Единицы измерения радиоактивности и радиоактивных излучений.

Одна из особенностей радиоактивности заключается в том, что атомы радиоактивных веществ распадаются не одновременно. Причем в единицу времени распадается строго определенная доля атомов для данного радиоактивного изотопа. Время, в течение которого количество радиоактивных атомов вещества уменьшается наполовину называется периодом его полураспада Т. Период полураспада может колебаться в широких пределах: от миллионных долей секунды (для полония 212 – 3*10^-7 сек) до миллиардов лет (для урана 238 – 4,5 млрд. лет). Чем меньше период полураспада, тем большее число атомов распадается в единицу времени. Для количественной оценки радиоактивного вещества важно знать не его вес, а число его атомов, распадающихся в единицу времени, т.е. активность изотопа. В качестве единицы активности а системе СИ принят беккерель (Бк). Активность 1 БК – это один распад в секунду. Однако на практике еще используется внесистемная единица кюри (Ки). Кюри соответствует 37 млрд. распадов в секунду (1Ки = 3,7*10¹⁰ Бк). Такой, несколько странный выбор единицы активности связан с радием-226 исторически первым веществом, в котором были изучены законы радиоактивного распада. Активность 1 грамма радия равна 1Ки.

Чтобы оценить ионизирующее действие радиоактивных излучений введено понятие доза излучения. Существует экспозиционная и поглощенная доза. Экспозиционная доза в системе единиц СИ измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). До сих пор используется внесистемная единица, введенная еще в 1928 г. только для рентгеновского и гамма-излучения, которая создает в 1 см³ воздуха примерно 2 млрд. пар ионов, несущих одну электростатическую единицу заряда 1 рентген равен 2,58*10^-4 Кл/кг или 1 Кл/кг=3876 Р. Рентген определяет ионизирующую способность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе. А для того, чтобы оценить те изменения, которые будут происходить в облучаемом объекте под воздействием любых видов излучений на конгрессе радиологов в Копенгагене (1953 г.) рекомендовано пользоваться поглощенной дозой.

Поглощенная доза. В качестве единицы поглощенного дозы был избран рад (rad, по первым английским буквам словосочетания «radiation absorbed dose» - радиационная абсорбированная доза). Рад – единица поглощенной дозы любого вида излучения, при которой одним граммом вещества поглощается энергия 100 эрг. В системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр – поглощенная доза, при которой в одном килограмме вещества независимо от вида излучения количество образующейся энергии составит 1 джоуль (1 Гр = 1Дж/кг = 100 рад) или 1 рад = 10^-2Гр = 1 сантигрей. При соблюдении условия электронного равновесия можно считать, что в воздухе экспозиционная доза 1 Р соответствует поглощенной дозе 0,87 рад. Поглощенная энергия в воде и биологических тканях отличается на 5-10 от поглощенной энергии в воздухе и колеблется в пределах от 0,82 до 0,93 рад при дозе 1 Р. Таким образом, один рентген экспозиционной дозы примерно равен одному рад поглощенной дозы в биологической среде (1 Р ≈ 1 рад ≈ 1 сГр).

Эквивалентная доза. Биологическая эффективность различных видов излучения при одной и той же поглощенной дозе не одинакова. Живой организм реагирует на облучение не только величиной поглощенной энергии, но и на вид излучения, на то как распределяется энергия по клеточным структурам. Для удобства биологический эффект от воздействия любого вида излучения сравнивают с воздействием на живой организм рентгеновского или гамма-излучения, приняв его за единицу биологической эффективности. Такая доза, которая вызывает биологическое действие равное (эквивалентное) действию 1 рада рентгеновского или гамма-излучения была названа бэром (бэр), т.е. эквивалентная доза определяется как произведение поглощенной дозы на некий коэффициент Q-фактор качества или относительная биологическая эффективность (ОБЭ) присущий определенному виду излучения:

Д_экв. = Д_погл. * Q

эквивалентная поглощенная фактор

доза доза качества

Q – фактор качества излучения для гамма-излучения равен единице, для быстрых нейтронов эквивалентен 10, при облучении альфа-частицами Q=20. Это означает, что даже малые поглощенные дозы некоторых видов излучения способны вызвать серьезные биологические последствия. В системе СИ единицей эквивалентной дозы называется зиверт (Зв) 1 Зв = 100 бэр или 1 бэр = 1 сантизиверт (10^-2 Зв).

Эффективная доза (Е) используется для оценки риска возникновения стохастических (т.е. случайных, вероятностных.е. ценки риска возникновения стохастических ()орых видов излучения способны вызвать серьезные биологические последствия. го ил) эффектов облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Радиочувствительность – выраженность реакций организма в целом, а также различных систем тканей и клеток на воздействие ионизирующего излучения.

Единица эффективной дозы – также зиверт (Зв).

Существует эффективная коллективная доза - мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы – человеко-зиверт (чел.-Зв). Приборы, предназначенные для измерения доз облучения, называется измерителями дозы (ИД) или дозиметрами. Они входят в общее число дозиметрических приборов (ДП), применяемых для обеспечения радиационной безопасности.

Мощность дозыилиуровень радиации характеризует так называемую скорость набора дозы, т.е. интенсивность излучения. Биологический эффект от воздействия ионизирующего излучения тем больше, чем быстрее это произойдет при одной и той же дозе облучения. Имеет значение и кратность воздействия. Так, однократное воздействие в дозе 1 Гр в течение суток приведет к развитию острой лучевой болезни (ОЛБ), тогда как многократное облучение в той же дозе в течение 10-30 суток существенно не отразиться на работоспособности человека. Мощность дозы (Р) – это доза (Д), отнесенная к единице времени (t):

Д

Р = ------

t

В системе СИ единицей мощности поглощенной дозы служит грей в секунду (Гр/с), мощность эквивалентной дозы измеряется зивертом в секунду (Зв/с). Для измерения мощности экспозиционной дозы единицей СИ является ампер на килограмм (А/кг). Однако на практике для излучения уровня радиации чаще используется внесистемная единица мощности экспозиционной дозы - рентген в час (Р/ч).

Дозиметрические приборы, применяемые для измерения мощности дозы (уровня радиации) получили название рентгенметров, хотя теперь их чаще называют измерителями мощности дозы.

Степень радиоактивного заражения (РЗ) (загрязнения).Радиоактивные вещества, являющиеся источниками разных видов ионизирующего излучения могут находиться на поверхности различных предметов, растворены в жидкостях, быть в смеси с нерадиоактивными веществами. При этом степень радиоактивного заражения (РЗ) это количественная величина активности радиоактивных веществ, и отнесенная,

если это жидкость к единице объема а

(V) = ----- ;

V

а

если это твердое вещество (Р) = ----- ;

Р

a

если это зараженная площадь (S) = -----

S

Единицами измерения степени радиоактивного заражения являются расп/сек ^. м³; расп/сек ^. кг; расп/сек ^. м². На практике довольно часто степень РЗ оценивается в расп/мин ^. см² или по мощности дозы, создаваемой заряжением объектов на расстоянии 1-2 см от его поверхности в миллирентгенах в час (мР/ч). В дозиметрии определяемые степени зараженности РВ различных объектов называется – радиометрией, а дозиметрические приборы, применяемые для этого радиометрами. Соответствующая калибровка позволяет использовать в качестве радиометров измерители мощности доз.

1.3. Принципы устройства ядерных зарядов: на основе реакций:

- деления тяжелых ядер;

- термоядерного синтеза;

- принципиально новые типы ЯО 3-го и 4-го поколения

Главной частью ядерного боеприпаса является ядерный заряд, в котором происходят взрывные реакции. Основу ядерного заряда составляет ядерное взрывчатое вещество (ЯВВ), иногда его называют ядерным горючим. Для осуществления ядерного взрыва применяется:

- цепная деления ядер тяжелых элементов таких как уран-235, уран-233, плутоний-239.

- реакция синтеза ядер легких элементов (термоядерная реакция) изотопов водорода (дейтерия и трития) или дейтерий-литиевая смесь.

Деление ядерного горючего, т.е. ЯВВ происходит под действием нейтронов. Первичный нейтрон, попав в ядро, например урана-235, расщепляет его на два осколка. При этом выделяется два или три вторичных нейтрона и освобождается значительное количество ядерной энергии. Когда количество вторичных нейтронов продолжает нарастать в ядерном веществе количество делящихся ядер лавинообразно увеличивается. Это саморазвивающаяся реакция, начавшись делением одного или нескольких ядер и вовлекающая в процесс деления все больше число ядер называется цепной реакцией. Она протекает в миллионные доли секунды, сопровождается выделением колоссальной энергии и представляет собой ядерный (или как называли прежде атомный) взрыв (Рис.1).

Цепная реакция может развиваться в ядерном веществе только тогда, когда оно будет иметь определенную массу, в противном случае вторичные нейтроны вылетают за пределы вещества, не участвуя в процессе деления ядер. Наименьшее количество ядерного вещества, в котором развивается цепная реакция называется критической массой. Масса вещества, превышающая критическую, носит название надкритической, а если она будет меньше критической - подкритической.

Величина критической массы зависит не только от самого делящегося вещества, но и от его геометрической формы. Заряд, имеющий форму шара будет иметь наименьшую критическую массу.

Критическую массу можно уменьшить, если искусственно увеличить плотность вещества путем обжатия ядерного горючего направленной внутрь взрывной волной от обычного ВВ. Этот метод называется имплозивным. Если ядерный заряд поместить в оболочку – отражатель нейтронов, то величина критической массы будет уменьшаться. Это один из способов осуществления ядерного взрыва (Рис. 2).

Более простой способ называется пушечным.

Пушечный способ состоит в том, чтобы несколько разрозненных подкритических кусков ядерного вещества соединить в единое целое с надкритической массой (Рис.3).

В зоне ядерной реакции температура может достигать десятков миллионов градусов, а давление несколько миллиардов атмосфер. При таких условиях только небольшая часть ядерного вещества успевает разделиться, остальная же часть ядерного горючего безвозвратно теряется. Отношение количества разделившегося вещества к общему количеству вещества в ядерном заряде называется коэффициентом использования ядерного заряда. В разных зарядах он колеблется от 5-7% до 25-30%.

В ядерных боеприпасах в Хиросиме и Нагасаки коэффициент использования ядерного заряда не превышал 10%.

Ядерные заряды, в которых используется реакция деления тяжелых ядер, имеют ограничения по мощности. Другой способ создания ядерного заряда с практически неограниченной мощностью состоит в осуществлении реакции синтеза легких ядер. В качестве ядерного горючего здесь применяется смесь изотопов водорода дейтерия (Д) и трития (Т). По этой причине раньше такой боеприпас носил название водородного. Важнейшим условием для протекания реакции синтеза является высокая температура в десятки и сотни миллионов градусов. Для создания такой температуры предусматривается в качестве детонатора реакция деления тяжелых ядер урана-235 или плутония-239. Реакция синтеза может протекать по схеме:

t⁰

Д + Т ® ⁴₂Не + ¹₀n + 17,6 МэВ

В качестве ядерного горючего для термоядерной реакции считается возможным использовать дейтерий-литиевую смесь, которая при взаимодействии с нейтронами образует тритий, вступающий в реакцию с дейтерием.

При термоядерных реакциях образуются быстрые и сверхбыстрые нейтроны. Эти нейтроны способны вызывать деление ядер обычного природного урана-238. На основе этого созданы комбинированные термоядерные заряды, где основная часть энергии образуется за счет деления ядер урана-238, образующего своеобразную оболочку ядерного заряда.

Различают ядерные заряды деления (ранее они назывались атомными), термоядерные (водородные) заряды типа «деление- синтез» и комбинированные термоядерные заряды типа «деление-синтез-деление».

Третье поколение ядерного оружия – это рентгеновский лазер. Его действие заключается в накачке энергией ядерного взрыва рабочего тела с последующим излучением им рентгеновских лучей. Однако данное оружие не нашло военного применения и использовалось в качестве блефа американской администрацией в рамках «Стратегической оборонной инициативы» (СОИ) как оружие противоракетной обороны.

ЯО четвертого поколения представляет собой чисто термоядерный боеприпас, в котором реакция синтеза инициируется каким-либо альтернативным источником. С этой целью ведется разработка компактных сверхмощных импульсных источников электромагнитной энергии. Уже сконструированы такие мощные генераторы (FC – генераторы), способные путем сжатия магнитного потока взрывом обычной взрывчатки производить электрический ток, в 10-1000 раз превышающий ток в разряде типичной молнии. Предположительно, что подобный генератор использовался в американской электромагнитной бомбе (Е- бомба). Взрыв этой бомбы, 26 марта 2003 года вывел из строя все электронное оборудование телецентра в Багдаде. На базе последних достижений нанотехнологий разработаны мощные накопители электрической энергии. Такие конденсаторы могут быть использованы для накачки микролазеров, расположенных в боеголовке, и тем самым инициировать взрывную реакцию. Применение чисто термоядерного боеприпаса сведет к минимуму радиоактивное заражение.

Нейтронный боеприпас – разновидность ядерных боеприпасов с термоядерным зарядом малой мощности, отличающаяся повышенным выходом нейтронного излучения. В состав заряда нейтронного боеприпаса входит дейтерий-тритиевая смесь. Поражающее действие нейтронного боеприпаса на людей определяется проникающей радиацией, доза которой почти в 10 раз больше такого же по мощности ядерного заряда деления на одном и том же расстоянии от эпицентра взрыва.