الإشعاع: الوحدات

مع كل محادثة تقريبًا حول النشاط الإشعاعي مع شخص عادي ، اتضح أن المحاور لديه فكرة غامضة إلى حد ما عن وحدات القياس. لذلك عندما نشرت مقالًا عن مختبر الكيمياء الإشعاعية ، اشتكى أحد القراء في PM من أن لديه الكثير من الوحدات الموجودة في كتب ومقالات عن النشاط الإشعاعي - الأشعة السينية ، و rems ، و rems ، والسعيدة ، والرمادي ، والحصار ، و curie ، و becquerel. غرام مكافئات الراديوم - رأسي يدور ويُطلب منه الكتابة عنه. أنا استيفاء طلبه.

نعم ، على KDPV - الزوجان ماريا Sklodovskaya كوري وبيير كوري.

قليلا من التاريخ

في عام 1895 ، اكتشف فيلهلم كونراد روينتن الإشعاع الذي له خصائص مدهشة: يتصرف مثل الضوء على لوحات التصوير الفوتوغرافي ، ومثيرة وهج الشاشات المضيئة ، اخترق بسهولة من خلال العقبات غير الشفافة. لم يمض وقت طويل ، اتضح أن مصدر مثل هذا الإشعاع ليس فقط أنبوب كروكس عامل ، كما هو الحال في تجارب الأشعة السينية ، ولكن أيضًا المواد التي تحتوي على اليورانيوم ، والتي ، بالإضافة إلى ذلك ، تنبعث من هذا الإشعاع بشكل مستمر وبدون أي مصدر للطاقة من الخارج وأعقب ذلك حرفيا انهيار جليدي من الاكتشافات. إن اكتشاف الراديوم ، والبولونيوم ، ومن ثم مجموعة كاملة من العناصر المشعة الجديدة ، مما يثبت اتصال الاضمحلال المشع بتحويل عنصر إلى آخر ، أول ردود الفعل النووية التي نفذت ... بشكل عام ، تجربة بيكريل البسيطة البسيطة لملح اليورانيوم على طبق فوتوغرافي ملفوفة في ورق أسود مطبوع حرفيًا لا تطبخ "معرفة جديدة. الحديث عن هذه الاكتشافات هو موضوع مقال آخر (وليس مقالًا آخر) ، والآن سأقول فقط أنه في الأشهر والسنوات الأولى من "طفرة الراديوم" هذه ، لا يمكن الاستغناء عن القياسات.

أول جهاز قياس لتحديد شدة الإشعاعات المؤينة كان المجهر أو الإلكتروميتر العادي ، الذي تم تفريغه تحت تأثير الإشعاع ، وكانت سرعة هذا التفريغ متناسبة مع شدته. وكان المعيار الأول ...

ملليغرام أمبولة الراديوم كمقياس للنشاط الإشعاعي

لم تكن هذه الأمبولات هي المعيار الأول فقط لمعايرة أجهزة القياس الكهربي وغرف التأين - لقد كانت بمثابة مقياس لكمية النشاط الإشعاعي. كانت الخاصية المذهلة للراديوم هي الثبات الاستثنائي لإشعاعاتها: شدتها تعتمد فقط على كمية الراديوم. لذلك ، بعد أخذ عينة من 1 ملغ من الراديوم وختمها في أمبولة بلاتينية ، أصبح من الممكن عدم وزن الراديوم مرة أخرى. بمقارنة شدة إشعاع جاما من أمبولات مرجعية وعينة موضوعة في أمبولات بنفس سمك الجدار ، كان من الممكن تحديد كمية الراديوم فيه بدقة عالية. لذلك أخذت أمبولات الراديوم مكانها الصحيح في غرف الأوزان والمقاييس بجانب معايير المتر والكيلوغرام والخيول الكروية .

بالمعنى الدقيق للكلمة ، مصدر الإشعاع غاما ليس الراديوم. وهذا بالتحديد هو أن الأمبولة المختومة هي المعيار. والحقيقة هي أن الراديوم -226 لا ينبعث منها أشعة غاما أثناء الاضمحلال. تنبعث منه جسيم ألفا ، تتحول إلى الرادون -22 ، الذي كان يسمى آنذاك انبعاث الراديوم . والأخير ، الذي يكون نشطًا أيضًا ألفا ، يخضع بعد ذلك لسلسلة من التحلل مع انبعاث جسيمات ألفا وبيتا ، بعضها مصحوب بإشعاع جاما. ليس للرادون مكان يذهبون إليه من أمبولة محكمة الغلق ، ويتم إنشاء توازن علماني بين الراديوم ومنتجاته ذات الانحلال الإشعاعي: كم تشكل الرادون (وكل عضو لاحق من السلسلة المشعة) ، والكثير من الانحطاط.

عند مقارنة النشاط الإشعاعي للعناصر الأخرى المكتشفة لاحقًا بالإشعاع ، بدأوا في استخدام وحدة مثل ميليغرام مكافئ للراديوم ، مساوٍ لكمية المادة المشعة التي تعطي نفس كثافة إشعاع جاما مثل ملليغرامات الراديوم في نفس المسافة.

إن ما يعادل ملليغرام من الراديوم ، كوحدة من النشاط الإشعاعي ، له عيب واضح في أن إشعاع جاما ، بشكل عام ، هو نوع من الآثار الجانبية للتحلل الإشعاعي. في كثير من الحالات ، يكون إما غائبًا أو غير موجود في كل فعل من أشكال الانحلال. لذلك ، تحولنا من مقارنة شدة أشعة غاما بمفهوم النشاط كمقياس لعدد أحداث الانحلال في التحضير لكل وحدة زمنية . بقي المعيار هو نفسه أمبولة مع الراديوم ، ومن هنا ظهرت وحدة كوري ، تُعرّف بأنها نشاط المادة المشعة التي تتحلل فيها العديد من الذرات في وحدة الوقت (أي ، $$ قطع) ، كم ذرة الراديوم -26 تتحلل في غرام واحد منه.

تعتبر وحدة كوري الآن قديمة ، مثل جميع الوحدات غير النظامية. في نظام SI ، يحل بيكرل محلها - هذا هو نشاط الدواء ، الذي يحدث في المتوسط ​​تسوس واحد في الثانية. وبالتالي ، 1 كي = $$ بكريل

الإلكتروميتر وجرعة التعرض

أول جهاز لقياس شدة الإشعاع المشع ، كما قلت ، كان مقياس كهربي ، تم تفريغه تحت تأثير أشعة الراديوم. أصبح رائد غرفة التأين - غرفة بها قطبين مشحونين بشكل معاكس ، مما جعل من الممكن تحديد كمية الأيونات المتكونة في الهواء الذي يملأ الغرفة. تبدأ هذه الأيونات في حقل كهربائي داخل غرفة التأين في التحرك نحو الأقطاب الكهربائية ، وبعد الوصول إليها ، تقوم بتصريفها. يمكن لحجم الانخفاض في شحنة الأقطاب تحديد عدد أزواج الأيونات التي تتشكل في الهواء تحت تأثير الإشعاع. ومن خلال قياس التيار المتدفق عبر الكاميرا في دائرة مصدر الجهد الخارجي ، يمكنك تحديد عدد أزواج الأيونات المتولدة في الكاميرا لكل وحدة زمنية ، بما يتناسب مع كثافة الإشعاع.

كانت القيمة المقاسة تسمى جرعة التعرض للإشعاع. وكانت وحدة القياس بالأشعة السينية . عند جرعة تعريض مقدارها 1 × راي في سنتيمتر واحد من الهواء الجاف ، يتم تشكيل وحدة واحدة من HSE ( $$$3.33⋅10 ^ {- 10}$ج) تهمة من كل من الأيونات ، والذي يتوافق مع $$$2082 \ cdot10 ^ {9}$أزواج من الأيونات. بالمناسبة ، فإن المرجع 1 ملغ من الراديوم في أمبولات البلاتين على مسافة 1 سم لمدة ساعة يخلق جرعة تعريض 8.4 الأشعة السينية (عادةً في هذه الحالة يقولون أن معدل جرعة التعرض هو 8.4 R / h).

لا توجد وحدة خاصة من جرعة التعرض في نظام SI والوحدة هي قلادة لكل كيلوغرام. 1 C / kg = 3875.97 R. ومع ذلك ، يتم استخدام هذه الوحدة في الوقت الحالي نادرًا للغاية بسبب رفض مفهوم جرعة التعرض. سبب هذا الفشل هو أن هذه الكمية القابلة للقياس بسهولة إلى حد ما هي ذات فائدة قليلة للتطبيق العملي. عادة ، نحن لسنا مهتمين بعدد الأيونات التي تشكلت في الهواء ، ولكن في العمل الذي أدى إلى تشعيع المادة أو الأنسجة الحية.

جرعة ممتصة

فكرة النظر في الطاقة الممتصة في هذه المادة كمقياس لتأثير الإشعاع المشع على مادة واضحة تمامًا. هذه هي الجرعة الممتصة التي يقيسها طاقة الإشعاع التي تمتصها وحدة الكتلة من المادة. وحدة قياس الجرعة الممتصة في SI باللون الرمادي : 1 Gy = 1 J / kg. سابقا ، تم استخدام وحدة أخرى - سعيد . 1 rad = 100 erg / g = 0.01 Gy. في جرعة التعرض 1 P ، الجرعة الممتصة في الهواء هي 0.88 rad. في معظم الحالات ، يتم تقريب هذه 0.88 إلى الوحدة ، معادلة الأشعة بالأشعة السينية (على الرغم من أنها في الواقع كميات مادية مختلفة) ، والرمادي (والحصار ، الموصوف أدناه) إلى 100 الأشعة السينية.

لكن الجرعة في مواد مختلفة في نفس جرعة التعرض ستكون مختلفة اعتمادًا على نوع وطاقة الإشعاع وخصائص جهاز الامتصاص. ولهذا السبب تم الآن التخلي عن مفهوم جرعة التعرض. في الممارسة العملية ، من الأصح قياس جرعة التعرض ، ولكن أخذ كاشف يكون متوسط ​​عدده الذري مساوياً لمتوسط ​​العدد الذري للأنسجة البيولوجية (في هذه الحالة نتحدث عن جهاز مكافئ للأنسجة ) وقياس الجرعة الممتصة فيه. بعد ذلك ، مع درجة معينة من الدقة ، يمكن افتراض أن الجرعة الممتصة في المكشاف تساوي الجرعة الممتصة في الأنسجة البيولوجية.

جميع أنواع الجرعات المختلفة

ولكن اتضح أن أنواع الإشعاع المشع المختلفة تعمل على الأنسجة الحية بشكل مختلف. تسبب إشعاعات ألفا والبروتونات والنيوترونات في نفس الجرعة الممتصة ضررًا أكبر بكثير من إشعاعات جاما وجزيئات بيتا. في هذا الصدد ، جنبا إلى جنب مع الجرعة الممتصة ، ينشأ نوع آخر من الجرعة - الجرعة المكافئة . إنها مساوية لجرعة إشعاع جاما ، والتي تسبب نفس التأثير البيولوجي لجرعة هذا الإشعاع.
وحدة الجرعة المكافئة هي sievert . الوحدة القديمة للجرعة المكافئة هي المكافئ البيولوجي للأشعة السينية أو rem ، باللغة الإنجليزية REM (في بعض الأحيان في الأدب المترجم وأخصائيي الأشعة يمكنك العثور على الوحدة "rem" - وهذا هو نفس rem). 1 Sv = 100 rem.

من أجل ترجمة الجرعة الممتصة إلى ما يعادلها ، تحتاج إلى مضاعفة الجرعة الممتصة بما يسمى عامل الجودة . هذا المعامل للفوتونات والإلكترونات والميونات مساوٍ للوحدة ، أما بالنسبة لجزيئات ألفا ، فيُفترض أنها تساوي 20 ، أما بالنسبة للبروتونات وفقًا لمصادر مختلفة فتكون من 2 إلى 5 ، وبالنسبة للنيوترونات فهي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على الطاقة ، حيث تصل إلى 20 في نطاق الطاقة من 100 كيلو فولت إلى 2 ميجا فولت ( انظر الصورة).



بالإضافة إلى ما يعادلها ، تعتبر جرعة فعالة أيضا. لا يأخذ في الاعتبار درجة مختلفة من ضرر الإشعاع ، ولكن أيضًا درجة مختلفة من ضرر تشعيع جزء أو جزء آخر من الجسم أو العضو عند تشعيع الجسم بالكامل وليس جزءًا منه. ترجع عوامل الوزن إلى كل من الأنسجة والأعضاء بطريقة تساوي المجموع واحدًا. مع التعرض المنتظم للجسم كله ، فإن الجرعة الفعالة تعادل. يتم قياسه في نفس الوحدات مثل المعادل.

سأتوقف هنا: لن أربك وأخبرك بما هي الجيرما وما يعادل الجرعة المحيطة والعديد من الأشياء الأخرى.

وكيف يتم قياس كل شيء؟

لقياس جرعة التعرض ، كما قلت ، تحتاج إلى أخذ كمية معينة من الهواء ، وجمع الأيونات المتكونة فيه وتحديد مقدارها ، والتي يمكن حلها بنجاح باستخدام غرفة التأين. على أساس غرف التأين التي تم تصنيعها الجزء الأكبر من مقاييس الجرعات التراكمي من نوع "قلم رصاص".

ومن أجل قياس الجرعة الممتصة ، يجب عليك قياس كمية الطاقة المنبعثة في المادة. وهنا تكمن الصعوبة الرئيسية. القياس المباشر لهذه الطاقة صعب للغاية ، لأنه في معظم الحالات صغير جدًا. واحد رمادي (وهذا هو جرعة خطيرة ، تسبب بالفعل مرض الإشعاع) هو مجرد جول لكل كيلوغرام. إذا حاولنا قياس هذه الجرعة ، على سبيل المثال ، قياس السعرات الحرارية - عن طريق التغير في درجة الحرارة ، فعندئذ ، على سبيل المثال ، سوف يسخن الألومنيوم ما يزيد قليلاً عن الألف درجة.

لذلك ، فإن جميع طرق قياس الجرعة الممتصة أو قوتها غير مباشرة. إنها تتكون من حقيقة أننا نلاحظ عملية معينة ناجمة عن التشعيع وتتطلب نفقات طاقة ونفترض أن "ناتج" هذه العملية سيعتمد بشكل خطي على مساهمة الطاقة للإشعاع الممتص لها.

الفعل الأساسي للتفاعل بين الإشعاعات المؤينة والمادة هو تأين دائمًا بحد ذاته. إن كمية أشعة جاما أو الجسيمات الأخرى المنبعثة من مادة مشعة عادة ما يكون لديها طاقة أعلى بكثير من الطاقة اللازمة لتمزيق الإلكترون من الذرة. لذلك ، فإنه لا ينتهي بفعل واحد من التأين. على طول المسار الكامل للجسيم ، يتم توليد الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة الشحنة في المادة ، حيث تتجاوز طاقاتها عادة طاقة التأين نفسها ، مما يؤدي إلى تطوير سلسلة كاملة من العمليات لتشكيل الإلكترونات والأيونات الحرة ، حتى تكون طاقتها قابلة للمقارنة مع طاقة الرابطة الكيميائية ، مع طاقات التأين الأولى ، إلخ. وتنفذ هذه الإلكترونات والأيونات بالفعل تأثيرًا مباشرًا على المادة التي تميز الأشعة المؤينة: فهي تثير التلألؤ ، وتطلق تفاعلات كيميائية ، وتدمر الهياكل البيولوجية ، وتصبح حاملة للتيار الكهربائي. تتناسب كل من كميتها والطاقة الكلية مع الجرعة الممتصة (بالمعنى الدقيق للكلمة - مطروحًا منها طاقة الإلكترونات التي تحلق من المادة) ، وهم "لا يعرفون شيئًا" بالفعل عن ما أدى إليهم.
تاريخيا ، كان واحدا من أول مقاييس الجرعات فيلم عادي ملفوف في مادة خفيفة. تعتمد درجة تغميقها بعد ظهورها تقريبًا على الجرعة الممتصة وكذلك على التعرض للضوء المرئي العادي: هناك منطقة الاعتماد الخطي محدودة بالثني في منطقة الجرعة المنخفضة والتشبع (مع التشبع اللاحق - انخفاض الكثافة) في المنطقة ذات الجرعة العالية. الفيلم عبارة عن مقياس جرعات رخيص وحساس إلى حد ما ، ولكنه ليس موثوقًا للغاية ، نظرًا لأن الانحرافات الصغيرة في أنظمة العلاج يمكن أن تسبب أخطاء ملحوظة في تحديد الجرعة. يعد الفيلم الفوتوغرافي أحد الممثلين الأوائل لعائلة مقاييس الجرعات الكيميائية التي يتم فيها تحديد قيمة الجرعة بكمية المادة التي تم تشكيلها أو استهلاكها أثناء التفاعل: ملون أو مغنطيسي أو يمتلك خاصية أخرى يمكن قياسها بسهولة. يمكن أن يكون حلاً في أمبولات ، سواد أو تلوين تحت تأثير الإشعاع (على سبيل المثال ، بسبب أكسدة الحديد (II) إلى الحديد (III) مع التكوين اللاحق للثيوسيانات الحمراء الزاهية اللون) ، الزجاج أو البلورة ، حيث الإشعاع ما يسمى عيوب تمتص الضوء. تتيح مقاييس الجرعات الكيميائية تحديد جرعة الإشعاع بدقة عالية وضمن نطاق واسع جدًا - من تلك التي لا تسبب أذىً خاصًا للشخص الذي يقتله في دقيقة واحدة. لكن ، كقاعدة عامة ، لا تسمح بقياس معدل الجرعة.

يجعل التلألؤ من الممكن حتى الكشف عن فعل امتصاص جسيم واحد أو أشعة جاما ، مما يؤدي إلى ظهور وميض ضوء قصير في مادة الكاشف - التلألؤ. يعتمد هذا المبدأ على عمل كاشفات التلألؤ ، والتي تجعل من الممكن قياس تدفقات الإشعاع الضعيفة للغاية والتي تكون أضعف بعشرات المرات ومرات من خلفية الإشعاع الطبيعي. يتيح لك مستشعر إشعاع التلألؤ ، على عكس أجهزة الكشف الكيميائية ، تحديد قوة الجرعة التي يمتصها الكاشف في الوقت الفعلي. بالطبع ، من أجل الحصول على قيمة الجرعة ، أو معدل الجرعة ، من الضروري ليس فقط حساب عدد النبضات ، ولكن لتلخيص ودمج الضوء المنبعث من التلألؤ.

وهناك نوع خاص من أجهزة الكشف هذه ، وهو ما يسمى أجهزة الكشف عن الإنارة الحرارية. يستخدمون مادة الإنارة ، والتي ، بدلاً من وميض كل جسيم بوميض من الضوء ، تحتفظ بالشحنات المجانية التي تشكلها في شكل عيوب شعرية مشحونة موجودة منذ فترة طويلة. عند تسخينها ، "تلتئم" هذه العيوب ، وتجتمع الإلكترونات والثقوب المنبعثة ، فتنقل الطاقة إلى مراكز التلألؤ. ودمج نبضات الضوء التي تحدث عند تسخين الصمام الحراري ، سنحدد الجرعة المتراكمة بها.

أخيرًا ، لا يمكننا "التقاط" الآثار الثانوية الناجمة عن التأين ، ولكن الأيونات نفسها - تمامًا كما في غرفة التأين ، فقط تمتلئ هذه الغرفة ليس بالغاز ، ولكن بأشباه الموصلات - الجرمانيوم ، والسليكون ، والكادميوم تيلورايد ، وأخيرا - الماس. سيكون متوسط ​​التيار من خلال الكاشف متناسباً مع قوة الجرعة التي يمتصها.

ولكن ماذا عن عداد جيجر المعروف؟ لكنه لا يقيس الجرعة. يمكنه فقط أن يتفاعل بدافع مع مرور الجزيئات من خلاله ، لا يفهم ما طار فيه ، ولا أي نوع من الطاقة لديه. بمعنى أنه يستطيع قياس خاصية تدفق الجسيمات مثل الانفلونزا : كم عدد الجزيئات التي طارت في منطقة معينة. سيعمل كاشف التلألؤ أو أشباه الموصلات بالطريقة نفسها تمامًا إذا سجلنا فقط حقيقة ظهور النبضة ، متجاهلين السعة.

الجرعة في مواد مختلفة والسكتة الدماغية مع تصلب

في الفقرة الخاصة بالجرعة الممتصة ، أشرت مرارًا إلى أن الجرعة الممتصة بواسطة مواد مختلفة في نفس تدفق الإشعاع ستكون مختلفة وستعتمد على طاقة الكوانتا وخصائص المادة. في حالة إشعاع جاما ، يتم تحديد امتصاصه بواسطة الخاصية الوحيدة للمادة - متوسط ​​العدد الذري (أو الفعال) $$$Z_ {eff}$. ينقل إشعاع جاما إلى المواد مع نفسه $$$Z_ {eff}$نفس الطاقة عند المرور عبر طبقة بنفس الكتلة لكل وحدة مساحة. وبالتالي ، فإن المادة التي لها نفس التركيب الذري الإجمالي مثل الأنسجة الحية سوف تمتص أشعة جاما في أي طاقة بنفس طريقة الأنسجة الحية ، وبالتالي فإن الجرعة الممتصة في كاشف مصنوع من هذه المادة ستكون مساوية للجرعة الممتصة في جسم الإنسان . وإذا ابتكرنا كاشفًا من يوديد السيزيوم (أحد أكثر التلألؤات شيوعًا) ، فيمكننا معايرته بحثًا عن أي طاقة ، وفي الطاقات الأخرى سوف تكمن. يسمى هذا التغيير في قراءات جهاز قياس الجرعات اعتمادًا على طاقة الإشعاع "السكتة الدماغية بصلابة" أو اعتماد الطاقة على حساسية الجرعة للكاشف .



يوضح الشكل (من الكتيب الجديد لكيميائي وتقني ، المجلد 11 ، ص 111) اعتماد الطاقة على حساسية الجرعة للكاشفات المصنوعة على أساس أجهزة التلميع المختلفة.تتم مقارنة أنثراسين (أخف في متوسط ​​الوزن الذري من الأنسجة الحية) ويوديد الصوديوم (أكثر بكثير "ثقيلة" من الأخيرة) على اليسار. يمكن ملاحظة أنه في نطاق معين من الطاقة ، يبالغ جهاز الكشف المستند إلى يوديد الصوديوم في تقدير الجرعة بمقدار 10 مرات! ويظهر على الرسم البياني الصحيح أن تناول مزيج من التلألؤات العضوية - أكثر "نوراً" و "ثقيل" أكثر من الأنسجة الحية ، يمكنك تقريبًا تقريبًا "التحرك بصلابة".

هناك طريقة أخرى للتخلص من "السكتة الدماغية المتصلبة" وهي اختيار المرشحات التي تمتص الإشعاع في المنطقة التي تكون فيها حساسية الكاشف مفرطة.

الخاتمة

في الختام ، سأقدم لوحة صغيرة تلخص الكميات الرئيسية التي تم بحثها في المقال. وللاطلاع



على الموضوع بشكل أكثر اكتمالا ، أوصي بمحاضرات البروفيسور إيغور نيكولاييفيتش بيكمان ، جامعة موسكو الحكومية

جميع المقالات في السلسلة

الإشعاع: الحياة اليومية للمختبر الكيميائي الإشعاعي
الإشعاع: المصادر
الإشعاع: المخاطر والسلامة والحماية