Аппаратурно-программные средства исследования радиационного фона

Земная кора содержит естественные радиоактивные элементы (ЕРЭ), создающие естественный радиационный фон. В горных породах, почве, атмосфере, водах, растениях и тканях живых организмов присутствуют радиоактивные нуклиды, одним из самых распространенных является радон.

До 1980 года ни в одной стране мира не устанавливались нормативы на содержание радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) в помещениях. И только в последние десятилетия, когда стало ясно, что радоновая проблема, включая вопросы нормирования и снижения доз облучения, имеет существенное значение, были введены соответствующие нормативы для существующих и проектируемых зданий, рекомендованные Международным комитетом по радиационной защите (МКРЗ).

Радиационный мониторинг включает не только проведение радиологических измерений, но также их интерпретацию, использование данных для оценки уровня опасности и контроль над воздействием. Цель мониторинга должна быть не только в демонстрации того, что методы защиты адекватны. Он также используются для того, чтобы оценить рабочее облучение и показать его совместимость с регуляторными требованиями. Результаты радиационного мониторинга могут быть использованы для классификации зон и решению задач по изменению радиологических условий.

Основной задачей радиационного контроля является предупреждение вредного воздействия радиации на организм человека и животных, а также различные объекты природной среды (почву, воду, воздух, растения и т. д.). Имеется в виду неукоснительное (регламентируемое) выполнение санитарно-гигиенических правил и норм, а также радиационной безопасности при:

1) размещении объектов, являющихся потенциальными источниками загрязнения объектов природной среды радиоактивными веществами;

2) использовании ядерных взрывов в научных и производственных целях;

3) удалении и обезвреживании радиоактивных отходов;

4) определении допустимых уровней содержания радиоактивных веществ в объектах природной среды и организме человека, а также пределов доз излучения для отдельных лиц и всего населения.

В дипломной работе для анализа и картирования радиационного фона используется пакет «Surfer 9», который позволяет интегрировать карты, формировать массивы географически привязанных данных, строить и анализировать контурные двумерные и трехмерные карты. В нашем технически прогрессирующем мире, возрастает необходимость мониторинга радиационного фона из-за появления все новых искусственных источников радиации. С учётом необходимости постоянного мониторинга радиационного фона в местах проживания человека, в данном дипломном проекте рассмотрено:

1) радиационный фон и его воздействие на человека;

2) измерительные приборы, используемые для измерения радиации;

3) программное обеспечение для интерпретации данных мониторинга;

4) картирование и анализ радиационного фона с помощью программы «Surfer 9».

Актуальность темы

дипломной работы обусловлена потребностью в использовании данных о радиационной обстановке в цифровой форме для облегчения обработки подобных данных в различных современных информационно-измерительных и геоинформационных сиcтемах, а также необходимостью своевременного информирования населения о возможных источниках радиационного загрязнения. Так как многие предметы вокруг нас могут быть источниками смертельного излучения, например, автомобиль, различные приборы, мебель, стройматериалы, и даже детские игрушки.

Целью дипломного проекта явилось изучение программного пакета «Surfer 9» и его возможностей для обработки, картирования и последующего анализа данных радиационного излучения, включающего в себя оценку изменения радиационного фона отдельного участка в Красногвардейском районе города Санкт-Петербурга.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) Изучены методы измерения радиационного фона, единицы его измерения, влияние радиации на здоровье человека;

2) Изучены приборы для измерения радиационного фона;

3) Освоена методика измерения радиационного фона с помощью дозиметров «Master 1» и ИРД-02Б1;

4) Измерено гамма-излучение и бета-излучение с помощью радиометра Master-1 и ИРД 02Б1 в 61 точках Красногвардейского района 22.03.2013, 26.03. 2013,02.05.2013 со снежным покровом и без;

5) Освоен пакет «Surfer 9» и имеющиеся в нем методы интерполяции результатов измерений: kriging, minimum curvature, modified Shepard’s method, radial basis function, local polynomial;

6) Построено поле радиационного фона на основании полученных данных с помощью пакета «Surfer 9»;

7) Выбран метод интерполяции, наилучшим образом отображающий распределение радиационного фона;

8) Проведен анализ измеренных данных.

Дипломный проект состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников, содержит 53 рисунка и 26 таблиц.

1. Методы измерения радиационного фона

1.1 Радиационный фон

радиационный облучение измерение фон Население земного шара основную часть облучения получает от естественных источников радиации. Это — так называемый «естественный радиационный фон (ЕРФ)». ЕРФ включает в себя: излучение естественных радиоактивных веществ, находящихся в земной коре и космические лучи, попадающие на земную поверхность из космоса.

Радиоактивные элементы, содержащиеся в земной коре и строительных материалах, из которых сооружены наши дома, испускают лучи, непрестанно проходящие сквозь наши тела, т. е. образуют внешний источник радиации. А те естественные радиоактивные вещества, которые в очень небольших количествах попадают в организм с пищевыми продуктами и водой, обусловливают внутренний источник радиации.

Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.

Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мкЗв = 0,2 бэр.

Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников. Облучение может быть внешним и внутренним. К внешнему облучению относится космическое облучение и земные радионуклиды. Внутреннее облучение человека естественными радионуклидами происходит в результате накопления их в организме при поступлении с воздухом, питьевой водой и пищевыми продуктами.

Внешнее облучение: космические излучения и изотопы земной коры создают естественный радиационный фон, который характерен для каждой местности. Различают первичное и вторичное космическое излучение[3].

Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства, солнечной системы. Оно состоит из протонов (примерно 90%) и альфа-частиц (около 10%). В меньших количествах присутствуют нейтроны, электроны, ядра легких элементов. Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики. Энергия частиц первичного излучения достигает 1012−1014 МэВ. Кроме того, при солнечных вспышках возникает солнечное космическое излучение, которое приводит к увеличению дозы облучения на поверхности Земли.

Вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Оно содержит практически все известные в настоящее время элементарные частицы. У поверхности Земли оно состоит в основном из фотонов, электронов и позитронов с энергией до 100 МэВ. Мощность космических лучей, достигающих земной поверхности, зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Изменение мощности космических лучей в зависимости от географической широты обусловлено тем, что Земля похожа на гигантский магнит. Поэтому космические лучи, будучи заряженными частицами, отклоняются от экватора и собираются вместе в виде своеобразных воронок в области полюсов Земли. Области вблизи экватора, находящиеся на уровне моря, получают наименьшую дозу космического излучения, примерно равную 0,35 мкЗв/год. На широте 50 доза космического излучения составляет 0,5 мкЗв/год. Это обусловлено тем, что толстый слой атмосферы, содержащий воздух и пары воды, разрушая, замедляя и останавливая движение многих быстрых заряженных частиц, двигающихся из космоса.

С ростом высоты над уровнем моря мощность эквивалентной дозы космического излучения увеличивается. Например, на высоте 4500 м доза облучения из космоса составляет 3 мкЗв/год, а на вершине пика Эвереста (8848 м над уровнем моря), соответствующий показатель равен 8 мкЗв/год.

Внешнему облучению человек подвергается также и за счет естественных радионуклидов земного происхождения. В земной коре имеются радиоизотопы, не успевшие распасться за время существования Земли. Они имеют период полураспада в миллиарды лет. Важнейшими из них являются калий-40, уран-238, торий-232. Тяжелые ядра этих изотопов до полного распада успевают образовать несколько промежуточных радиоактивных изотопов.

Как правило, природные радионуклиды сконцентрированы в гранитных породах гор. Радиоактивность известняковых и песчаных пород ниже. Средний уровень мощности дозы излучения на высоте 1 м над поверхностью известняка равен примерно 0,2 мкЗв/год. На нашей планете существует ряд регионов, где существенно увеличен уровень радиации, исходящий из почв и гор — это Бразилия, Египет, Индия, Франция, остров Ниуэ и другие. Так в ряде мест Бразилии, главным образом в прибрежных полосах земли, мощность дозы излучения из почвы и скальных пород составляет 5 мкЗв/год. Примерно 1/6 часть населения Франции (7 млн. человек) живет в районах, где скальные породы представлены в основном гранитом, из-за чего радиационный фон повышен, и мощность дозы составляет до 3,5 мкЗв/года.

В индийских штатах Керала и Мадрас, проживает около 100 тысяч человек, которые получают дозу, в среднем равную 13 мкЗв/год. Удельная радиоактивность почвы выше при условии, что в ней содержится больше глинистых частиц и чернозема. Лесные и дерново-подзолистые почвы имеют меньшую радиоактивность. В Беларуси естественное облучение составляет около 2,4 мкЗв/год.

В конце семидесятых годов прошлого столетия установлено, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является тяжелый газ радон-222 и его изотоп радон-220. Для удобства под радоном понимают оба указанных изотопа.

Радон-222 — это продукт радиоактивного превращения урана-238, а радон-220 — тория-232. Инертный тяжелый газ радон без цвета и запаха, в 7,5 раза тяжелее воздуха, растворяется в воде, точка кипения -65С. «Дочерние» продукты распада радона также радиоактивные изотопы: полония, свинца и висмута. Сейчас известно, что радиационная доза в легких от дочерних продуктов во много раз больше, чем от самого радона.

Атомы любого газа, в том числе и радона, стремятся при малейшей возможности покинуть ту полость, которая их заключает в себя. Попадая в атмосферу, радон переносится воздушными массами, продолжая распадаться. Радон вносит вклад во внешнее и внутреннее облучение, так как может попадать в организм с вдыхаемым воздухом, пищей и водой. Следует помнить, что концентрация радона в жилых помещениях выше, чем снаружи. Это обусловлено содержанием радона в строительных материалах, поступлением в дома вместе с почвенным воздухом. В окружающую среду он затягивается из грунта вследствие разности давлений внутри и вне здания. Если дом стоит на богатом радиоактивными элементами грунте, то ситуация особенно неблагоприятна. Так как для строительства зданий используются природные материалы, то и в домах человек не избавлен от влияния ионизирующих излучений. Меньше всего радиоактивный фон содержится: деревянные дома до 0,5 мкЗв/год, в кирпичные дома до 1,5 мкЗв/год, в железобетонные дома может достигать до 1,7 мкЗв/год.

Виды излучений. Различают несколько видов радиации:

1) Альфа-частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия.

2) Бета-частицы — представляет собой поток электронов (в-излучение, или, чаще всего, просто в — излучение) или позитронов (в±излучение), возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Источники бета — излучения: Цезий-137, Стронций-90, Калий-40, Иттрий-90, Тритий, Таллий-204.

3) Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью.

4) Нейтроны — электрически нейтральные частицы, возникают главным образом непосредственно вблизи работающего атомного реактора, куда доступ, естественно, регламентирован.

5) Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию. Кстати, наше Солнце — один из естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту.

Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от альфа и бета — излучения является любой, даже очень тонкий слой твердого или жидкого вещества. Например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи). Проникающая способность показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Проникающая способность альфа, бета и гамма частиц.

1.2 Единицы измерения

Рентген Рентген (Р) внесистемная единица экспозиционной дозы радиоактивного облучения рентгеновским или гамма-излучением, определяемая по их ионизирующему действию на сухой атмосферный воздух. Международное обозначение — R, русское — P. В переводе на метрическую систему 1 Рн приблизительно равен 0,0098 Зв. В условиях электронного равновесия (сумма энергий образующихся электронов, покидающих данный объем, равна сумме энергий электронов, поступающих в объем) экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощённая доза в воздухе, равная 0,88 рад (однако эта величина отличается от дозы, которую получил бы человек, если бы он находился в таком же поле излучения.

Рад Рад — несистемная единица измерения поглощённой дозы ионизирующего излучения. Рад был впервые предложен в 1918 году. В 1953 году рад был определен в единицах СГС как доза, соответствующая 100 эрг энергии, поглощаемой одним граммом вещества. Один Рад равен поглощённой дозе излучения, при которой облучённому веществу массой один грамм передаётся энергия ионизирующего излучения 100 эрг. Поглощающим материалом могут быть как ткани живых организмов, так и любая другая материя (например, воздух, вода, почва и т. д.).

Грэй Грей — единица поглощённой дозы ионизирующего излучения в Международной системе единиц (СИ). Поглощённая доза равна одному грею, если в результате поглощения ионизирующего излучения вещество получило один джоуль энергии в расчёте на один килограмм массы.

Гр = Дж / кг = мІ / сІ.

Бэр Бэр — устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы ионизирующего излучения. До 1963 года эта единица понималась как «биологический эквивалент рентгена», в этом случае 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 рентген. В системе СИ бэр имеет ту же размерность и значение, что и рад — обе единицы равны 0,01 Дж/кг для излучений с коэффициентом качества, равным единице, соответствует: эквивалентна поглощённой дозе в один рад и эквивалентной дозе в один бэр при К=1, то есть, грубо говоря, что 1 Р., 1 рад и 1 бэр — это одно и то же.

Зиверт Зиверт (Зв) — единица измерения эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения в Международной системе единиц (СИ). Используется с 1979 года, 1 Зиверт — это количество энергии, поглощённое килограммом биологической ткани, равное по воздействию поглощённой дозе гамма-излучения в 1 Гр.

Равенство зиверта и грея показывает, что эквивалентная доза и поглощённая доза имеют одинаковую размерность, но не означает, что эффективная доза численно равна поглощённой дозе. При определении эквивалентной дозы учитываются физические свойства излучения, при этом эквивалентная доза равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества излучения, зависящий от вида излучения и характеризующий биологическую активность того или иного вида излучения. Так, для альфа-частиц коэффициент качества равен 20 и это означает, что при равном количестве энергии излучения, поглощенной в единице массы органе или ткани, биологический эффект альфа-частиц окажется в двадцать раз более сильным, чем эффект гамма-излучения. При определении эффективной дозы учитывается вклад различных органов и тканей в общий ущерб, наносимый здоровью человека ионизирующим излучением. Эффективная доза равна эквивалентной дозе умноженной на взвешивающий тканевой коэффициент, зависящий от вклада того или иного органа в ущерб, наносимый при облучении отдельных органов или тканей организму в целом. Эквивалентная доза имеет большое значение для радиобиологии, в то время как эффективная доза является одной из основных величин, применяемых для гигиенического нормирования уровня радиационного воздействия. Единица названа в честь шведского учёного Рольфа Зиверта.

Раньше (а иногда и сейчас) использовалась единица бэр (биологический эквивалент рентгена), — устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. 100 бэр равны 1 зиверту. Также верно что 100 рентген = 1 Зиверт с оговоркой, что рассматривается биологическое действие рентгеновского излучения (или другого фотонного излучения, например, гамма-излучения).

Беккерель Беккерель (обозначение: Бк, Bq) — единица измерения активности радиоактивного источника в Международной системе единиц (СИ). Один беккерель определяется как активность источника, в котором за одну секунду происходит в среднем один радиоактивный распад. Через другие единицы измерения СИ беккерель выражается следующим образом: Бк = с?1.

Во всех случаях, когда речь идёт об измерении радиоактивности, предпочтительно использовать беккерель вместо с?1. Это правило принято для того, чтобы предотвратить неправильную интерпретацию и привлечь внимание к возможной опасности измеренной величины для здоровья людей.

Беккерель — очень маленькая единица измерения, на практике, как правило, используются кратные единицы, образованные с помощью десятичных приставок. Однако в исследованиях крайне редких радиоактивных процессов используются и дольные единицы (миллии микробеккерели).

1.3 Методы измерения радиационной активности

Фотографический метод Фотографический метод самый первый метод, который позволил А. Беккерелю открыть явление радиоактивности. Основан он на воздействии радиоактивного излучения на фоточувствительные материалы (по принципу воздействия световых квантов на фотопластинку) В состав светочувствительной эмульсии входит бромистое серебро (AgBr) или хлористое серебро (AgCl), находящееся внутри слоя желатина. Эмульсия наносится на целлулоид, стекло или бумагу, вследствие чего образуется соответственно фотопленка, фотопластинка или фотобумага.

При облучении светочувствительного слоялучами воздействие будут оказывать электроны, образованные при поглощениилучей пространством, окружающим фотоэмульсию, в частности, в кассете и самом слое фотоэмульсии. Предположим, что на заряженную кассету падаюткванты, которые поглощаются, образуя вторичные электроны разной энергии. Электроны с определенной энергией взаимодействуют с AgBr, нейтрализуя положительный ион серебра и образуя таким образом на поверхности зерен AgBr центры проявления — атомы металлического серебра. В дальнейшем под действием проявителя эти центры способствуют восстановлению металлического серебра из зёрен AgBr. При фиксировании кристаллы AgBr не содержащие центров проявления, растворяются и удаляются из эмульсии.

Фотоэмульсии используются для дозиметрических целей в широком диапазоне доз в результате выбора эмульсий различной чувствительности. Фотопленки помещаются в специальные кассеты вместе с фильтром, предназначенным для улучшения энергетической характеристики и измерения отдельных видов излучения. Способность фотоэмульсии регистрировать излучение, преобразованное различными фильтрами, позволяет получить подробные сведения о качестве и количестве измеряемого излучения. Химически обработанная пленка имеет прозрачные и почерневшие места, которые будут соответствовать не засвеченным и засвеченным участкам фотоэмульсии. Используя этот эффект для дозиметрии можно установить связь между степенью почернения пленки и поглощенной дозой.

Ионизационный метод Ионизационный метод газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии свободных зарядов в газе между электродами возникает ток[1], пропорциональный скорости возникновения зарядов и, соответственно, мощности дозы облучения. Отличительной особенностью ионизационной камеры, в отличие от других газонаполненных датчиков, является сравнительно малая напряженность электрического поля в газовом промежутке, таким образом ток не зависит от напряжения на электродах и равен произведению заряда электрона на число пар ионов.

В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении.

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.

Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

Люминесцентный метод Люминесцентный метод обусловлен возникновением свечения под влиянием какого-либо воздействия (фотолюминесценция, радиолюминесценция, хемилюминесценция, триболюминесценция, терм люминесценция и так далее). Возникновение и интенсивность свечения обусловлены накоплением энергии при взаимодействии излучения с веществом. Для регистрации радиоактивного излучения используются сцинтилляционные детекторы различных типов, в которых в результате попадания альфа-бета частиц и гамма — квантов возникают световые вспышки разной интенсивности, продолжительности и так далее, которые регистрируются фотодетектором (фотодиод, фото — умножитель и так далее). Существуют твердотельные, жидкостные, газовые (ксенон и другие) детекторы. Это также один из самых широко применяемых методов регистрации радиоактивного излучения.

Оптический метод Оптический метод реализуется на эффекте изменения оптических свойств материалов под воздействием радиоактивного излучения. Для этих целей используются различные типы стекол (фосфатные, борные, активированные Ag либо Bi и так далее), полимерные материалы (цветной целлофан, ацетил целлюлоза и так далее). На этом методе создана аппаратура для измерения радиационных полей высокой интенсивности. Интенсивность почернения прямо пропорциональна дозе радиоактивного излучения. На этом принципе работают многие типы индивидуальных дозиметров. Этот метод широко используется в лабораторных исследованиях радиоактивных веществ и для их обнаружения и пространственной локализации (различные виды макро — и микро — радиографии).

Калориметрический метод Калориметрический метод измерения радиоактивности основан на измерении тепла, выделяемого при радиоактивном распаде или при взаимодействии излучения с веществом. Метод применяется сравнительно редко, но на его основе созданы приборы для градуировки дозиметров, измерения мощных потоков гамма — и нейтронного излучения в реакторной дозиметрии. Когда они имеют преимущество по сравнению с ионизационным методом и другими, так как не зависят от энергетических характеристик излучения.

Химические методы Химические методы основаны на изменении химического состава жидкостей или газов при взаимодействии с радиоактивным излучением. Типичными примерами такой реакции является радиолиз воды с образованием Н+ и ОН — или разложение закиси азота (N2O) с образованием N2, O2 и NO2. На этом принципе созданы жидкостные (ферро сульфатные и другие), газовые химические дозиметры для измерения мощных потоков г — квантов.

1.4 Влияние радиации на человека

Облучение организма можно подразделить: внешнее и внутреннее. Внешнее облучение возникает в результате попадания потока частиц в организм извне. Такое облучение могут создавать технологические установки, содержащие радиоактивные изотопы или ускорители частиц. Воздействие источника внешнего облучения на организм зависит от той энергии, которую несут частицы, величины их свободного пробега, расстояния от источника и его активности, а также времени облучения. Наибольшую опасность представляют источники нейтронного и у — излучения, так как нейтроны и у — кванты обладают наибольшей проникающей способностью.

Внутреннее облучение вызывается попавшими в организм радиоактивными веществами. Наибольшую опасность представляют собой a — радиоактивные источники, поскольку вся энергия излучения поглощается в непосредственной близости от местонахождения источника, принося наибольший вред.

В результате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения. В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами. Сюда относятся геотермические электростанции, фосфорные удобрения, уголь, сжигаемый в жилых домах и электростанциях. Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона.

Средняя годовая доза ионизирующих излучений, и внешних и внутренних источников (вдыхаемый воздух, вода, еда), на человека, приблизительно, составляет:

1) Естественный радиационный фон — 23%;

2) облучение продуктами распада радона и торона в помещение — 42%;

3) использование ионизирующих излучений в медицине — 34%;

4) пользование авиатранспортом — 0.10%;

5) глобальное выпадение продуктов ядерных испытаний — 1%;

6) атомная энергетика — 0.03%;

7) Употребление радиолюминесцентных товаров — 0.10%.

В сумме, обычная средняя годовая эффективная эквивалентная доза от естественных внешних источников радиации, действующей на одного человека, составляет 2 — 3 миллизиверта в год (третья часть, из которых, обусловлена радоном). В зависимости от высоты территории над уровнем моря и геологических условий — фактические значения могут варьировать в широком диапазоне, иллюстрируется на рисунке 1.2

Рис. 1.2 — Среднестатистическая доза человека, полученная за год.

1.5 Предельно допустимые дозы облучения

По отношению к облучению население делится на 3 категории.

Категория, А облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) — лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.

Категория Б облучаемых лиц или ограниченная часть населения — лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.

Категория В облучаемых лиц или население — население страны, республики, края или области.

Для категории, А вводятся предельно допустимые дозы — наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

Дозовые пределы облучения для разных категорий лиц даны в таблице 1.1. [9]

Таблица 1.1 Дозовые пределы внешнего и внутреннего облучения

1.6 Биологическое воздействие радиации

Ионизирующее излучение в основном носит вред тем, что под его воздействием происходит разрушение генетического аппарата клеток, что приводит либо к их гибели, либо, что хуже для организма в целом, к трансформации с утраченной дифференцировкой. Такие клетки могут образовать злокачественную опухоль, прорастающую в органы и нарушающие их работу. При получении определенной дозы облучения возникает так называемая лучевая болезнь, которая характеризуется поражением кроветворной системы, поражением слизистой оболочки тонкой кишки, нервной системы. Степени тяжести лучевой болезни зависят от полученной организмом дозы. Существует острая и хроническая формы лучевой болезни.

Острая лучевая болезнь. Острая лучевая болезнь развивается при кратковременном облучении всего организма, при получении им дозы от 1 до 100 и более Гр, а 1−3 дня. Летальным исходом, как правило, заканчиваются случаи, в которых организм получил более 10 Гр за 1−3 дня. При получении дозы до 10 Гр развивается острая лучевая болезнь 4-х степеней тяжести.

Острая лучевая болезнь легкой степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 1−2.5 Гр. Первичная реакция (первые 2−3 дня) — головокружение, тошнота. Латентный период (около 1 месяца) — постепенное снижение первичных признаков. Восстановление полное.

Острая лучевая болезнь средней степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 2.5−4 Гр. Первичная реакция (первые 1−2 часа) — головокружение, тошнота, рвота. Латентный период (около 25 дней) наличие изменения слизистых оболочек, инфекционных осложнений, возможен летальный исход.

Острая лучевая болезнь тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе 4−10 Гр. Первичная реакция (первые 30−60 минут) — головная боль, повторная рвота, повышение температуры тела. Латентный период (около 15 дней) — инфекционные поражения, поражения слизистых оболочек, лихорадка. Частота летальных исходов выше, чем при средней степени тяжести. Острая лучевая болезнь крайне тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе более 10 Гр. Летальный исход почти неизбежен. Лечение острой лучевой болезни заключается во введении в организм антибиотиков, с целью предотвратить инфекционные осложнения, введении в организм донорских тромбоцитов, пересадке костного мозга.

Хроническая лучевая болезнь. Хроническая лучевая болезнь возникает при ежедневном получении дозы в 0.005 Гр. Наблюдается развитие различных заболеваний, связанных с дисфункцией желез внутренней секреции, нарушение артериального давления. Профилактика хронической лучевой болезни заключается в неукоснительном соблюдении принятых норм радиационной безопасности.

2. Приборы для измерения радиационного фона

2.1 Государственный реестр средств

Государственный реестр средств измерений (Госреестре СИ) предназначен для регистрации средств измерений, типы которых утверждены Росстандартом, и состоит из следующих разделов:

1) средства измерений, типы которых утверждены Росстандартом;

2) свидетельство об утверждении типа средств измерений;

3) единичные экземпляры средства измерений, типы которых утверждены, рос стандартом;

4) государственные центры испытаний средств измерений, аккредитованные Росстандартом.

Цель Госреестра:

1) учет средств измерений утвержденных типов и создания централизованных фондов информационных данных о средствах измерений, допущенных к производству, выпуску в обращение и применению в Российской Федерации;

2) регистрация аккредитованных государственных центров испытаний средств измерений;

3) учет выданных свидетельств об утверждении типа средств измерений и аттестатов аккредитованных государственных центров испытаний средств измерений;

4) учет типовых программ испытаний средств измерений в целях утверждения типа;

5) организация информационного обслуживания заинтересованных юридических и физических лиц, в том числе национальных метрологических служб многих стран, принимающих участие в сотрудничестве по взаимному признанию результатов испытаний и утверждения типа средств измерений.

На каждый тип СИ, зарегистрированный в Госреестре средств измерений, содержится следующая информация: наименование СИ; регистрационный номер, состоящий из порядкового номера государственной регистрации и двух последних цифр года утверждения типа; назначение СИ; страна-производитель; изготовитель и его реквизиты; наименование Государственного центра испытаний; срок действия сертификата; межповерочный интервал; методика поверки. Утверждение типа СИ осуществляется, РОС Стандартом на основании испытаний СИ, которые проводятся Государственными центрами испытаний СИ. Ведение Государственного реестра средств измерений возложено на ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы».

2.2 Приборы для измерения радиационного фона

Количественные и качественные характеристики радиоактивного излучения, основанные на тех или иных методах регистрации, измеряются радиометрами, дозиметрами, спектрометрами и спектрометрическими комплексами. Есть профессиональные и бытовые измерительные приборы, отличие их точностью и пределами измеряемых мощностей излучения. Если вам нужно измерить только фон или грубо само наличие источника можно воспользоваться бытовым дозиметром, правда, показания такого прибора не могут быть использованы для доказательства.

Радиометр — прибор для измерения числа актов радиоактивного распада в единицу времени (активности). Определяет плотность потока ионизирующих излучений и т. д. При измерении мощности дозы фотонного излучения, функции радиометра и дозиметра совпадают.

Дозиметр — устройство для измерения доз радиоактивного излучения или величин, связанных с дозами (мощность экспозиционной дозы, мощность поглощенной дозы и т. д.). Могут служить для измерения доз одного (гамма-дозиметр, нейтронный дозиметр и т. д.), либо смешанного излучения (гамма-бета дозиметр и т. д.).

Спектрометр — устройство, которое позволяет измерять распределение радиоактивного излучения по энергии (гамма-альфа-спектрометры и т. д.), массе и заряду (масс-спектрометры и т. д.).

Дозиметр-индикатор гамма излучения для iPhone ® POLISMART II

Индивидуальный дозиметр профессионального класса, работающий совместно с устройствами iPhone/iPad представлен на рисунке 2.1. Незаменимый прибор для тех, чья деятельность связана с радиационной опасностью и людей, следящих за своим здоровьем. Его можно подключать к глобальной геоинформационной системе для отслеживания радиационной обстановки в своем регионе и по всему миру в реальном времени. Функциональные особенности представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Технические характеристики iPhone ® POLISMART II

Рисунок 2.1 — Дозиметр-индикатор гамма излучения для iPhone

Индикатор радиоактивности СОЭКС 01M

Портативный индикатор радиоактивности СОЭКС 01M, представленный на рисунке 2.2, отличается стильным дизайном, ярким цветным TFT-дисплеем, широким диапазоном измерений и профессиональным счетчиком радиоактивности, обеспечивающим высокоточные результаты измерений. Можно установить одно из 16 пороговых значений, при превышении, которых прозвучит сигнал опасности. Данный прибор предназначен для бытового использования, его функциональные особенности иллюстрирует таблица 2.2.

Таблица 2.2 Функциональные особенности портативного индикатора радиоактивности СОЭКС 01M

Рисунок 2.2 — Индикатор радиоактивности СОЭКС 01M

Профессиональный дозиметр-радиометр «МКС — М»

Профессиональный дозиметр — радиометр, представленный на рисунке 2.3, определяет все виды ионизирующего излучения: альфа, бета — и гамма — (с учетом рентгеновского). Оборудован он четким ЖК-дисплеем с подсветкой. Поддерживает функцию трехуровневой голосовой оценки радиационной обстановки. В отличие от более дешевых аналогов, его показания абсолютно достоверны и не нуждаются в проверке органами государственного контроля радиационной обстановки. Функциональные особенности профессионального дозиметра-радиометра «МКС — М» иллюстрирует таблица 2.3.

Таблица 2.3 Функциональные особенности «МКС — М»

Рисунок 2.3 — Профессиональный дозиметр-радиометр «МКС — М».

Дозиметр Квантум Дозиметр Квантум, представленный на рисунке 2.4, позволяет измерять не только радиационный фон, но и накопленную дозу излучения, результат может отображаться в числовом виде или в виде графика, отображающего уровень радиации за сутки использования прибора. Дозиметр подключается к ПК для детального просмотра истории измерений, обновления программным обеспеченьем и прочее. Функциональные особенности иллюстрирует таблица 2.4.

Таблица 2.4 Функциональные особенности дозиметра Квантум

Рисунок 2.4 — Дозиметр Квантум

2.3 Измерительные приборы радиационного фона, использованные в дипломной работе

Радиометр Master-1

Радиометр Master-1, представленный на рисунке 2.5, предназначен для использования населением с целью контроля радиационной обстановки на местности, в рабочих и жилых помещениях. Прибор измеряет мощность эквивалентной дозы гамма-излучения. Технические характеристики Радиометр Master-1 иллюстрирует таблица 2.5.

Таблица 2.5 Технические характеристики Master-1

Рисунок 2.5 — Радиометр Master-1

Дозиметр ИРД-02Б1

Принцип действия прибора основан на преобразовании детектором ионизирующего излучения (счетчиком СБТ-10) потока гамма — квантов или бета-частиц в электрические сигналы, число которых в единицу времени пропорционально МЭД гамма-излучения или интенсивности потока бета-частиц от загрязненных поверхностей, пищевых продуктов и так далее. Эти сигналы формируются по длительности и амплитуде и подаются на схему регистрации и звуковой сигнализации. С выхода схемы регистрации информация об измеряемой величине поступает на цифровое табло прибора. Периодичность смены показаний значения измеряемой величины на цифровом табло прибора составляет (0,5−1,0) с. Центр чувствительного объема детектора находится по центру экрана в 10 мм от наружной поверхности экрана.

Таблица 2.6 Технические характеристики дозиметра ИРД-02Б1

Рисунок 2.6 — Дозиметр ИРД-02Б1

Порядок работы с дозиметром-радиометром ИРД-02Б1 в режиме регистрации плотности потока бета — излучения заключается в следующем:

1) Переведите переключатель в положение «част/(мин X см²)». Включите прибор. Снимите экран, защищающий детектор от бета — излучения;

2) Для измерения загрязнённости поднесите прибор чувствительной поверхностью к предположительной загрязненной поверхности таким образом, чтобы до поверхности было расстояние не более одного сантиметра, но прибор не касался поверхности;

3) Через 25 секунд после размещения прибора над измеряемой поверхностью зафиксируйте показания;

4) Не изменяя положения переключателя, детектор экраном и определите фоновое показание, которое необходимо вычесть из предыдущего, смотри пункт 4, для получения действительного значения загрязненности поверхности бета — излучателями. Показания соответствуют числу бета частиц в минуту с квадратного сантиметра[13].

GPS-навигатор Garmin eTrex Legend HCx

Прибор eTrex Legend HCx, представленный на рисунке 2.7, позволяет использовать электронный компас, имеет цветной экран с отличным качеством изображения даже при солнечном свете, водонепроницаемый корпус и совершенную функцию расчета маршрутов. Технические характеристики GPS-навигатора Garmin eTrex Legend HCx иллюстрирует таблица 2.7.

Таблица 2.7 Технические характеристики GPS-навигатор Garmin eTrex Legend HCx

Рисунок 2.7 — GPS-навигатор Garmin Etrex Legend HCx

Garmin Etrex Legend HCx использовался для определения координат точек измерения. Методика снятия координат: при нахождении в нужной точке измерения на gps — приборе необходимо нажать на кнопку «Поиск». Она находится слева на ребре, через 10 секунд прибор покажет координаты в верхней части цветного экрана. Координаты показаны в одной строчке, первая часть цифр — долгота, вторая — широта.

3. Картирование радиационного фона с использованием пакета «Surfer 9»

3.1 Программное обеспечение пакет «Surfer 9»

«Surfer 9» — программный пакет, позволяющий в среде Microsoft Windows представлять и анализировать двумерные и трехмерные данные. Он быстро и легко преобразует данные в контур, поверхность, каркас, вектор, изображение, заштрихованную область и почтовые карты. Фактически все параметры визуализации могут быть настроены для получения желаемого изображения.

Программа «Surfer 9» предоставляет пользователю несколько методов построения регулярных сетей. Каждый из этих методов использует свою процедуру интерполяции данных, поэтому сети, построенные по конкретным данным с помощью различных методов, могут несколько отличаться друг от друга.

Метод Кригинга (Kriging) — это геостатистический метод построения сети, который оказался очень полезным и в других областях. Данный метод пытается выразить тренды, которые предполагаются в исходных данных. Например, точки высокого уровня предпочтительнее соединять вдоль гребня, а не изолировать с помощью замкнутых горизонталей типа «бычий глаз».

Метод радиальных базисных функций (Radial Basis Functions) многими авторами рассматривается как наилучший метод с точки зрения построения гладкой поверхности, проходящей через экспериментальные точки.

Метод Minimum Curvature (минимальной кривизны) широко используется в науках о Земле. Поверхность, построенная с помощью этого метода, аналогична тонкой упругой пленке, проходящей через все экспериментальные точки данных с минимальным числом изгибов. Метод минимальной кривизны, однако, не является точным методом. Он генерирует наиболее гладкую поверхность, которая проходит настолько близко к экспериментальным точкам, насколько это возможно, но эти экспериментальные точки не обязательно принадлежат интерполяционной поверхности.

Метод Polynomial Regression (полиномиальной регрессии) используется для выделения больших трендов и структур в исходных данных. Этот метод, строго говоря, является не интерполяционным, а аппроксимационным методом, поскольку сгенерированная поверхность не проходит через экспериментальные точки.

Модифицированный метод Шепарда (Modified Shepard’s Method) использует обратные расстояния при вычислении весовых коэффициентов, с помощью которых взвешиваются значения экспериментальных Z-значений в точках наблюдений. Отличие состоит в том, что при построении интерполяционной функции в локальных областях используется метод наименьших квадратов. Это уменьшает вероятность появления на сгенерированной поверхности структур типа «бычий глаз».

Увеличение числа методов интерполяции позволяет значительно расширить круг решаемых задач. В частности, метод Триангуляции может быть использован для построения поверхности по точным значениям исходных данных (например, поверхность земли по данным геодезической съемки), а алгоритм Полиномиальной Регрессии — для анализа тренда поверхности.

При этом обеспечены широкие возможности по управлению методами интерполяции со стороны пользователя. В частности, наиболее популярный в обработке экспериментальных данных геостатистический метод Кригинга теперь включает возможность применения различных моделей вариограмм использования разновидности алгоритма со сносом, а также учета анизотропии. При расчете поверхности и ее изображения можно также задавать границу территории произвольной конфигурации. Кроме того, имеется встроенный графический редактор для ввода и коррекции значений данных сеточной области, при этом пользователь сразу видит результаты своих действий в виде изменения карты изолиний. Для целого класса задач (особенно связанных с описанием природных данных), которые, как правило, невозможно описать точной математической моделью, эта функция является часто просто необходимой.

Ввод данных выполняется из файлов форматов [.DAT] (Golden Software Data), [.SLK] (Microsoft SYLK), [.BNA] (Atlas Boundary) или простого текстового ASCII файла, а также из электронных таблиц «Excel» [.XLS] и «Lotus» [.WK1.WKS]. Исходная информация может также вводится или редактироваться с помощью встроенной электронной таблицы пакета, при этом возможны дополнительные операции с данными, например сортировка, а также преобразование чисел с помощью задаваемых пользователем уравнений.

Вспомогательные операции с поверхностями. В «Surfer» для «Windows» реализован большой набор дополнительных средств преобразования поверхностей и различных операций с ними:

— вычисление объема между двумя поверхностями;

— переход от одной регулярной сетки к другой;

— преобразование поверхности с помощью математических операций с матрицами;

— рассечение поверхности (расчет профиля);

— вычисление площади поверхности;

— сглаживание поверхностей с использованием матричных или сплайн-методов;

— преобразование форматов файлов;

Оценку качества интерполяции можно произвести с помощью статистической оценки отклонений исходных точечных значений от результирующей поверхности. Кроме того, для любого подмножества данных можно произвести статистические расчеты или математические преобразования, в том числе с использованием функциональных выражений, задаваемых пользователем.

Визуализация изображений поверхности. Поверхность можно графически представить в двух вариантах: в виде карты изолиний или трехмерного изображения поверхности. При этом в основе работы «Surfer» лежат следующие принципы их построения:

— получение изображения путем наложения нескольких прозрачных и непрозрачных графических слоев;

— импорт готовых изображений, в том числе полученных в других приложениях;

— использование специальных инструментов рисования, а также нанесение текстовой информации и формул для создания новых и редактирования старых изображений.

Использование многооконного интерфейса позволяет выбрать наиболее удобный режим работы. В частности, можно одновременно видеть числовые данные в виде электронной таблицы, карту, построенную на базе этих данных, и справочную информацию из текстового файла.

В «Surfer 9» в качестве основных элементов изображения используются следующие типы карт:

— карта изолиний (Countour Map). В дополнение к уже традиционным средствам управления режимами вывода изолиний, осей, рамок, разметки, легенды и пр. здесь реализована возможность создания карт с помощью заливки цветом или различными узорами отдельных зон. Кроме того, изображение плоской карты можно вращать и наклонять, использовать независимое масштабирование по осям X и Y.