Дозиметрия

Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. А. Баранова, А. П. Оконечников, В. А. Пустоваров

Дозиметрия

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
12.04.04 — Биотехнические системы и технологии,
14.03.02 — Ядерная физика и технологии,
14.05.04 — Электроника и автоматика физических установок,
18.05.02 — Химическая технология материалов современной энергетики,
22.03.01 — Материаловедение и технологии материалов

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 615.015.3
ББК 31.42
          Б24

Рецензенты:
В. Н. Костин, д-р техн. наук, проф., замдиректора Института физики металлов им. М. Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН);
Т. В. Мельникова, канд. хим. наук, доц. Института ядерной физики и технологий ИАТЭ НИЯУ МИФИ

Научный редактор — канд. физ.-мат. наук, доц. О. В. Рябухин

 
Баранова, А. А.
Б24    Дозиметрия : учебно-методическое пособие / А. А. Баранова, А. П. Оконечников, В. А. Пустоваров ; Мин-во науки и высш. образования РФ. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 112 с.

ISBN 978-5-7996-3133-8

Приводятся краткие теоретические основы рассматриваемой темы или используемого метода, дается описание экспериментальных установок, указаны назначение и технические характеристики приборов и их составных частей. В приложении приводятся лабораторные работы, подробно описан порядок их выполнения, 
излагаются требования к отчету.
Издание предназначено для студентов вуза, обучающихся по направлениям 
подготовки 12.04.04 — Биотехнические системы и технологии, 14.03.02 — Ядерная физика и технологии, 14.05.04 — Электроника и автоматика физических установок, 18.05.02 — Химическая технология материалов современной энергетики, 
22.03.01 — Материаловедение и технологии материалов; может быть полезно в научно-исследовательских работах студентов.

УДК 615.015.3
ББК 31.42

ISBN 978-5-7996-3133-8 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2020

оглавление

Введение ............................................................................................... 4

Глава 1. Исследование законов ослабления фотонного 
                 излучения в веществе ............................................................. 6
Глава 2. Определение эквивалентной равновесной 
                 активности радона ............................................................... 16
Глава 3. Термолюминесцентный метод дозиметрии ........................ 33
Глава 4. Дозиметрия фотонного излучения с помощью 
                 газоразрядных счетчиков ..................................................... 44
Глава 5. Сцинтилляционный метод дозиметрии 
                 фотонного излучения .......................................................... 55
Глава 6. Дозиметрия нейтронного излучения ................................... 64
Глава 7. Дозиметрия β-излучения ...................................................... 71
Глава 8. Оценка радиационной безопасности .................................. 81

Приложение. Задания по курсу «Дозиметрия» ................................. 87
Задание к главе 1. Исследование законов ослабления  
фотонного излучения в веществе ...................................................... 87
Задание к главе 2. Определение эквивалентной равновесной  
активности радона .............................................................................. 89
Задание к главе 3. Термолюминесцентный метод дозиметрии ........ 90
Задание к главе 4. Дозиметрия фотонного излучения  
с помощью газоразрядных счетчиков ................................................ 92
Задание к главе 5. Сцинтилляционный метод дозиметрии  
фотонного излучения ......................................................................... 94
Задание к главе 6. Дозиметрия нейтронного излучения ................... 96
Задание к главе 7. Дозиметрия β-излучения ..................................... 98
Задание к главе 8. Оценка радиационной безопасности .................100

Основные определения и термины ..................................................102

Библиографический список .............................................................110

Введение

П

о определению дозиметрия (от греч. dosis — доля, порция, 
прием и metreo — измеряю), измерение, исследование и теоретические расчеты характеристик ионизирующих излучений (и их взаимодействия со средой), обусловливающих радиационные эффекты в облучаемых объектах живой и неживой природы.
В первые годы после открытия явления радиоактивности возникла задача качественной и количественной оценки характеристик излучений естественных радиоактивных веществ, что и предопределило создание такой дисциплины как дозиметрия.
С развитием реакторостроения, ускорительной техники и производства радиоактивных нуклидов появились новые мощные искусственные источники излучения, создающие потоки нейтронов, ускоренных 
электронов, позитронов и тяжелых заряженных частиц. Серьезное изучение биологического действия ионизирующих излучений показало, 
что электромагнитное излучение различного энергетического диапазона, заряженные и нейтральные частицы при определенных условиях вызывают нарушение биологических процессов на клеточном 
уровне и в организме в целом. В связи с этим значительно расширился и круг задач, решаемых дозиметрией. Кроме первоначальной задачи радиационной безопасности, она стала использоваться в радиационно-физических, радиационно-химических и радиобиологических 
областях исследований.
Современное применение источников излучения в медицине, промышленности и сельском хозяйстве требует дозиметрического обеспечения. Совершенствование элементной базы, цифровой и микропроцессорной техники позволило создать новые приборы для регистрации 
всех видов ионизирующего излучения, проведение фундаментальных 
исследований — разработать и внедрить современные методики измерения и обработки результатов, что оказало существенное влияние 
на качество и достоверность практической дозиметрии. Повысилась 
надежность средств измерения, значительно снизились энергопотре

Введение

бление, габариты, масса приборов, увеличился ассортимент и появились дополнительные сферы их применения.
Развитие дозиметрии, ее приборной и методической баз предъявляет повышенные требования и к специалистам, работающим в данной области, которые должны обладать соответствующими современному уровню развития дозиметрии знаниями и умениями, навыками 
использования средств измерения характеристик ионизирующего излучения, зачастую являющихся комплексным многозадачным оборудованием. Помочь сформировать необходимые компетенции у студентов, обучающихся в этом направлении, и призвано это издание.
В пособии приводятся краткие теоретические основы рассматриваемой темы или используемого метода дозиметрии, современная приборная база, назначение и технические характеристики дозиметрического 
оборудования. В приложении формулируется задание и описывается порядок выполнения работ, закрепляющих полученные теоретические знания.
Пособие предназначено студентам дневной формы обучения всех 
специальностей и направлений, изучающим курсы «Дозиметрия», «Дозиметрия ионизирующих излучений».

Глава 1. исследование законов ослабления 
фотонного излучения в веществе

П

ри прохождении фотонного излучения через вещество наблюдаются различные виды взаимодействия фотонов с атомами среды. Следствием этого является уменьшение интенсивности (потока, плотности потока) первичного гамма-излучения 
и появление вторичного излучения: рассеянных фотонов и электронов.
Ослабление интенсивности излучения фотонов в области средних 
энергий (до 10 МэВ) происходит в основном в результате трех процессов: фотоэффекта, Комптон-эффекта (комптоновского рассеяния) и эффекта образования электрон-позитронных пар. Вероятность 
взаимодействия по каждому эффекту характеризуется своим коэффициентом, зависящим от энергии фотонов и эффективного атомного 
номера материала. В общем случае все три процесса могут протекать 
одновременно, поэтому полный линейный коэффициент ослабления 
моноэнергетического фотонного излучения m (см–1) равен сумме трех 
коэффициентов:
 
m = t + s + c, 
 (1.1)

где t, s, c — линейные коэффициенты ослабления, характеризующие вероятность фотоэффекта, Комптон-эффекта и эффекта образования пар.
Вероятность того или иного процесса взаимодействия определяется энергией фотонного излучения и эффективным атомным номером вещества.
При фотоэлектрическом поглощении (фотоэффекте) фотон поглощается атомом и освобождается фотоэлектрон. Преимущественно фотоэффект идет на К-оболочке, но в любом случае должно соблюдаться условие Еg > Еi, где Еi — энергия связи электрона. Баланс энергии 
при фотоэлектрическом поглощении имеет вид:

 
Еg = Еi + Ее, 
 (1.2)
где Ее — кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Глава 1. Исследование законов ослабления фотонного излучения в веществе

Вылетевший из атома электрон освобождает место на соответствующем энергетическом уровне (то есть появляется дырка), которое может быть занято менее связанным электроном с расположенных выше 
L-, M-, N- оболочек. Переход электрона сопровождается выделением 
кванта характеристического рентгеновского излучения, спектр которого определяется энергетическим положением электронных уровней 
конкретного материала-поглотителя. Испускаемые кванты могут поглощаться объемом вещества. Этот процесс сопровождается вылетом 
из атома одного из электронов с верхних электронных оболочек. Эти 
электроны называют Оже-электронами.
Коэффициент фотоэлектрического поглощения можно записать 
в виде суммы двух коэффициентов:

 
t = tk + ts, 
 (1.3)

где tk — часть коэффициента, характеризующая преобразование энергии первичных фотонов в кинетическую энергию электронов; ts — часть 
коэффициента, характеризующая преобразование энергии первичных 
фотонов в энергию характеристического рентгеновского излучения. 
Величина коэффициента ts относительно мала, поэтому на практике его не учитывают. Зависимость t от энергии Еg и порядкового атомного номера z имеет следующий вид:

 
t

g

=
Ч
с z
E

4

3 , 
 (1.4)

где с — коэффициент, постоянный между скачками поглощения (резонансным поглощением) и постоянный для всех энергий выше энергии, соответствующей К-краю поглощения.
Анализируя формулу (1.4), можно сказать, что фотоэффект с наибольшей вероятностью идет при малых энергиях фотонов и для материалов с большим порядковым атомным номером z.
При увеличении энергии фотонов и постоянном z сечение фотоэффекта уменьшается, и начинает преобладать эффект комптоновского рассеяния (эффект Комптона). Это процесс неупругого рассеяния 
фотона на свободном электроне, при котором в каждом акте взаимодействия первичный гамма-квант передает «свободному» электрону 
атома часть своей энергии, испытывая упругое рассеяние. Вторичный 
(рассеянный) гамма-квант Еgs имеет меньшую энергию, чем первичный Еg и изменяет направление распространения, а электрон получа

А. А. Баранова, А. П. Оконечников, В. А. Пустоваров. ДОЗИМЕТРИЯ

ет некоторую кинетическую энергию Екe. Баланс энергии при комптоновском рассеянии имеет вид:

 
Екe = Еg — Еgs. 
 (1.5)

Сечение (то есть вероятность) комптоновского рассеяния можно 
записать в виде суммы двух составляющих, характеризующих распределение энергии между комптоновским электроном и рассеянным фотоном:
 
s = sk + ss. 
 (1.6)

Зависимость s от энергии и порядкового номера имеет вид:

 
s @ z · ¦(Еg). 
 (1.7)

Эффект комптоновского рассеяния прямо пропорционален z и плавно падает с ростом энергии гамма-излучения.
Угол между падающим и рассеянным гамма-излучением определяется из условия:

 
E
E

E

m c

g
g

g
q

s =

+
Ч
(
)
ж

и
з
ц

ш
ч
1
1

0

2
cos

, 
 (1.8)

где m0c 2 = 0,511 МэВ — энергия массы покоя электрона, q — угол рассеяния первичного гамма-кванта. Из формулы следует, что при рассеянии кванта назад (q = 180°) рассеянные кванты не могут иметь энергии 
более 0,25 МэВ. Излучение, рассеянное назад, называется альбедным.
На практике вторичное фотонное излучение, появляющееся при 
Комптон-эффекте, необходимо учитывать, например, при проектировании защиты от фотонного излучения, при радиометрических и дозиметрических измерениях, определении доз, толщины защитных барьеров и их конфигураций.
Эффект образования пар — эффект рождения электрона и позитрона в поле ядра. Этот эффект пороговый, он протекает при Еg > 2m0c 2. 
При эффекте образования пар происходит полное поглощение первичных фотонов и появление электрона и позитрона:

 
Еg = Еe– + Еe+ + 1,022 МэВ, 
 (1.9)

где Еe–, Еe+ — кинетические энергии электрона и позитрона соответственно, 1,022 МэВ = 2m0c 2 — энергия массы покоя электрона и позитрона.

Глава 1. Исследование законов ослабления фотонного излучения в веществе

Движущийся в веществе позитрон, замедлившись, взаимодействует с одним из электронов, аннигилирует, и в результате появляется 
вторичное фотонное излучение в виде двух разлетающихся в противоположные стороны аннигиляционных гамма-квантов с суммарной 
энергией 1,022 МэВ. Таким образом, энергия первичных фотонов преобразуется в кинетическую энергию ионизирующих частиц и в энергию аннигиляционного фотонного излучения, поэтому сечение эффекта образования пар как для фотоэффекта и Комптон-эффекта можно 
представить в виде суммы:
 
c = ck + cs. 
 (1.10)

Зависимость сечения c от энергии и порядкового номера имеет вид:

 
c @ z 2 · (Еg — 2 · m0 · c 2) 
 (1.11)

Из (1.11) видно, что данный эффект идет с большей вероятностью 
для материалов с большим порядковым номером и при больших энергиях фотонов (больше 1,022 МэВ). Его вклад в величину линейного коэффициента ослабления m при энергии фотонов, испускаемых 
естественными и искусственными радионуклидами, мал и является определяющим для фотонов с большой энергией, генерируемых 
на ядерно-физических установках.
С учетом коэффициентов t, s, c представленных в виде сумм (1.3; 

1.6 и 1.10), полный линейный коэффициент ослабленияmможно представить как
 
m = mк + ms, 
 (1.12)

где mк — часть коэффициента, характеризующая долю энергии первичных фотонов, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в результате всех процессов взаимодействия; ms — часть коэффициента, характеризующая преобразование энергии первичных 
фотонов в результате всех процессов взаимодействия в энергию вторичного фотонного излучения (характеристическое, комптоновское, 
аннигиляционное, а также тормозное, возникающее при торможении 
заряженных частиц в поле ядра). 
Для дозиметрии особенно существенна та часть энергии фотонов, 
которая преобразуется в кинетическую энергию электронов, т. к. именно заряженные частицы создают радиационный эффект. Для примера на рис. 1.1 представлены энергетические зависимости парциальных сечений t, s, c и полного линейного коэффициента ослабления.