульсные реакторы Излучатели нейтронов Лекции по радиобиологии Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Атомные реакторы и батареи. Радиобиология

Источниками практически всех видов ионизирующих излучений являются ускорители элементарных частиц и ионов.

Создание первых ускорителей Дж.Кокрофтом и Э.Уолтоном, Р.Ван-де-Графом, Э.Лоуренсом в 1931-32 открыло новую эру в ядерной физике. Экспериментаторы получили в свое распоряжение удобные инструменты, на которых можно было получать пучки ускоренных заряженных частиц с энергией от нескольких десятков кэВ до десятков МэВ. Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ.

Ускорители заряженных частиц – установки для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий с помощью электрического поля. Частицы движутся в вакуумной камере; управление их движением (формой траектории) производится магнитным полем. По характеру траекторий частиц различают циклические и линейные ускорители, а по характеру ускоряющего электрического поля - резонансные и нерезонансные ускорители. К циклическим относятся ускорители электронов: бетатрон, микротрон, синхротрон и ускорители тяжелых частиц (протонов и др.): циклотрон, фазотрон и протонный синхротрон. Все циклические ускорители, за исключением бетатрона, - резонансные. Линейные высоковольтные ускорители дают интенсивные пучки частиц с энергией до 30 МэВ. Самую высокую энергию электронов дают линейные резонансные ускорители (20 ГэВ), протонов – протонный синхотрон (500 ГэВ). Помимо первичных пучков ускоренных заряженных частиц, ускорители являются источником пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и т.д.), получаемых при взаимодействии первичных частиц с веществом.

Возникновение ускорителей инициировалось в первую очередь интересом превращения одних химических элементов в другие. Действительно, для превращения одних атомов в другие необходимо разогнать субатомные частицы (протоны или электроны) и бомбардировать ими атомные ядра. Впервые такие превращения удалось совершить в 1919 г., используя α- частицы, испускаемые радиоактивными элементами. Однако скорость таких частиц была недостаточной, поэтому пришлось разработать специальные установки, которые бы разгоняли большее количество частиц до большей скорости. Такие установки получили название линейных ускорителей.

В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы. В ускорителях прямого действия (линейный ускоритель Ван-де-Графа на базе электростатического генератора) заряженная частица, имеющая заряд Ze, ускоряется в постоянном электромагнитном поле, приобретая кинетическую энергию T соответствующую высокому напряжению V создаваемому источником.

T = ZeV. В таких ускорителях частицы могут приобретать энергию до ~10 МэВ. Их существенным преимуществом является непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка (~0.01%).

Ток пучка на ускорителях Ван-де-Граафа может достигать нескольких миллиампер. Линейный ускоритель – ускоритель заряженных частиц, в котором траектории частиц близки к прямым линиям. Максимальная энергия электронов, достигаемая на линейном ускорителе, 20 ГэВ, протонов до 800 МэВ.

В научной, учебной литературе, на практике для измерения радиоактивности, доз ионизирующих излучений используются единицы измерений, как в системе СИ, так и внесистемные единицы. В таблице 3 приведены соотношения между внесистемными единицами и единицами в системе СИ для обозначения физических величин, используемых в радиобиологии.

Таблица 3

Основные физические величины дли определения доз в радиобиологии

Физическая величина

Название и обозначение единиц

Соотношение между

единицами

Внесистемная

Система СИ

Активность источника ионизирующих излучений

 Кюри ( Ки, Ci)

Беккерель

 (Бk, Bq)

1 Ки = 3,7 Ч10-10 Бк

1 Бк = 2,7 Ч10-11 Ки

Экспозиционная доза

 Рентген ( Р, R)

Кулон на кило-

грам (КлЧкг-1, CЧkg-1)

1 Р = 2,58 Ч10-4 Кл/кг

1 КлЧкг-1= 3876 Р

Мощность экспозиционной дозы

Рентген в секунду

(РЧс-1, RЧc-1)

Кулон на килограмм в секунду

(КлЧкгЧс-1)

1РЧс= 2,58Ч10-4 КлЧкгЧ с-1

1 КлЧкгЧ с1= 3876 РЧс-1

Поглощенная доза

Рад (рад, rad)

Грей (Гр, Gr)

1 рад =10-2 Гр

1 Гр = 100 рад

Мощность поглощенной дозы

Рад в секунду

(радЧс-1, radЧс-1)

Грей в секунду

(ГрЧс-1, GrЧс-1)

1 рад/с =10-2 Гр/с

1 Гр/с = 100 рад/с

Эквивалентная доза

Бэр (бэр, rem)

Зиверт

(Зв, Sv)

1 бэр=10-2 Зв

1 Зв = 100 бэр

Мощность эквива-

лентной дозы

Бэр в секунду

(бэрЧс-1, remЧс-1)

Зиверт в секунду

(ЗвЧс-1, SvЧс-1)

1 бэр/с=10-2 ЗвЧс-1

1 Зв/с = 100 бэрЧс-1

Контрольные вопросы и задания:

Как Вы понимаете термин «относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений»?

Что означает термин «стандартное ионизирующее излучение» и каковы ее параметры?

Как вы понимаете термины «поле излучения», «облучаемый объект»?

 Какие единицы используются для измерения экспозиционной дозы излучения?

Существует ли зависимость между мощностью экспозиционной дозы и эквивалентной дозой? Объясните.

Какая зависимость существует между начальной энергией ионизирующей частицы  и ЛПЭ в веществе?

Как зависит ОБЭ от ЛПЭ ионизирующего излучения?

  Какие параметры (характеристики) излучения необходимо знать для подсчета эквивалентной дозы, эффективной дозы?

Объясните значение терминов «источник излучения», «поле излучения», «облучаемый объект».

Опишите процесс «избыточного» поражения в биологических объектах?

Изотопные источники - устройства, в которых идут ядерные реакции собразованием нейтронов. При этом излучение, испускаемое радионуклидом (например, а-частицы) вступает в ядерную реакцию со специально подобранным веществом (например, бериллием), в результате которой образуются нейтроны.

Другой тип радионуклидного источника нейтронов строится на калифорний-бериллиевой смеси.

Генераторы нейтронов обычно выдают нейтроны со средней энергией 14 МэВ (по d-t реакции) и 2.5 МэВ (по d-d реакции).

Электростатический генератор – устройство, в котором напряжение создается при помощи механического переноса электрических зарядов механическим транспортером.


Энергетика