Rayonnement: unités

Avec presque toutes les conversations sur la radioactivité avec un profane, il s'avère que l'interlocuteur a, à un degré ou à un autre, une vague idée d'unités de mesure. Donc, quand j'ai publié un article sur le laboratoire de radiochimie, l'un des lecteurs s'est plaint auprès de moi qu'il avait de nombreuses unités trouvées dans des livres et des articles sur la radioactivité - rayons X, rems, rems, heureux, gris, sievert, curies, becquerels et même équivalents grammes de radium - ma tête tourne et a demandé d'écrire à ce sujet. Je réponds à sa demande.

Oui, sur KDPV - conjoints Maria Sklodovskaya-Curie et Pierre Curie.

Un peu d'histoire

En 1895, Wilhelm Konrad Roentgen a découvert un rayonnement aux propriétés étonnantes: agissant comme la lumière sur des plaques photographiques et excitant l'éclat des écrans fluorescents, il pénétrait facilement à travers des obstacles opaques. Peu de temps s'est écoulé, il s'est avéré que la source d'un tel rayonnement n'est pas seulement un tube de Crookes fonctionnel, comme dans les expériences aux rayons X, mais aussi des substances contenant de l'uranium, qui, en outre, émettent ce rayonnement en continu, invariablement et sans aucune fourniture d'énergie de l'extérieur. Cela a été suivi littéralement par une avalanche de découvertes. La découverte du radium, du polonium, puis de tout un tas de nouveaux éléments radioactifs, établissant le lien entre la désintégration radioactive et la conversion d'un élément en un autre, les premières réactions nucléaires effectuées ... ne cuisinez pas »de nouvelles connaissances. La conversation sur ces découvertes fait l’objet d’un autre article (et non d’un autre), et maintenant je dirai que déjà alors, dans les premiers mois et années de ce «boom du radium», les mesures ne pouvaient pas être supprimées.

Le premier appareil de mesure pour déterminer l'intensité du rayonnement ionisant était un électroscope ou un électromètre ordinaire, qui était déchargé sous l'influence du rayonnement, et la vitesse de cette décharge était proportionnelle à son intensité. Et la première norme était ...

Milligramme d'ampoule de radium comme mesure de la radioactivité

Cette ampoule n'était pas seulement le premier étalon pour l'étalonnage des électromètres et des chambres d'ionisation - c'était une mesure de la quantité de radioactivité. Une propriété étonnante du radium était la constance exceptionnelle de son rayonnement: son intensité ne dépendait que de la quantité de radium. Par conséquent, après avoir prélevé un échantillon de 1 mg de radium et l'avoir scellé dans une ampoule de platine, il est devenu possible de ne plus peser le radium. En comparant l'intensité du rayonnement gamma d'une ampoule de référence et d'un échantillon placé dans une ampoule de même épaisseur de paroi, il a été possible de déterminer la quantité de radium qu'elle contenait avec une grande précision. Les ampoules au radium ont donc pris la place qui leur revient dans les chambres de poids et de mesures à côté des normes du mètre, du kilogramme et des chevaux sphériques .

À proprement parler, la source de rayonnement gamma n'est pas le radium. Et c'est précisément avec cela que l' ampoule scellée était la norme. Le fait est que le radium-226 n'émet pas de rayons gamma pendant la décroissance. Il émet une particule alpha, se transformant en radon-222, qui était alors appelé l' émanation de radium . Cette dernière, étant également alpha-active, subit ensuite une série de désintégrations avec émission de particules alpha et bêta, dont certaines s'accompagnent de rayonnements gamma. Le radon n'a nulle part où aller depuis une ampoule scellée, et un équilibre séculaire est établi entre le radium et ses produits de désintégration radioactive: combien de radon (et chaque membre subséquent de la série radioactive) s'est formé, tant de désintégrations.

En comparant la radioactivité d'autres éléments découverts par la suite avec le rayonnement, ils ont commencé à utiliser une telle unité comme l' équivalent en milligrammes de radium , égale à la quantité de substance radioactive qui donne la même intensité de rayonnement gamma que les milligrammes de radium à la même distance.

L'équivalent milligramme du radium, en tant qu'unité de radioactivité, présente l'inconvénient évident que le rayonnement gamma, d'une manière générale, est une sorte d'effet secondaire de la désintégration radioactive. Dans de nombreux cas, il est absent ou non dans chaque acte de décomposition. Par conséquent, nous sommes passés de la comparaison des intensités de rayonnement gamma au concept d' activité en tant que mesure du nombre d'événements de désintégration dans une préparation par unité de temps . L'étalon est resté la même ampoule avec du radium, et à partir de là une unité de curie est apparue, définie comme l'activité d'une substance radioactive dans laquelle autant d'atomes se désintègrent par unité de temps (à savoir, $$ morceaux), combien d'atomes de radium-226 se désintègrent dans un gramme.

L'unité curie est désormais considérée comme obsolète, comme toutes les unités non système. Dans le système SI, le becquerel le remplace - c'est l'activité du médicament, dans laquelle se produit en moyenne une décroissance par seconde. Ainsi, 1 Ki = $$ Bq.

Électromètre et dose d'exposition

Le premier appareil pour mesurer l'intensité du rayonnement radioactif, comme je l'ai dit, était un électromètre, qui était déchargé sous l'influence des rayons du radium. Il est devenu le précurseur de la chambre d'ionisation - une chambre avec deux électrodes de charges opposées, qui a permis de déterminer la quantité d'ions formés dans l'air remplissant la chambre. Ces ions dans un champ électrique à l'intérieur de la chambre d'ionisation commencent à se déplacer vers les électrodes et, les atteignant, les déchargent. L'amplitude de la diminution de la charge des électrodes peut déterminer le nombre de paires d'ions qui se forment dans l'air sous l'influence du rayonnement. Et en mesurant le courant traversant la chambre dans le circuit d'une source de tension externe, il est possible de déterminer le nombre de paires d'ions générées dans la chambre par unité de temps, proportionnel à l'intensité du rayonnement.

La valeur ainsi mesurée était appelée dose d'exposition au rayonnement. Et l'unité de mesure était la radiographie . À une dose d'exposition de 1 rayon X dans un centimètre cube d'air sec, une unité de HSE est formée ( $$ C) charge de chacun des ions, ce qui correspond à $$ paires d'ions. Soit dit en passant, notre référence de 1 mg de radium dans une ampoule de platine à une distance de 1 cm pendant une heure crée une dose d'exposition de 8,4 rayons X (généralement dans ce cas, ils disent que le débit de dose d'exposition est de 8,4 R / h).

Il n'y a pas d'unité spéciale de dose d'exposition dans le système SI et l'unité est pendentif par kilogramme. 1 C / kg = 3875,97 R. Cependant, à l'heure actuelle, cette unité est utilisée extrêmement rarement en raison du rejet du concept même de dose d'exposition. La raison de cet échec est que cette quantité assez facilement mesurable est peu utile pour une application pratique. Habituellement, nous ne nous intéressons pas au nombre d'ions formés dans l'air, mais à l'action qui a irradié la substance ou le tissu vivant.

Dose absorbée

L'idée de considérer l'énergie absorbée dans cette substance comme une mesure de l'effet du rayonnement radioactif sur une substance est assez évidente. Il s'agit de la dose absorbée , dont la mesure est l'énergie de rayonnement absorbée par une masse unitaire de la substance. L'unité de mesure de la dose absorbée en SI est grise : 1 Gy = 1 J / kg. Auparavant, une autre unité était utilisée - ravie . 1 rad = 100 erg / g = 0,01 Gy. À une dose d'exposition de 1 P, la dose absorbée dans l'air est de 0,88 rad. Dans la plupart des cas, ces 0,88 sont arrondis à l'unité, assimilant rad aux rayons X (bien qu'en fait ce soient des quantités physiques différentes), et gris (et sievert, qui est décrit ci-dessous) à 100 rayons X.

Mais la dose dans diverses substances à la même dose d'exposition sera différente selon le type et l'énergie du rayonnement et les propriétés de l'absorbeur. C'est pour cette raison que le concept de dose d'exposition est désormais abandonné. En pratique, il est beaucoup plus correct de mesurer non pas la dose d'exposition, mais de prendre un détecteur dont le numéro atomique moyen est égal au numéro atomique moyen du tissu biologique (dans ce cas, nous parlons d'un détecteur équivalent au tissu ) et de mesurer la dose absorbée en lui. Ensuite, avec un certain degré de précision, on peut supposer que la dose absorbée dans le détecteur sera égale à la dose absorbée dans le tissu biologique.

Toutes sortes de doses différentes

Mais il s'avère que différents types de rayonnements radioactifs agissent différemment sur les tissus vivants. Le rayonnement alpha, les protons et les neutrons à la même dose absorbée lui causent beaucoup plus de dommages que le rayonnement gamma et les particules bêta. À cet égard, avec la dose absorbée, un autre type de dose se pose - la dose équivalente . Elle est égale à la dose de rayonnement gamma, ce qui provoque le même effet biologique que la dose de ce rayonnement.
L'unité de dose équivalente est sievert . L'ancienne unité de la dose équivalente est l' équivalent biologique des rayons X ou rem , en anglais REM (parfois dans la littérature traduite et les radiologues, vous pouvez trouver l'unité «rem» - c'est le même rem). 1 Sv = 100 rem.

Afin de traduire la dose absorbée en équivalent, vous devez multiplier la dose absorbée par le soi-disant facteur de qualité . Ce coefficient pour les photons, les électrons et les muons est égal à l'unité, pour les particules alpha, il est supposé être égal à 20, pour les protons selon diverses sources, il est de 2 à 5, et pour les neutrons, il est très dépendant de l'énergie, atteignant 20 dans la gamme d'énergie de 100 keV à 2 MeV ( voir photo).



En plus de l'équivalent, une dose efficace est également envisagée. Il prend en compte non seulement un degré différent de nocivité des rayonnements, mais aussi un degré différent de nocivité des irradiations de l'une ou l'autre partie du corps ou de l'organe lors de l'irradiation non seulement du corps entier, mais de sa partie. Les facteurs de pesée sont attribués à chaque tissu et organe de manière à ce que la somme soit égale à un. Avec une exposition uniforme à tout le corps, la dose efficace est équivalente. Il est mesuré dans les mêmes unités que l'équivalent.

Je m'arrête ici: je ne vais pas vous confondre et vous dire ce qu'est le kerma, l'équivalent de dose ambiante, et bien d'autres choses.

Et comment tout cela mesure-t-il?

Pour mesurer la dose d'exposition, comme je l'ai dit, vous devez prendre une certaine quantité d'air, collecter les ions qui y sont formés et déterminer leur quantité, qui peut être résolue avec succès en utilisant une chambre d'ionisation. C'est sur la base des chambres d'ionisation que la majeure partie des dosimètres à accumulation de type "crayon" a été réalisée.

Et pour mesurer la dose absorbée, vous devez mesurer la quantité d'énergie libérée dans la substance. Et c'est là que réside la principale difficulté. Mesurer directement cette énergie est très difficile, car dans la plupart des cas, elle est très petite. Un gris (et c'est une dose sérieuse, causant déjà le mal des radiations) est juste un joule par kilogramme. Si nous essayons de mesurer cette dose, par exemple, de manière calorimétrique - par un changement de température, alors, par exemple, l'aluminium chauffera un peu plus d'un millième de degré.

Par conséquent, toutes les méthodes de mesure de la dose absorbée ou de sa puissance sont indirectes. Ils consistent dans le fait que nous observons un certain processus provoqué par l'irradiation et nécessitant des dépenses énergétiques et supposons que la «sortie» de ce processus dépendra linéairement de la contribution énergétique du rayonnement absorbé.

Le premier acte d'interaction des rayonnements ionisants avec la matière est presque toujours l'ionisation elle-même. Un quantum de rayons gamma ou une autre particule émise par une substance radioactive a généralement une énergie beaucoup plus élevée que l'énergie nécessaire pour arracher un électron d'un atome. Par conséquent, cela ne se termine pas par un seul acte d'ionisation. Tout au long de la trajectoire de la particule, des électrons libres et des ions chargés positivement sont générés dans la substance, dont les énergies dépassent généralement l'énergie d'ionisation eux-mêmes, ce qui conduit au développement de toute une cascade de processus pour la formation d'électrons et d'ions libres, jusqu'à ce que leur énergie soit comparable à l'énergie de liaison chimique , avec les premières énergies d'ionisation, etc. Et déjà ces électrons et ions exercent directement sur la substance un effet caractéristique des rayons ionisants: ils excitent la luminescence, déclenchent des réactions chimiques, détruisent les structures biologiques et deviennent porteurs de courant électrique. Tant leur quantité que leur énergie totale sont proportionnelles à la dose absorbée (à proprement parler - moins l'énergie des électrons sortant de la substance), et ils «ne savent déjà rien» de ce qui les a provoqués.
Historiquement, l'un des premiers dosimètres était un film ordinaire enveloppé dans un matériau résistant à la lumière. Le degré de noircissement après manifestation dépend approximativement de la dose absorbée ainsi que de l'exposition à la lumière visible ordinaire: il existe une région de dépendance linéaire limitée par la flexion dans la région à faible dose et la saturation (avec solarisation ultérieure - diminution de la densité) dans la région à forte dose. Le film est un dosimètre bon marché et plutôt sensible, mais pas très fiable, car de petits écarts dans les régimes de traitement peuvent entraîner des erreurs de détermination de dose notables. Le film photographique est l'un des premiers représentants de la famille des dosimètres chimiques dans lesquels la valeur de la dose est déterminée par la quantité d'une substance formée ou consommée au cours de la réaction: colorée, paramagnétique ou possédant une autre propriété facilement mesurable. Il peut s'agir d'une solution dans une ampoule qui noircit ou se tache sous l'influence du rayonnement (par exemple, en raison de l'oxydation du fer (II) en fer (III) avec la formation ultérieure de thiocyanate rouge aux couleurs vives), du verre ou d'un cristal dans lequel le soi-disant rayonnement défauts absorbant la lumière. Les dosimètres chimiques permettent de déterminer la dose de rayonnement avec une grande précision et dans une très large gamme - de ceux qui ne font pas de mal particulier à ceux qui le tuent en une minute. Mais, en règle générale, ils ne permettent pas de mesurer le débit de dose.

La luminescence permet de détecter même l'acte d'absorption d'une seule particule ou rayon gamma, ce qui conduit à l'apparition d'un bref éclair lumineux dans le matériau du détecteur - la scintillation. Ce principe repose sur l'action des détecteurs à scintillation, qui permettent de mesurer des flux de rayonnement même très faibles qui sont des dizaines et des centaines de fois plus faibles que le fond de rayonnement naturel. Le capteur de rayonnement à scintillation, contrairement aux détecteurs chimiques, vous permet de déterminer la puissance de la dose absorbée par le détecteur en temps réel. Bien entendu, pour obtenir la valeur de dose, ou débit de dose, il faut non seulement compter le nombre d'impulsions, mais résumer et intégrer la lumière émise par le scintillateur.

Un type spécial de tels détecteurs sont les détecteurs dits thermoluminescents. Ils utilisent un matériau luminescent qui, au lieu de faire clignoter chaque particule avec un éclair de lumière, conserve les charges libres formées par lui sous la forme de défauts de réseau chargés de longue date. Lorsqu'ils sont chauffés, ces défauts «guérissent» et les électrons et les trous libérés se recombinent, transférant de l'énergie aux centres de luminescence. Et en intégrant l'impulsion lumineuse qui se produit lorsque le thermoluminophore est chauffé, nous déterminerons la dose accumulée par celui-ci.

Enfin, nous pouvons «attraper» non pas les effets secondaires causés par l'ionisation, mais les ions eux-mêmes - tout comme dans la chambre d'ionisation, seule cette chambre est remplie non pas de gaz, mais d'un semi-conducteur - germanium, silicium, tellurure de cadmium et enfin - diamant. Le courant moyen traversant le détecteur sera proportionnel à la puissance de la dose absorbée par celui-ci.

Mais qu'en est-il du célèbre compteur Geiger? Mais il ne mesure pas la dose. Il ne peut réagir qu'avec une impulsion à une particule qui la traverse, sans comprendre ce qui y a volé, ni quel type d'énergie il avait. Autrement dit, il peut mesurer une caractéristique du flux de particules comme la fluence : combien de particules ont volé à travers une zone donnée. Un détecteur à scintillation ou semi-conducteur fonctionnera exactement de la même manière si nous enregistrons uniquement le fait de l'apparition d'une impulsion, en ignorant son amplitude.

Dose dans différents matériaux et course avec rigidité

Dans le paragraphe sur la dose absorbée, j'ai mentionné au passage que dans le même flux de rayonnement, la dose absorbée par différents matériaux sera différente et dépendra de l'énergie des quanta et des propriétés de la substance. Dans le cas d'un rayonnement gamma, son absorption est déterminée par la seule caractéristique du matériau - le nombre atomique moyen (ou effectif) $$$Z_ {eff}$. Le rayonnement gamma se transmet à des substances de même $$$Z_ {eff}$la même énergie lors du passage à travers une couche de même masse par unité de surface. Ainsi, un matériau ayant la même composition atomique brute que les tissus vivants absorbera les rayons gamma à n'importe quelle énergie de la même manière que les tissus vivants, et donc la dose absorbée dans un détecteur constitué de ce matériau sera égale à la dose absorbée dans le corps humain . Et si nous fabriquons un détecteur à partir d'iodure de césium (l'un des scintillateurs les plus couramment utilisés), nous pouvons l'étalonner pour n'importe quelle énergie, et à d'autres énergies, il se trouvera. Un tel changement dans les lectures d'un appareil dosimétrique en fonction de l'énergie de rayonnement est appelé «accident vasculaire cérébral avec raideur» ou dépendance énergétique de la sensibilité à la dose du détecteur .



La figure (du New Handbook of a Chemist and Technologist, vol. 11, p. 111) montre les dépendances énergétiques de la sensibilité à la dose des détecteurs fabriqués à partir de différents scintillateurs.À gauche, l'anthracène (plus léger en poids atomique que les tissus vivants) et l'iodure de sodium (significativement plus «lourd» que le dernier) sont comparés. On peut voir que dans une certaine gamme d'énergie, le détecteur à base d'iodure de sodium surestime la dose de 10 fois! Et sur le graphique de droite, il est montré qu'en prenant un mélange de scintillateurs organiques - plus «légers» et plus «lourds» que les tissus vivants, vous pouvez presque complètement éliminer le «mouvement avec raideur».

Une autre façon d'éliminer le «coup avec rigidité» consiste à sélectionner des filtres qui absorbent le rayonnement dans la zone où la sensibilité du détecteur est excessive.

Conclusion

En conclusion, je vais vous donner une petite assiette, qui résume les principales quantités considérées dans l'article.



Et pour une familiarisation plus complète avec le sujet, je recommande les conférences du professeur Igor Nikolaevich Bekman , Université d'État de Moscou

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