РАЗДЕЛ 1. Эталоны и образцовые средства измерения

ВВЕДЕНИЕ

РАДИОМЕТРИЯ, ЕЕ РАЗВИТИЕ И ЗАДАЧИ

Радиометрия является одним из основных разделов метрологии в области ионизирующих излучений, в задачу которого входит разработка методов и средств точных измерений количественных характеристик радиоактивных источников излучений с целью обеспечения единства и правильности этих измерений.

Проблема измерения количеств радиоактивных веществ возникла вскоре после открытия в 1896 г. А. Беккерелем самопроизвольного испускания солями урана проникающего излучения, сходного по своим свойствам с рентгеновским излучением, открытым годом ранее. Это явление, обнаруженное затем у ря­да других элементов, получило название радиоактивности. Поиски новых радиоактивных элементов, изучение природы радиоактивности и законов радиоактивного распада, настоятельно требовало обеспечения возможности сравнивать и сопоставлять результаты измерений, полученные в разных лабораториях. Для решения задачи необходимо было прежде всего выбрать физическую величину, связанную с количеством радиоактивного вещества, установить единицу ее измерения, создать эталоны, воспроизводящие эту единицу, и разработать методы практических измерений, иными словами, создать новый раздел метрологии.

РАЗДЕЛ 1. Эталоны и образцовые средства измерения

Проблема измерения количеств радиоактивных веществ возникла вскоре после открытия в 1896 г. Анри Беккерелем самопроизвольного испускания солями урана проникающего излучения, сходного по своим свойствам с рентгеновским излучением, открытым годом ранее. Огромный размах исследований, предпринятых Пьером и Марией Кюри, А. Дебырном, Э. Резерфордом, Ф. Содди и многими другими учеными, ставившими своей целью поиски новых радиоактивных элементов, изучение природы радиоактивности и законов радиоактивного распада, настоятельно требовал обеспечения возможности сравнивать и сопоставлять результаты измерений, полученные в разных лабораториях. Для решения задачи необходимо было, прежде всего, выбрать физическую величину, связанную с количеством радиоактивного вещества, установить единицу ее измерения, создать эталоны, воспроизводящие эту единицу, и разработать методы практических измерений, иными словами, создать новый раздел метрологии.

После открытия в 1898 г. супругами Кюри радия и получения М. Кюри в 1902 г. первых дециграммов хлористого радия этот элемент в сравнительно короткий срок получил широкое распространение в качестве основного радиоактивного источника ионизирующего излучения. Поэтому внимание ученых было обращено в первую очередь на решение проблемы измерения количеств радия. Наиболее простым и естественным казалось определять количество радия в препаратах в единицах массы. Однако измерение количества радия путем непосредственного взвешивания не могло осуществляться в повседневной практике по целому ряду причин. Основные из них заключались в том, что:

во-первых, радиевые препараты обычно заключены в герметичные ампулы, и извлечь радий из них невозможно без вскрытия ампул;

во-вторых, количество радиевой соли в препаратах обычно не велико и составляет миллиграммы и микрограммы;

в-третьих, трудно полностью очистить радиевую соль от примеси солей бария.

Необходимы были косвенные методы определения массы радия в радиевых препаратах. Таким методом явилось гамма-взвешивание, т.е. сравнение двух радиевых препаратов по интенсивности γ – излучения, которая как это было установлено М.Кюри, пропорциональна массе радия, содержащегося в препарате.

В соответствии с этим международный конгресс по электричеству и радиологии, собравшийся в 1910г. в Брюсселе постановил, что количество радия в радиевых препаратах следует измерять, сравнивая их по интенсивности гамма-излучения с радиевым препаратом, содержащим известное количество радия, выраженное в миллиграммах и принятым за эталон, выражая результат измерения в миллиграмм – эквивалентах радия. Одновременно было решено поручить изготовление первичных международных радиевых эталонов М.Кюри и О.Хениггимиду.

В 1911г. эти эталоны были изготовлены. Эталон изготовленный М.Кюри в Институте радия в Париже, содержал 21, 99мг чистого безводного хлорида радия, заключенного в стеклянную ампулу диаметром 1, 45мм, длиной 32мм, при толщине стенок 0, 27мм. Атомный вес радия, определенный в процесс изготовления эталона, был найден равным 225, 97.

О.Хениггимид в радиевом институте в Вене изготовил препарат, содержавший 31, 17мг чистого безводного хлорида радия в запаянной стеклянной ампуле диаметром 3, 2мм, длиной 30мм, при толщине стенок 0, 27мм. Атомный вес – 225, 97.

Эталоны были сравнены между собой в Париже и в 1912г. Международный конгресс по радиологии и электричеству в Брюсселе утвердил эталон, изготовленный М.Кюри в качестве первичного международного эталона единицы массы радия, а эталон, изготовленный О.Хениггимидом – в качестве основной копии первичного эталона. Первичный эталон решено было хранить в Институте радия в Париже, копию – в Радиевом институте в Вене.

Радиевые препараты, сходные по своим характеристикам с парижским и венским международными эталонами и сравненные с ними, аттестовали в качестве вторичных международных эталонов и распределяли между различными государствами для использования в качестве национальных радиевых эталонов. По ним калибровались все радиевые препараты, применявшиеся в каждой отдельной стране. Т.о. было обеспечено единство измерений массы радия в радиевых препаратах во всем мире.

Сравнительно просто и однозначно была решена также задача измерения количеств радона – первого дочернего продукта распада радия. Для измерения количества радона Международным конгрессом по электричеству и радиологии в 1910г была установлена единица «Кюри», названная в честь первооткрывателей радия и определенная как «количество радона, находящегося в радиоактивном равновесии с одним граммом радия». Количество радона также измеряли относительным методом, сравнивая радоновые ампулы с радиевыми эталонами по гамма-излучению с помощью ионизационных камер. Возможность использования такого метода измерения обусловлена тем, что радон и радий, находящиеся в радиоактивном равновесии со своими короткоживущими продуктами распада, испускают практически одинаковое по спектральному составу гамма-излучение. Как известно, гамма-излучение радиевых источников принадлежит по существу не самому радию, а главным образом двум его дочерним нуклидам – радию-В (свинец-214) и радию-С (бериллий-214), тогда как сам радий испускает лишь сравнительно «мягкое» гамма-излучение с Е_γ = 0, 186 МэВ, легко поглощающееся фильтрами и стенками камер.

В 1930 определение «Кюри» было расширено и распространено на остальные продукты распада радия. Теперь под «Кюри» подразумевалось количество любого элемента семейства радия, находящегося в радиоактивном равновесии с 1г радия.

Значительно сложнее решалась проблема измерения количеств радиоактивных элементов, не принадлежащих к семейству радия. В силу ряда принципиальных трудностей невозможно было изготовить и использовать таким же образом соответствующие эталоны, содержащие известные количества этих элементов. Поэтому препараты из радиоактивных элементов, использующих гамма-излучение, стали сравнивать с радиевыми эталонами, выражая результат измерения в миллиграмм -эквивалентах радия. Но если результат сравнения радиевых препаратов с радиевыми эталонами, выраженный в миллиграмм -эквивалентах радия, довольно близко совпадал с массой радия в этих препаратах в миллиграммах, то результат измерения препаратов радиоэлементов, не относящихся к семейству радия, ничего не говорил о количестве радиоактивного вещества в препарате, а указывал значение величины, названной в последствии γ -эквивалентом. В дальнейшем эту методику стали применять и для измерения γ -источников из искусственных радионуклидов.

Применение такой методики измерений нельзя было признать удачным. Вследствие различия в составе спектров γ -излучения измеряемого радионуклида и радия результаты измерений сильно зависели от условий измерений: от типа размеров и материала стенок детекторов, от предварительной фильтрации излучения и геометрических условий измерения. Наконец, по самому своему определению единица миллиграмм – эквивалент радия была непримирима для измерений радионуклидов, не испускающих γ -излучения. Между тем число таких нуклидов было довольно велико, а с открытием искусственной радиоактивности возросло во много раз. Поэтому в 1950 году комиссия по единицам, эталонам и константам в области радиоактивности узаконила видоизмененное определение единицы измерения «Кюри» как количество любого радионуклида, в котором в 1 сек. происходит 3, 7 · 10¹⁰ актов распада. Предложенная в 1946 г. единица «резерфорд» не смогла конкурировать с единицей «Кюри». Определение Кюри, как единицы количества радионуклида, было принято и международной комиссией по радиологическим единицам и измерениям на сессии в 1956 г.

В приведенном определении Кюри количество радионуклида, т.е. его масса, связывается со скоростью распада. Что в принципе не является вполне определенным.

По определению имеем:

,

на самом деле

,

где l - const распада,

N – число атомов данного радионуклида в источнике.

Тогда зная, что

где А – атомная масса нуклида,

N_A число Авогадро= 6, 022 · 10²³ моль^-1

dN/dt = 3, 7 · 10¹⁰ = >

,

.

Таким образом масса радионуклида, соответствующая 1Ки, зависит от вида нуклида, изменяясь от Т_1/2 и А. Поскольку значения периода полураспада большинства радионуклидов определены со сравнительно невысокой точностью, значения массы радионуклидов, соответствующие 1Ки тоже не могут быть точно определены.

Более логичным и рациональным явилось определение Ки как единицы активности радионуклида в радиоактивном источнике, данное советскими метеорологами в 1952-1953гг. Единица Ки была определена как активность препарата данного изотопа, в котором за 1 секунду происходит 3, 7× 10¹⁰ актов распада». В 1962г. эту формулировку утвердила международная комиссия по радиологическим единицам и измерениям, определив Ки как единицу активности радионуклида, а не его количества.

В 1960г. создан отдел ионизирующих излучений в Международном бюро мер и весов, который обеспечивает регулярные международные сличения соответствующих радиоактивных эталонов.

С 1925г. действует Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ).

Подчеркивая все вышеуказанное можно определить, что предметом радиометрии является разработка и применение методов определения активности и концентрации радиоактивных веществ в различных пробах и источниках ионизирующего излучения, а также определение спектров их излучения. Кроме того, термин «радиометрия» используют для обозначения процесса измерения активности.

Радиометрия тесно связана с дозиметрией, т.к. радиометрия характеризует сами источники излучений, а дозиметрия количественно оценивает их воздействие. Без знания активности и концентрации радиоактивных веществ в источниках излучения, окружающей среде и организме нельзя производить дозиметрические расчеты доз облучения от внешних и внутренних источников. Методы радиометрии также служат для оценки воздействия радиоактивных веществ на человека, животных и для дозиметрического контроля за их содержанием в окружающей среде, продуктах и организме.

Методы и средства радиометрии используются при исследованиях с применением радиоактивных веществ, а также в промышленности, сельском хозяйстве, при разведке полезных ископаемых, для определения возраста Земли, археологических находок и т.д. Для определения малых количеств стабильных элементов и их соединений в пробах используют радиометрический анализ, применяя метод радиоактивных индикаторов или переводя исследуемые вещества в радиоактивные.

Наиболее широко методы радиометрии используют в медицине, биологии и ветеринарии для изучения динамики обмена радиоактивных веществ в окружающей среде. Радиометрические методы и приборы используют для измерения гамма-излучения источников, применяемых с лечебными целями для внешних локальных воздействий и радиоактивных источников, вводимых внутрь для локального облучения отдельных органов и тканей, а также с диагностической целью.

Методы радиометрии также применяют при изготовлении эталонов и образцовых источников излучений, градуировке радиометрической и дозиметрической аппаратуры.

Все растущее применение радиоактивных веществ и радиоактивных источников ионизирующих излучений в различных отраслях народного хозяйства при одновременном расширении номенклатуры этих веществ и источников настоятельно требует обеспечения единообразия и правильности измерений основной количественной характеристики любого радиоактивного образца – активности нуклида в образце, а также массы радия для радиевых образцов. Эту задачу и должна решать радиометрия.