Strahlung: Einheiten

Bei fast jedem Gespräch über Radioaktivität mit einem Laien stellt sich heraus, dass der Gesprächspartner bis zu dem einen oder anderen Grad eine vage Vorstellung von Maßeinheiten hat. Als ich einen Artikel über das radiochemische Labor veröffentlichte, beschwerte sich einer der Leser bei mir in PM, dass er viele Einheiten in Büchern und Artikeln über Radioaktivität gefunden habe - Röntgenstrahlen, Rems, Rems, Glad, Grau, Sievert, Curie, Becquerel und sogar Gramm Äquivalente Radium - mein Kopf dreht sich und ich werde gebeten, darüber zu schreiben. Ich erfülle seine Bitte.

Ja, auf KDPV - Ehepartner Maria Sklodovskaya-Curie und Pierre Curie.

Ein bisschen Geschichte

Wilhelm Konrad Roentgen entdeckte 1895 Strahlung mit erstaunlichen Eigenschaften: Sie wirkte wie Licht auf Fotoplatten und erregte das Leuchten von Lumineszenzschirmen. Sie drang leicht durch undurchsichtige Hindernisse. Es verging nicht viel Zeit und es stellte sich heraus, dass die Quelle dieser Strahlung nicht nur eine funktionierende Crookes-Röhre ist, wie in den Röntgenexperimenten, sondern auch uranhaltige Substanzen, die diese Strahlung zusätzlich kontinuierlich, unveränderlich und ohne Energiezufuhr emittieren von außen. Diesem folgte buchstäblich eine Lawine von Entdeckungen. Die Entdeckung von Radium, Polonium und dann einer ganzen Reihe neuer radioaktiver Elemente, die die Verbindung des radioaktiven Zerfalls mit der Umwandlung eines Elements in ein anderes herstellten, die ersten durchgeführten Kernreaktionen ... Im Allgemeinen druckte Becquerels überraschend einfaches Experiment mit Uransalz auf einer in schwarzes Papier gewickelten Fotoplatte buchstäblich einen „Topf“ koche nicht “neues Wissen. Das Gespräch über diese Entdeckungen ist das Thema eines anderen Artikels (und nicht eines), und jetzt möchte ich nur sagen, dass bereits damals, in den ersten Monaten und Jahren dieses „Radiumbooms“, auf Messungen nicht verzichtet werden konnte.

Das erste Messgerät zur Bestimmung der Intensität ionisierender Strahlung war ein gewöhnliches Elektroskop oder Elektrometer, das unter dem Einfluss von Strahlung entladen wurde, und die Geschwindigkeit dieser Entladung war proportional zu seiner Intensität. Und der erste Standard war ...

Milligramm Radiumampulle als Maß für die Radioaktivität

Diese Ampulle war nicht nur der erste Standard für die Kalibrierung von Elektrometern und Ionisationskammern, sondern auch ein Maß für die Menge an Radioaktivität. Eine erstaunliche Eigenschaft von Radium war die außergewöhnliche Konstanz seiner Strahlung: Seine Intensität hing nur von der Menge an Radium ab. Nachdem einmal eine Probe von 1 mg Radium entnommen und in einer Platinampulle versiegelt worden war, wurde es daher möglich, das Radium nie wieder zu wiegen. Durch Vergleichen der Intensität der Gammastrahlung von einer Referenzampulle und einer Probe, die in eine Ampulle mit der gleichen Wandstärke gegeben wurde, war es möglich, die Menge an Radium darin mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. So nahmen die Ampullen mit Radium ihren rechtmäßigen Platz in den Gewichts- und Maßkammern neben den Standards von Meter-, Kilogramm- und Kugelpferden ein .

Genau genommen ist die Quelle der Gammastrahlung nicht Radium. Und genau damit war die versiegelte Ampulle der Standard. Tatsache ist, dass Radium-226 während des Zerfalls keine Gammastrahlen emittiert. Es emittiert ein Alpha-Teilchen, das sich in Radon-222 verwandelt, das damals als Emanation von Radium bezeichnet wurde . Letzteres, das ebenfalls alpha-aktiv ist, unterliegt dann einer Reihe von Zerfällen mit der Emission von Alpha- und Beta-Partikeln, von denen einige von Gammastrahlung begleitet werden. Radon kann von einer versiegelten Ampulle nirgendwo hingehen, und es entsteht ein säkulares Gleichgewicht zwischen Radium und seinen radioaktiven Zerfallsprodukten: Wie viel Radon (und jedes nachfolgende Mitglied der radioaktiven Reihe) hat sich gebildet, so viel zerfällt.

Beim Vergleich der Radioaktivität anderer später entdeckter Elemente mit Strahlung wurde eine Einheit wie das Milligrammäquivalent von Radium verwendet , das der Menge an radioaktiver Substanz entspricht, die bei gleicher Entfernung die gleiche Intensität der Gammastrahlung wie Milligramm Radium ergibt.

Das Milligrammäquivalent von Radium als Einheit der Radioaktivität hat den offensichtlichen Nachteil, dass Gammastrahlung im Allgemeinen eine Art Nebenwirkung des radioaktiven Zerfalls ist. In vielen Fällen fehlt es entweder oder nicht bei jedem Verfall. Daher haben wir vom Vergleich der Gammastrahlungsintensitäten zum Aktivitätskonzept als Maß für die Anzahl der Zerfallsereignisse in einer Präparation pro Zeiteinheit gewechselt. Der Standard blieb die gleiche Ampulle mit Radium, und von hier aus erschien eine Curie- Einheit, definiert als die Aktivität einer radioaktiven Substanz, in der so viele Atome pro Zeiteinheit zerfallen (nämlich $$$3.7 \ cdot 10 ^ {10}$Stücke), wie viele Atome von Radium-226 in einem Gramm davon zerfallen.

Die Curie-Einheit gilt nun wie alle Nicht-System-Einheiten als veraltet. Im SI-System ersetzt Becquerel es - dies ist die Aktivität des Arzneimittels, bei der durchschnittlich ein Zerfall pro Sekunde auftritt. Somit ist 1 Ki = $$$3.7 \ cdot 10 ^ {10}$Bq.

Elektrometer und Expositionsdosis

Das erste Gerät zur Messung der Intensität radioaktiver Strahlung war, wie gesagt, ein Elektrometer, das unter dem Einfluss von Radiumstrahlen entladen wurde. Er wurde zum Vorläufer der Ionisationskammer - einer Kammer mit zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden, die es ermöglichte, die Menge der in der die Kammer füllenden Luft gebildeten Ionen zu bestimmen. Diese Ionen in einem elektrischen Feld innerhalb der Ionisationskammer beginnen sich zu den Elektroden zu bewegen und entladen sie, nachdem sie diese erreicht haben. Das Ausmaß der Abnahme der Ladung der Elektroden kann die Anzahl der Ionenpaare bestimmen, die in der Luft unter dem Einfluss von Strahlung gebildet werden. Durch Messen des durch die Kammer fließenden Stroms im Stromkreis einer externen Spannungsquelle ist es möglich, die Anzahl der in der Kammer pro Zeiteinheit erzeugten Ionenpaare proportional zur Strahlungsintensität zu bestimmen.

Der so gemessene Wert wurde als Expositionsdosis der Strahlung bezeichnet. Und die Maßeinheit war Röntgen . Bei einer Expositionsdosis von 1 Röntgenstrahlung in einem Kubikzentimeter trockener Luft wird eine Einheit HSE gebildet ( $$$3.33⋅10 ^ {- 10}$C) Ladung jedes der Ionen, entsprechend $$$2,082 \ cdot10 ^ {9}$Ionenpaare. Übrigens erzeugt unsere Referenz 1 mg Radium in einer Platinampulle in einem Abstand von 1 cm für eine Stunde eine Expositionsdosis von 8,4 Röntgenstrahlen (normalerweise wird in diesem Fall eine Expositionsdosis von 8,4 R / h angegeben).

Es gibt keine spezielle Einheit der Expositionsdosis im SI-System und die Einheit ist pro Kilogramm hängend. 1 C / kg = 3875,97 R. Gegenwärtig wird dieses Gerät jedoch äußerst selten verwendet, da das Konzept der Expositionsdosis abgelehnt wird. Der Grund für dieses Versagen ist, dass diese ziemlich leicht messbare Größe für die praktische Anwendung von geringem Nutzen ist. Normalerweise interessiert uns nicht, wie viele Ionen sich in der Luft gebildet haben, sondern die Wirkung, die die Substanz oder das lebende Gewebe bestrahlt hat.

Absorbierte Dosis

Die Idee, die in diesem Stoff absorbierte Energie als Maß für die Wirkung radioaktiver Strahlung auf einen Stoff zu betrachten, liegt auf der Hand. Dies ist die absorbierte Dosis , deren Maß die von einer Masseeinheit der Substanz absorbierte Strahlungsenergie ist. Die Maßeinheit der absorbierten Dosis in SI ist grau : 1 Gy = 1 J / kg. Zuvor wurde ein anderes Gerät verwendet - froh . 1 rad = 100 erg / g = 0,01 Gy. Bei einer Expositionsdosis von 1 P beträgt die absorbierte Dosis in der Luft 0,88 rad. In den meisten Fällen werden diese 0,88 auf Eins gerundet, was Rad mit Röntgenstrahl gleichsetzt (obwohl es sich tatsächlich um unterschiedliche physikalische Größen handelt), und Grau (und Sievert, wie nachstehend beschrieben) mit 100 Röntgenstrahlen.

Die Dosis in verschiedenen Substanzen bei gleicher Expositionsdosis ist jedoch je nach Art und Energie der Strahlung und den Eigenschaften des Absorbers unterschiedlich. Aus diesem Grund wurde das Konzept der Expositionsdosis nun aufgegeben. In der Praxis ist es viel korrekter, nicht die Expositionsdosis zu messen, sondern einen Detektor zu nehmen, dessen durchschnittliche Ordnungszahl der durchschnittlichen Ordnungszahl des biologischen Gewebes entspricht (in diesem Fall sprechen wir von einem gewebeäquivalenten Detektor ) und die darin absorbierte Dosis zu messen. Dann kann mit einem gewissen Grad an Genauigkeit angenommen werden, dass die absorbierte Dosis im Detektor gleich der absorbierten Dosis im biologischen Gewebe ist.

Alle möglichen Dosen

Es stellt sich jedoch heraus, dass verschiedene Arten radioaktiver Strahlung unterschiedlich auf lebendes Gewebe wirken. Alphastrahlung, Protonen und Neutronen bei gleicher absorbierter Dosis verursachen viel mehr Schaden als Gammastrahlung und Betateilchen. In dieser Hinsicht ergibt sich neben der absorbierten Dosis eine andere Art von Dosis - die äquivalente Dosis . Es ist gleich der Dosis der Gammastrahlung, die den gleichen biologischen Effekt wie die Dosis dieser Strahlung verursacht.
Die Einheit der äquivalenten Dosis ist sievert . Die alte Einheit der äquivalenten Dosis ist das biologische Äquivalent von Röntgen oder Rem im englischen REM (manchmal finden Sie in der übersetzten Literatur und bei Radiologen die Einheit "rem" - dies ist das gleiche Rem). 1 Sv = 100 rem.

Um die absorbierte Dosis in das Äquivalent umzuwandeln, müssen Sie die absorbierte Dosis mit dem sogenannten Qualitätsfaktor multiplizieren . Dieser Koeffizient für Photonen, Elektronen und Myonen ist gleich Eins, für Alpha-Teilchen wird er für 20 angenommen, für Protonen nach verschiedenen Quellen von 2 bis 5 und für Neutronen ist er sehr energieabhängig und erreicht 20 im Energiebereich von 100 keV bis 2 MeV ( siehe Bild).



Neben dem Äquivalent wird auch eine wirksame Dosis in Betracht gezogen. Es berücksichtigt nicht nur einen unterschiedlichen Grad an Schädlichkeit der Strahlung, sondern auch einen unterschiedlichen Grad an Schädlichkeit der Bestrahlung eines bestimmten Körperteils oder Organs, wenn nicht nur der gesamte Körper, sondern auch sein Teil bestrahlt wird. Wiegefaktoren werden jedem Gewebe und Organ so zugeordnet, dass die Summe gleich eins ist. Bei gleichmäßiger Exposition gegenüber dem gesamten Körper ist die wirksame Dosis gleichwertig. Es wird in den gleichen Einheiten wie das Äquivalent gemessen.

Ich werde hier aufhören: Ich werde Sie nicht verwirren und Ihnen sagen, was Kerma, das Äquivalent der Umgebungsdosis und vieles mehr sind.

Und wie misst das alles?

Um die Expositionsdosis zu messen, müssen Sie, wie gesagt, eine bestimmte Menge Luft entnehmen, die darin gebildeten Ionen sammeln und deren Menge bestimmen, die mit einer Ionisationskammer erfolgreich gelöst werden kann. Auf der Basis von Ionisationskammern wurde der Großteil der akkumulierten Dosimeter vom Typ "Bleistift" hergestellt.

Und um die absorbierte Dosis zu messen, müssen Sie die Menge an Energie messen, die in der Substanz freigesetzt wird. Und hier liegt die Hauptschwierigkeit. Die direkte Messung dieser Energie ist sehr schwierig, da sie in den meisten Fällen sehr klein ist. Ein Grau (und dies ist eine schwerwiegende Dosis, die bereits Strahlenkrankheit verursacht) ist nur ein Joule pro Kilogramm. Wenn wir versuchen, diese Dosis beispielsweise kalorimetrisch zu messen - durch Temperaturänderung -, erwärmt sich beispielsweise Aluminium nur um etwas mehr als ein Tausendstel Grad.

Daher sind alle Methoden zur Messung der absorbierten Dosis oder ihrer Leistung indirekt. Sie bestehen darin, dass wir einen bestimmten Prozess beobachten, der durch Bestrahlung verursacht wird und Energie verbraucht, und davon ausgehen, dass die „Leistung“ dieses Prozesses linear vom Energiebeitrag der absorbierten Strahlung abhängt.

Der primäre Akt der Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie ist fast immer die Ionisation selbst. Ein Gammastrahlenquant oder ein anderes Teilchen, das von einer radioaktiven Substanz emittiert wird, hat normalerweise eine Energie, die viel höher ist als die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Atom herauszureißen. Daher endet es nicht mit einem Ionisationsakt. Entlang der gesamten Teilchenbahn werden in der Substanz freie Elektronen und positiv geladene Ionen erzeugt, deren Energien üblicherweise die Ionisierungsenergie selbst überschreiten, was zur Entwicklung einer ganzen Kaskade von Prozessen zur Bildung freier Elektronen und Ionen führt, bis ihre Energie mit der chemischen Bindungsenergie vergleichbar ist mit den ersten Ionisierungsenergien usw. Und bereits diese Elektronen und Ionen wirken direkt auf die für ionisierende Strahlen charakteristische Substanz: Sie regen die Lumineszenz an, lösen chemische Reaktionen aus, zerstören biologische Strukturen und werden zu Trägern elektrischen Stroms. Sowohl ihre Menge als auch ihre Gesamtenergie sind proportional zur absorbierten Dosis (genau genommen - abzüglich der Energie der Elektronen, die aus der Substanz herausfliegen), und sie „wissen bereits nichts“ darüber, was sie hervorgebracht hat.
Historisch gesehen war eines der ersten Dosimeter ein gewöhnlicher Film, der in ein lichtdichtes Material eingewickelt war. Der Grad seiner Schwärzung nach der Manifestation hängt ungefähr von der absorbierten Dosis sowie von der Exposition gegenüber normalem sichtbarem Licht ab: Es gibt einen Bereich linearer Abhängigkeit, der durch Biegung im Niedrigdosisbereich und durch Sättigung (mit anschließender Solarisierung - Abnahme der Dichte) im Hochdosisbereich begrenzt ist. Der Film ist ein billiges und ziemlich empfindliches, aber nicht sehr zuverlässiges Dosimeter, da kleine Abweichungen in den Behandlungsschemata zu merklichen Dosisbestimmungsfehlern führen können. Der fotografische Film ist einer der ersten Vertreter der Familie der chemischen Dosimeter, bei denen der Dosiswert durch die Menge einer Substanz bestimmt wird, die während der Reaktion gebildet oder verbraucht wird: gefärbt, paramagnetisch oder mit einer anderen leicht messbaren Eigenschaft. Es kann eine Lösung in einer Ampulle sein, die sich unter dem Einfluss von Strahlung verdunkelt oder färbt (z. B. aufgrund der Oxidation von Eisen (II) zu Eisen (III) mit anschließender Bildung von hellrotem Thiocyanat), Glas oder Kristall, in der die sogenannte Strahlung Defekte, die Licht absorbieren. Chemische Dosimeter ermöglichen es, die Strahlendosis mit hoher Genauigkeit und in einem sehr weiten Bereich zu bestimmen - von denen, die einer Person keinen besonderen Schaden zufügen, bis zu denen, die sie in einer Minute töten. In der Regel erlauben sie jedoch keine Messung der Dosisleistung.

Die Lumineszenz ermöglicht es, sogar den Absorptionsvorgang eines einzelnen Partikels oder Gammastrahls zu erfassen, was zum Auftreten eines kurzen Lichtblitzes im Detektormaterial führt - Szintillation. Dieses Prinzip basiert auf der Wirkung von Szintillationsdetektoren, die es ermöglichen, auch sehr schwache Strahlungsflüsse zu messen, die zehn- und hundertmal schwächer sind als der natürliche Strahlungshintergrund. Mit dem Szintillationsstrahlungssensor können Sie im Gegensatz zu chemischen Detektoren die Leistung der vom Detektor absorbierten Dosis in Echtzeit bestimmen. Um den Dosiswert oder die Dosisleistung zu erhalten, ist es natürlich notwendig, nicht nur die Anzahl der Impulse zu zählen, sondern auch das vom Szintillator emittierte Licht zusammenzufassen und zu integrieren.

Eine besondere Art solcher Detektoren sind die sogenannten Thermolumineszenzdetektoren. Sie verwenden Lumineszenzmaterial, das, anstatt jedes Teilchen mit einem Lichtblitz zu blitzen, die von ihm gebildeten freien Ladungen in Form lang bestehender geladener Gitterdefekte beibehält. Beim Erhitzen „heilen“ diese Defekte und die freigesetzten Elektronen und Löcher rekombinieren und übertragen Energie auf die Lumineszenzzentren. Durch Integration des Lichtimpulses, der beim Erhitzen des Thermoluminophors auftritt, wird die von ihm akkumulierte Dosis bestimmt.

Schließlich können wir nicht die durch die Ionisation verursachten Sekundäreffekte "einfangen", sondern die Ionen selbst - genau wie in einer Ionisationskammer ist nur diese Kammer nicht mit Gas gefüllt, sondern mit einem Halbleiter - Germanium, Silizium, Cadmiumtellurid und schließlich - Diamant. Der durchschnittliche Strom durch den Detektor ist proportional zur Leistung der von ihm absorbierten Dosis.

Aber was ist mit dem bekannten Geigerzähler? Aber er misst die Dosis nicht. Er kann nur mit einem Impuls auf den Durchgang von Partikeln reagieren, ohne zu verstehen, was in ihn geflogen ist und welche Art von Energie er hatte. Das heißt, er kann eine solche Eigenschaft des Partikelflusses wie die Fluenz messen: wie viele Partikel durch einen bestimmten Bereich geflogen sind. Ein Szintillations- oder Halbleiterdetektor funktioniert genauso, wenn wir nur die Tatsache des Auftretens eines Impulses aufzeichnen und dessen Amplitude ignorieren.

In verschiedenen Materialien dosieren und steif streicheln

In dem Absatz über die absorbierte Dosis habe ich beiläufig erwähnt, dass im gleichen Strahlungsstrom die von verschiedenen Materialien absorbierte Dosis unterschiedlich ist und von der Energie der Quanten und den Eigenschaften der Substanz abhängt. Bei Gammastrahlung wird ihre Absorption durch das einzige Merkmal des Materials bestimmt - die durchschnittliche (oder effektive) Ordnungszahl $$$Z_ {eff}$. Gammastrahlung überträgt sich auf Substanzen mit derselben $$$Z_ {eff}$die gleiche Energie beim Durchgang durch eine Schicht mit der gleichen Masse pro Flächeneinheit. Somit absorbiert ein Material mit der gleichen Bruttoatomzusammensetzung wie lebendes Gewebe Gammastrahlen bei jeder Energie auf die gleiche Weise wie lebendes Gewebe, und somit ist die absorbierte Dosis in einem Detektor aus diesem Material gleich der absorbierten Dosis im menschlichen Körper . Und wenn wir einen Detektor aus Cäsiumiodid (einem der am häufigsten verwendeten Szintillatoren) herstellen, können wir ihn für jede Energie kalibrieren, und bei anderen Energien wird er liegen. Eine solche Änderung der Messwerte einer dosimetrischen Vorrichtung in Abhängigkeit von der Strahlungsenergie wird als "Schlaganfall mit Steifheit" oder als Energieabhängigkeit der Dosisempfindlichkeit des Detektors bezeichnet .



Die Abbildung (aus dem New Handbook of a Chemist and Technologist, Bd. 11, S. 111) zeigt die Energieabhängigkeiten der Dosisempfindlichkeit von Detektoren, die auf Basis verschiedener Szintillatoren hergestellt wurden.Links werden Anthracen (leichteres durchschnittliches Atomgewicht als lebendes Gewebe) und Natriumiodid (signifikant „schwerer“ als das letzte) verglichen. Es ist ersichtlich, dass der Detektor auf Natriumiodidbasis in einem bestimmten Energiebereich die Dosis um das Zehnfache überschätzt! Und in der rechten Grafik wird gezeigt, dass Sie mit einer Mischung aus organischen Szintillatoren - „leichter“ und „schwerer“ als lebendes Gewebe - die „Bewegung mit Steifheit“ fast vollständig eliminieren können.

Eine andere Möglichkeit, den „Hub mit Steifheit“ zu beseitigen, besteht darin, Filter auszuwählen, die Strahlung in dem Bereich absorbieren, in dem die Empfindlichkeit des Detektors zu hoch ist.

Fazit

Abschließend werde ich eine kleine Platte geben, die die im Artikel berücksichtigten Hauptmengen zusammenfasst.



Für eine umfassendere Einarbeitung in das Thema empfehle ich die Vorlesungen von Professor Igor Nikolaevich Bekman von der Moskauer Staatlichen Universität

Alle Artikel in der Reihe

Strahlung: Alltag des radiochemischen Labors
Strahlung: Quellen
Strahlung: Risiken, Sicherheit, Schutz