Очень общая метрология

Ашкинази Леонид Александрович

Измерение мощности излучения, доз облучения, активности нуклида

Эти измерения в быту применяются, к счастью, редко. В нормальной жизни — собственно, никогда. Но нам их производить приходилось, и будь люди в этой сфере компетентнее — и трупов, и страхов было бы меньше. Наверное, не на всех планетах Вселенной история складывается именно так, но на планете Земля, на которой вы, скорее в данный момент находитесь, открытие радиоактивности сыграло весьма большую роль в истории. В цивилизациях технологического типа и агрессивного подтипа, все время занимающихся превращением носителей разума в прах и пепел, а как минимум — в удобрение, все естественнонаучные открытия, и физические, и химические, и биологические рано или поздно начинают служить этому великому делу. Но почему-то сложилось так, что

именно радиоактивность оказалась наиболее эмоционально насыщенна для людей. Будем надеяться, что социопсихологи далекого будущего и другой планеты, разгребая кочергой сухие останки великой (по ее нескромной самооценке) земной цивилизации, поймут, почему так случилось. Химическое и биологическое оружие, которое разрабатывалось и разрабатывается, могут похоронить цивилизацию не столь театрально, но не менее надежно, чем бомба. Однако люди больше боятся того, чем их пугали, а не того, что от них всерьез прячут.

Да и гриб атомного взрыва много зрелищнее простой трубы печи Освенцима, простой ямы простого пересылочного лагеря «Вторая речка» под Владивостоком…

Радиоактивное излучение — это -, -, -частицы и нейтроны (n). Поток частиц любого сорта в смысле опасности полностью характеризуется спектром, зависимостью потока (частиц/м²с) от энергии. Степень опасности зависит от способности этих частиц проникать сквозь преграды, отделяющие источник от человека и от способности повреждать человека. Поэтому к радиоактивному излучению не относят, например, нейтрино, которые человека не повреждают. Для метрологии также важна проникающая способность, поскольку активная, «чувствующая» часть датчика во многих случаях чем-то, например, корпусом прибора, отделена от «среды». Реально важно только то, что -излучение поглощается слоем воздуха толщиной несколько сантиметров, слоем воды толщиной около 0,1 мм или листом бумаги, а -излучение — слоем алюминия в несколько миллиметров.

О радиоактивности написано много. В сети, например, довольно короткое и внятное изложение основных сведений имеется в:

более подробное, например в:

Единицы измерения радиоактивности таковы.

Экспозиционная доза — мера энергии гамма-излучения, определяемая по ионизации воздуха. Выражается Рентгенами (Р) в единицу времени: Рентген в час (Р/ч) или микроРентген в час (мкР/ч). 1 рентген — доза, образующая ионы в 1 ед. заряда СГСЭ (1/3)·10^{– 9} Кулон на 1 см³ воздуха при нормальном атмосферном давлении и 0 RС.

Поглощенная доза — количество энергии любого вида ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы облучаемого вещества (основная дозиметрическая величина). Единица поглощенной дозы 1 Грей (Гр). Поглощенная доза равна 1 Гр, если вещество получило 1 Дж энергии в расчёте на 1 кг массы. Иногда используется единица поглощённой дозы «рад» 1 рад = 0,01 Гр.

Эквивалентная доза — поглощенная доза для разных видов излучения (то есть умноженная на коэффициент для разных видов ионизирующего излучения), вызывающая тот же биологический эффект (основная дозиметрическая величина для оценки ущерба здоровью человека от хронического воздействия излучения произвольного состава). Коэффициент для бета-, гамма-, и рентгеновского излучения равен 1, для альфа-излучения — 20, для нейтронов — от 5 до 20 в зависимости от энергии. По системе СИ эквивалентная доза измеряется в Зивертах (сокращенно — Зв). Название этой единице измерения дано в память о Зиверте, шведском радиологе. Используется также единица бэр (биологический эквивалент Рентгена), 1 Зв равен 100 бэрам.

Производной от эквивалентной дозы является эффективная эквивалентная доза — Зиверт в единицу времени. Например, миллиЗиверт/год (сокращенно — мЗв/год), микроЗиверт/год (сокращенно мкЗв/год).

Активность радионуклидного источника или препарата есть количество радиоактивных превращений в нем в единицу времени. Единицей активности является беккерель (Бк) — активность источника, в котором происходит в среднем одно радиоактивное превращение за 1 секунду. Используется и единица активности — Кюри (Ки). 1 Ки соответствует активности 1 г радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада 1 Ки = 37 ГБк. Радиационное загрязнение выражается в Кюри на квадратный километр или в Беккерелях на квадратный километр. Радиоактивное загрязнение жидкости, продуктов и других веществ выражается в Беккерелях на литр или килограмм (Бк/л, Бк/кг).

Как видно, четкие физические определения имеют Грей, Беккерель, Кюри и Рентген, но именно поэтому они менее показательны, если речь идет о биологических применениях. Единицы Зиверт и Бэр — искусственные параметры, предназначенные именно для оценки воздействия на биологические объекты.

Кроме всего перечисленного существует понятие «горячие частицы» (не путать с элементарными частицами). Это микрочастички, пылинки, порошинки вещества, содержащие нуклид в количестве, опасном для человека при попадании внутрь. Для измерения их эффективности можно было бы ввести новую единицу измерения «труп», принимающую два значения — 0 и 1, и полагать, что эффективность составляет 1 Труп, если частица попала внутрь организма. Для некоторых горячих частиц возможны забавные эффекты, например из практики работы с радиоактивными веществами известно, что частицы изотопа полония 210Po могут перемещаться по помещению на макроскопические расстояния.

Что касается полония и вообще радиоактивности, укажем интересные исторические обзоры:

Теперь собственно об измерениях, которые в данном случае называются «дозиметрия». О принципах и методах измерений наиболее внятно рассказано тут:

а описание самих дозиметров в Сети имеется в:

При этом все измеряемые ими параметры, как видно из изложенного выше, являются функциями от реального состава излучения, то есть от потоков и энергий. Реально прибор всегда измеряет нечто свое, а затем эти параметры им вычисляются. Например, если датчик в дозиметре — это счетчик Гейгера-Мюллера, то счетчик выдает сигнал при пролете через его объем каждой частицы, способной ионизовать газ и попавшей в него (если они пролетают не слишком часто). Поэтому -излучение и нейтроны таким счетчиком игнорируется — первые задерживаются корпусом прибора и счетчика, вторые — не ионизируют газ. Поэтому для регистрации -частиц надо использовать полупроводниковые детекторы или фоточувствительные материалы, для регистрации нейтронов — сцинтилляционные детекторы. Впрочем, сцинтилляционными детекторами можно регистрировать и другие частицы.

Метролог на необитаемом острове, или Измерения без приборов

Бывает, что нужно произвести измерение или хотя бы грубую оценку «без приборов» или по крайней мере без тех приборов, которые предназначены для измерения или оценки данной величины. Чаще всего это не измерения, а оценки, но даже перечень тех, которые первыми приходят в голову, выглядит забавно. Приведем несколько примеров, и станет ясно, как многообразна жизнь, и с какими ситуациями вам, может быть, придется столкнуться.

Качество электрического контакта можно оценить по температуре, по запаху, на вид и на слух. Плохой контакт греется, прилегающие детали выделяют летучие вещества (через испарение, разложение, реагирование), контакт искрит, а искра видна и слышна. Особенно опасен шипящий звук — это уже не одиночное искрение, а, возможно, разряд в парах материала электрода.

Исправность источника питания можно определить на вкус (при напряжении порядка единиц вольт) и на слух, по коронному разряду (звук, визуально) при напряжении порядка десяти киловольт. Средний диапазон напряжений перекрывается посредством методов, применять которые не рекомендуется, потому что мы солидарны с Михаилом Щербаковым и тоже считаем, что «искусство не требует жертв, никогда, никаких».

Степень разряда гальванического источника можно определить по поведению нагрузки (фонарика, кассетника) — если источник разряжен очень глубоко, то нагрузка просто не работает, а если разряжен, но не слишком глубоко, то в первое мгновение нагрузка пытается работать — фонарик вспыхивает, в кассетнике дергается и плавно останавливается пленка. Когда садится батарейка в компьютере, его часы начинают отставать.

Любое устройство, содержащее сменяемый источник питания, может быть применено как «пробник» — для грубой оценки сопротивления, чаще всего — для контроля целостности обмоток или наличия контактов. При этом полезно знать нормальное потребление нагрузки, которое можно оценить по емкости источника и известной из практики продолжительности работы данного устройства с одним комплектом элементов питания.