Источники ионизирующих излучений

И.М. ОБОДОВСКИЙ

ИСТОЧНИКИ  
ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ

© 2016, È.Ì. Îáîäîâñêèé
© 2016, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

È.Ì. Îáîäîâñêèé
Èñòî÷íèêè èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé: Ó÷åáíîå ïîñîáèå/
È.Ì. Îáîäîâñêèé – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», 2016. – 144 ñ.

Âñå æèâîå íà Çåìëå ïîãðóæåíî â îêåàí èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé. Æèçíü âîçíèêëà, ðàçâèâàëàñü è äîñòèãëà ñîâðåìåííîãî ñîñòîÿíèÿ â óñëîâèÿõ îáëó÷åíèÿ è ïðîäîëæàåò ñóùåñòâîâàòü, âñåãäà ïîãðóæåííàÿ â ýòîò îêåàí. Ýòè èçëó÷åíèÿ
ïàäàþò íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè èç êîñìîñà è ïîñòóïàþò îò âåùåñòâ, íàõîäÿùèõñÿ â çåìíîé êîðå, â îêðóæàþùèõ íàñ ñòðîåíèÿõ, â ïèùå, âîäå, âîçäóõå è äàæå â íàøåì òåëå.
Ïîñëå îòêðûòèÿ ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ è ðàäèîàêòèâíîñòè íà÷àëñÿ àêòèâíûé ïåðèîä ðàçðàáîòêè, èçãîòîâëåíèÿ è
èñïîëüçîâàíèÿ âñå íîâûõ èñòî÷íèêîâ è ÷ðåçâû÷àéíî øèðîêîãî èõ èñïîëüçîâàíèÿ.
 êíèãå îïèñàíû ðàçíîîáðàçíûå èñòî÷íèêè èîíèçèðóþùèõ
èçëó÷åíèé: åñòåñòâåííûå è èñêóññòâåííûå, ðàäèîíóêëèäíûå,
óñêîðèòåëè è ðåàêòîðû. Ðàññìîòðåíû ìíîãèå âàðèàíòû èõ
èñïîëüçîâàíèÿ. Îñîáîå âíèìàíèå îáðàùåíî íà ìåäèöèíñêèå
ïðèìåíåíèÿ. Óêàçàíû äîçîâûå íàãðóçêè â ðàçëè÷íûõ ñëó÷àÿõ
ðàáîòû ñ èñòî÷íèêàìè.
Ïðèâåäåíû ïðèìåðû ñëó÷àéíûõ è ïðåäíàìåðåííûõ ïåðåîáëó÷åíèé. Òåì íå ìåíåå, ñðàâíåíèå ðàçíîîáðàçíûõ ñôåð ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ïîêàçûâàåò, ÷òî ðàáîòà ñ èñòî÷íèêàìè èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé â íàñòîÿùåå âðåìÿ – îäíà èç
ñàìûõ áåçîïàñíûõ.
Ó÷åáíîå ïîñîáèå àäðåñîâàíî øèðîêîìó êðóãó ñòóäåíòîâ è
ïðåïîäàâàòåëåé áèîìåäèöèíñêèõ è èíæåíåðíî-ôèçè÷åñêèõ íàïðàâëåíèé, ñïåöèàëèñòàì ïðîìûøëåííîñòè è êëèíè÷åñêîé
ìåäèöèíû.

ISBN 978-5-91559-220-8

ISBN 978-5-91559-220-8

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Глава 1. Радиоактивные нуклиды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.  Строение ядра и радиоактивный распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1. Строение ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2. Радиоактивный распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3. Изомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.4. Внутренняя конверсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.5. Закон радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.6. Элементы, изотопы, нуклиды  . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.7. Семейство изобар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.  Ядерно-физические характеристики радионуклидов . . . . . . . . 21
1.3.  Радиогенные нуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.1. Радиоактивные семейства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.2. Излучения радиогенных нуклидов . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.  Трансурановые элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.1. Общая характеристика проблемы 
трансурановых элементов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.2. Плутоний 94Pu  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.3. Америций 95Am . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.4. Кюрий 96Cm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.5. Берклий 97Bk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.6. Калифорний 98Cf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.  Нуклиды – продукты деления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6.  Космогенные радионуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.1. Тритий 3H  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.2. Изотопы бериллия 7Be и 10Ве . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.3. Углерод-14 14C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6.4. Изотопы натрия 22Na и 24Na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.7.  Мёссбауэровские нуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Оглавление

1.8.  Меченые атомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.9.  Некоторые особые радионуклиды: 

85Kr, 131I, 90Sr, 137Cs, 134Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.1. Криптон-85, 85Kr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.2. Йод-131, 131I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.3. Изотопы цезия и стронций-90, 137Cs, 134Cs и 90Sr 43
1.9.4. Калий-40, 40K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.10. Применения радионуклидных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.11. Источники медицинского применения, диагностические 
и терапевтические . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.11.1. Радионуклиды для терапии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.11.2. Радионуклиды для диагностики . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.11.3. Реакторные и ускорительные радионуклиды . . . 50
1.11.4. Генераторные нуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.12. Радионуклидные источники нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Глава 2. Ускорители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.1. Классификация ускорителей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2. Ускорители для научных исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.1. Циклотроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.2. Синхротроны и синхрофазотроны . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.3. Мезонные фабрики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.4. Бетатроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.5. Микротроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3. Ускорители для радиационных технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1. Введение. Области применения. 
Требования к ускорителям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.2. Родотроны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.3. Линейные ускорители прямого действия . . . . . . . 66
2.3.3.1. Генераторы Кокрофта-Уолтона . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.3.2. Динамитрон  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3.3.3. Генераторы Ван де Граафа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3.4. Пеллетроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3.5. Трансформаторные системы . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.4. Линейные резонансные ускорители  . . . . . . . . . . . 69
2.4.  Синхротронное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.  Ионно-лучевые ускорители-имплантеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Глава 3. Ядерные реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1.  Исследовательские реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Оглавление

3.2.  Импульсные реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.  Энергетические реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.  Атомные ледоколы, авианосцы 
и подводные лодки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Глава 4. Генераторы нейтронов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Глава 5. Естественный радиационный фон  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.1.  Космическое излучение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.  Земная радиация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Глава 6. Антропогенный радиационный фон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Глава 7. Медицинская радиационная диагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.1.  Основы медицинской радиационной диагностики . . . . . . . . . . 93
7.2.  Проекционные планарные методы визуализации . . . . . . . . . . . 94
7.3.  Вычислительная (компьютерная) томография . . . . . . . . . . . . . . 98
7.4.  Однофотонная эмиссионная компьютерная 
томография (ОФЭКТ)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5.  Позитронно-эмиссионная томография  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.6.  Магнитно-резонансная томография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Глава 8. Радиационная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

8.1.  Основы радиационной терапии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2.  Рентгеновская и гамма-терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3.  Бета-терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.4.  Внутреннее облучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.5.  Протонная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.6.  Ионная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.7.  Пионная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.8.  Антипротонная терапия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.9.  Нейтронная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.10. Нейтронозахватная терапия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Глава 9. Радиационная безопасность при работе 
с источниками излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

9.1.  Общая характеристика проблем безопасности . . . . . . . . . . . . 122
9.2.  Работа с радионуклидными источниками . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.3.  Радиационная обстановка на ядерных реакторах . . . . . . . . . . 128

Оглавление

9.4.  Радиационная обстановка на ускорителях  . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.5.  Дозы при медицинских диагностических 
и терапевтических процедурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

ПРЕДИСЛОВИЕ

Явное взаимодействие человечества с ионизирующими излучениями насчитывает около 120 лет. До этого взаимодействие тоже 
было, но не явное. С самого возникновения первых признаков жизни 
на планете Земля все живые организмы были подвержены воздействию радиации. Весьма вероятно, что радиация сыграла заметную 
роль в возникновении жизни. Еще более вероятно, что в отсутствие 
радиации развитие живых организмов и процессы видообразования 
проходили бы гораздо медленнее и беднее. Появившееся человечество 
подвергалось облучению, не подозревая об этом. В частности, люди 
сталкивались с благотворным влиянием излучений на здоровье, не понимая истинной причины такого влияния. Лечебный эффект радоновых ванн был известен задолго до открытия радиоактивности.
Проявляла радиации и свой зловредный, опасный характер. В тех 
случаях, когда интенсивность излучения превышала привычный естественный радиационный фон, люди болели и погибали, также не подозревая об истинных причинах неприятностей. Так, из камня с большим содержанием урана в городе Яхимове, Чехия (ранее он назывался 
Йоахим сталь) в XV–XVII веках строили жилые дома. Средняя продолжительность жизни в таких домах была 35–40 лет. Заболевали и рабочие фабрик, где изготовляли краски на основе соединений урана для 
живописи по фарфору, керамических глазурей и эмалей.
Примерно 120 лет назад были открыты сначала рентгеновское излучение (ноябрь 1995 г.), а затем радиоактивность (февраль 1996). 
И начался период бурного использования ионизирующих излучений.
Эпоха взаимодействия человека с радиацией четко делится на два 
периода: первые 50 лет, до осуществления цепных реакций деления 
и последующий период вплоть до настоящего времени.
Практически сразу после открытия рентгеновского излучения была 
определена позитивная роль радиации. Уже к первому сообщению об 
открытии Рентген приложил рентгенограмму кисти руки. Стало понят

Предисловие

но. что рентгеновское излучение может использоваться для просвечивания организма. несколько позднее выяснилось, что и рентгеновское 
излучение и излучения радия способны разрушать злокачественные 
опухоли. Были заложены основы радиационной терапии.
Однако и опасность воздействия излучений на человека прояснилась 
после открытия радиации довольно быстро. Так, в 1895 году помощник 
Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами. Первооткрыватель радиоактивности А. Беккерель 
положил пробирку с вновь открытым элементом в жилетный карман, 
где она находилась несколько часов. В результате образовалась долго 
не заживающая язва. Cразу после открытия Рентгена с катодными трубками много работали Томас Эдисон, Уильям Мортон и Николай Тесла. 
Они заметили, что многочасовая работа с катодными трубками сопровождается воспалением кожи, резью в глазах, головными болями. Мучительные, долго не заживающие ожоги, развились у супругов Кюри. 
Русские учёные Е. С. Лондон и С. В. Гольдберг в опытах на себе в 1903 г. 
также убедились, что лучи радия вызывают тяжёлые ожоги.
И физики, изучавшие радиоактивные излучения, и врачи, использовавшие эти излучения, первые годы работали с ними без всяких 
предосторожностей и защиты. Просвечивая своих пациентов, врачи 
ежедневно сами получали определённую дозу облучения. Скрытый 
вред, наносимый этими лучами, накапливался изо дня в день. Спустя 
10–15 лет после такой практики началось массовое поражение врачейрентгенологов злокачественными опухолями. Почти все энтузиасты 
этого нового метода диагностики погибли в течение нескольких лет.
В 1936 году в Гамбурге перед Госпиталем св. Георгия был установлен памятник «жертвам радия и Х-лучей». На монументе были начертаны имена 110 учёных и инженеров, ставших жертвой первых экспериментов с рентгеновскими лучами. В последующем на монумент 
постоянно наносились новые имена, и очень скоро его пришлось окружить дополнительными плитами.
После открытия деления урана, постройки первых реакторов 
и взрывов первых атомных бомб начался новый этап во взаимодействии 
человека с ионизирующим излучением. Состоялось первое и пока последнее военное использование атомного оружия при бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки. Началось строительство 
ядерных реакторов, предприятий по обогащению урана и переработке 
ядерного топлива. Огромную роль в науке и в развитии радиационных 
технологий сыграли ускорители заряженных частиц. Было получено 
большое количество новых радиоактивных нуклидов

Предисловие

Справедливости ради надо сказать, что и реакторы и ускорители 
появились задолго до нашего времени. Примерно два миллиарда лет 
назад в районе местечка, которое теперь называется Окло, на территории современного африканского государства Габон действовал на 
протяжении более нескольких тысяч лет природный ядерный реактор. 
В космических лучах на Землю приходят частицы, ускоренные в космических ускорителях до таких энергий, которые получить на земных 
ускорителях не представляется возможным в пределах времени, которое может охватить своим взглядом любой футурист.
В результате длительной, напряженной, а порой и драматичной работы выяснилось, что излучения, выходящие из атома, не только несут 
колоссальную энергию и богатую информацию об обширном субатомном мире, но и являются мощнейшим инструментом в исследованиях 
и технологии. К настоящему времени они используются практически 
во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, охране окружающей среды, в геологии, биологии, криминалистике, археологии, 
искусствоведении, ювелирном деле и во многих других сферах человеческой деятельности. Хорошо известна роль ядерных излучений в медицине, где они играют важнейшую роль и в диагностике, и в терапии. 
Возникли самостоятельные отрасли –  ядерная энергетика и радиоизотопное приборостроение. Существенно, что ядерные излучения воздействуют на вещество и могут изменять его характеристики, в частности, в желательном для человека направлении.
Однако из-за печального опыта военного применения ядерного оружия, из-за сложившейся неблагоприятной репутации ядерных излучений, из-за особых свойств ядерных излучений –  их невидимости, отсутствии запаха, вкуса, из-за некоторых опасных происшествий в сфере 
ядерной энергетики в обществе создалась некоторая негативная атмосфера, отталкивающая людей от этой области знаний и деятельности. Большая часть негативных реакций общественности вызвана 
недопониманием, недостатком достоверной информации. Требуется 
длительная и постоянная работа по демонстрации благоприятных, безопасных, а часто, совершенно необходимых аспектов использования 
радиационных технологий.
Тема «Источники излучений» чрезвычайно обширна и многообразна. С одной стороны, источники излучений –  это инструменты, позволяющие решать определенные задачи в науке, различных отраслях 
хозяйства и медицине. С другой стороны, источники изучений –  это 
основная причина радиационной опасности. Грамотное использование 
источников излучений позволяет с одной стороны удовлетворить фун

Предисловие

даментальные потребности человечества, создает конкурентные преимущества в производстве, повышает наши знания о природе и о процессах в ней происходящих. С другой стороны чётко определены 
и сформулированы правила обращения с источниками ионизирующих 
излучений и если бы эти правила всегда неукоснительно выполнялись, 
работа с ионизирующими излучениями была бы одной из самых безопасных сфер человеческой деятельности.
Целью данной книги является изложение принципов, лежащих в основе использования различных источников излучений. Книга предназначена для студентов, аспирантов и преподавателей инженерно-физических и технических специальностей, для инженеров и специалистов 
различных отраслей промышленности, использующих источники ионизирующих излучений в своей работе или пользующиеся результатом 
их воздействий на вещество и биологические структуры, а также для 
читателей, интересующихся современными проблемами, связанными 
с использованием источников ионизирующих излучений.
На содержание и объем настоящей книги решающим образом повлияли советы Л. Ф. Соловейчика, за что ему особая благодарность. 
Бесспорную помощь оказали автору его коллеги по работе в МИФИ, 
А. И. Болоздыня и С. Г. Покачалов. Автор всегда ценит моральную поддержку Оксаны Кириченко.