В чем измеряется мощность излучения

В чем измеряется мощность излучения

5. Дозы излучения и единицы измерения

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ. Ниже в таблице 10 дан перечень единиц измерения радиологических величин и проведено сравнение единиц системы СИ и внесистемных единиц.

Для описания влияния ионизирующих излучений на вещество используются следующие понятия и единицы измерения :
Активность радионуклида в источнике (А). Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) :

Единица активности в системе СИ — Беккерель (Бк).
Внесистемная единица — Кюри (Ки).

Число радиоактивных ядер N(t) данного изотопа уменьшается со временем по закону:

где N₀ — число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, Т_1/2 -период полураспада — время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.
Массу m радионуклида активностью А можно рассчитать по формуле :

m = 2.4·10 -24 × M ×T_1/2 × A,

где М — массовое число радионуклида, А — активность в Беккерелях, T_1/2 — период полураспада в секундах. Масса получается в граммах.
Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :

Единица экспозиционной дозы — Рентген (Р). Рентген — это экспозиционная доза рентгеновского и
-излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р
соответствует 2.08·10 9 пар ионов (2.08·10 9 = 1/(4.8·10 -10 )). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная :
(2.08·10 9 )·33.85·(1.6·10 -12 ) = 0.113 эрг,
а одному грамму воздуха :

Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.
Поглощенная доза (D) — основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме :

Единица поглощенной дозы — Грей (Гр). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.
Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением — r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый еще — коэффициент качества излучения)
(таблица 11).

Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв).

Влияние облучения носит неравномерный характер. Для оценки ущерба здоровью человека за счет различного характера влияния облучения на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела) введено понятие эффективной эквивалентной дозы Е_эфф применяемое при оценке возможных стохастических эффектов — злокачественных новообразований.
Эффективная доза равна сумме взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях:

где w_t — тканевый весовой множитель (таблица 12), а H_t -эквивалентная доза, поглощенная в
ткани — t. Единица эффективной эквивалентной дозы — Зиверт.

Коллективная эффективная эквивалентная доза. Для оценки ущерба здоровью персонала и населения от стохастических эффектов, вызванных действием ионизирующих излучений, используют коллективную эффективную эквивалентную дозу S, определяемую как:

где N(E) — число лиц, получивших индивидуальную эффективную эквивалентную дозу Е. Единицей S является человеко-Зиверт
(чел-Зв).
Радионуклиды — радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов — и с данным определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Радионуклиды
(и нерадиоактивные нуклиды) элемента иначе называют его изотопами.
Помимо названных выше величин для сравнения степени радиационного повреждения вещества при воздействии на него различных ионизирующих частиц с разной энергией используется также величина линейной передачи энергии (ЛПЭ), определяемая соотношением :

где — средняя энергия, локально переданная среде ионизирующей частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl.
Пороговая энергия обычно относится к энергии электрона. Если в акте столкновения первичная заряженная частица образует -электрон с энергией больше , то эта энергия не включается в значение dE, и -электроны с энергией больше рассматриваются как самостоятельные первичные частицы.
Выбор пороговой энергии является произвольным и зависит от конкретных условий.
Из определения следует, что линейная передача энергии является некоторым аналогом тормозной способности вещества. Однако между этими величинами есть различие. Заключается оно в следующем:
1. ЛПЭ не включает энергию, преобразованную в фотоны, т.е. радиационные потери.
2. При заданном пороге ЛПЭ не включает в себя кинетическую энергию частиц, превышающую .
Величины ЛПЭ и тормозной способности совпадают, если можно пренебречь потерями на тормозное излучение и

Средние значения величины линейной передачи энергии L и пробега R для электронов, протонов и альфа-частиц в мягкой ткани.
Частица	Е, МэВ	L, кэВ/мкм	R, мкм
Электрон	0.01	2.3	1
	0.1	0.42	180
	1.0	0.25	5000
Протон	0.1	90	3
	2.0	16	80
	5.0	8	350
	100.0	4	1400
α -частица	0.1	260	1
	5.0	95	35

По величине линейной передачи энергии можно определить весовой множитель данного вида излучения (таблица 14)

Зависимость весового множителя излучения wr от линейной передачи энергии ионизирующего излучения L для воды.
L, кэВ/мкм	< 3/5	7	23	53	> 175
wr	1	2	5	10	20

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. Для категории Б определяется предел дозы.
Устанавливается три группы критических органов:
1 группа — все тело, гонады и красный костный мозг.
2 группа — мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.
3 группа — кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.
Дозовые пределы облучения для разных категорий лиц даны в таблице 15.

Помимо основных дозовых пределов для оценки влияния излучения используют производные нормативы и контрольные уровни. Нормативы рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы). Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.
Для категории А (персонала) установлены:
— предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания;
— допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС_А;
— допустимая мощность дозы излучения ДМД_А;
— допустимая плотность потока частиц ДПП_А;
— допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК_А;
— допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ_А .
Для категории Б (ограниченной части населения) установлены:
— предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения;
— допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК_Б в атмосферном воздухе и воде;
— допустимая мощность дозы ДМД_Б;
— допустимая плотность потока частиц ДПП_Б;
— допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ_Б .
Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в
«Нормах радиационной безопасности».

В чем измеряется мощность излучения

В оптике энергия излучения определяется за время намного большее, чем период собственных колебаний электромагнитных волн оптического диапазона. Ограничимся простой геометрической моделью, являющейся следствием уравнений Максвелла, согласно которой свет представляет собой поток лучистой энергии, распространяющейся вдоль геометрических лучей.

Электромагнитное поле в однородных изотропных средах переносит энергию в направлении, которое указывается оптическим лучевым вектором .

Энергия измеряется в джоулях: .

2.1.1. Поток излучения

Основной величиной, которая позволяет судить о количестве излучения, является поток излучения (или мощность излучения):

Поток излучения (лучистый поток) – это величина энергии, переносимой полем в единицу времени через данную площадку (рис.2.1.1)

Поток излучения измеряется в ваттах:

Рис. 2.1.1. Поток излучения.

Энергия зависит от спектрального состава света. Если разложить поле на монохроматические составляющие (каждая с определенной длиной волны), то вся энергия некоторым образом распределится между ними (рис.2.1.2).

Рис.2.1.2. Спектральная плотность потока излучения.

Спектральная плотность потока излучения – это функция, показывающая распределение энергии по спектру излучения:

(2.1.1)

Тогда общий суммарный поток для всех длин волн в диапазоне от до будет вычисляться как интеграл:
(2.1.2)

2.1.2. Поверхностная плотность потока энергии (освещенность, светимость)

Поверхностная плотность потока энергии – это величина потока, приходящегося на единицу площади:

,

(2.1.3)

Если площадка освещается потоком, то поверхностная плотность потока энергии будет иметь смысл энергетической освещенности или облученности . Если поток излучается площадкой, то поверхностная плотность потока энергии будет иметь смысл энергетической светимости .

Спектральная плотность поверхностной плотности потока показывает распределение светимости или освещенности по спектру излучения:

2.1.3. Сила излучения

Рассмотрим излучение точечного источника в пределах некоторого телесного угла (рис.2.1.3):

Рис.2.1.3. Энергетическая сила света.

Телесный угол данного конуса равен отношению площади поверхности, вырезанной на сфере конусом, к квадрату радиуса сферы.

,

(2.1.5)

Телесный угол измеряется в стерадианах (в сфере ).

Сила излучения (энергетическая сила света) – это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого он распространяется:

,

(2.1.6)

За единицу энергетической силы света приняты сила излучения такого точечного источника, у которого в пределах равномерно распределяется поток излучения в .

Энергетическая сила света – величина, имеющая направление. За направление силы света принимают ось телесного угла, в пределах которого распространяется поток излучения.

Поток называется равномерным, если в одинаковые телесные углы, выделенные по какому-либо направлению, излучается одинаковый поток. В случае неравномерного потока для определения силы света в каком-то направлении надо выделить элементарный телесный угол вдоль данного направления и измерить световой поток , приходящийся на этот телесный угол:
(2.1.7)

Для неравномерного потока существует понятие средней сферической силы света :
(2.1.8)

Спектральная плотность силы излучения показывает распределение силы излучения по спектру:
(2.1.9)

2.1.4. Энергетическая яркость

Яркость определяет поверхностно-угловую плотность потока излучения. Яркость является характеристикой протяженного источника, в то время как сила излучения является характеристикой точечного источника.

Энергетическая яркость – это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении.

Если излучающая площадка перпендикулярна направлению излучения, то энергетическая яркость определяется следующим образом:
, (2.1.10)

За единицу энергетической яркости принимают яркость плоской поверхности в , которая в перпендикулярном направлении имеет энергетическую силу света в .

В общем случае:

(2.1.11)

где – угол между направлением излучения и нормалью к площадке (рис.2.1.4).

Рис.2.1.4. Энергетическая яркость.

Спектральная плотность энергетической яркости показывает распределение энергетической яркости по спектру:
(2.1.12)

2.1.5. Инвариант яркости вдоль луча

Яркость постоянна (инвариантна) вдоль луча при отсутствии потерь энергии:

Если среда неоднородна (показатель преломления меняется), то используется приведенная яркость (инвариант яркости) :

(2.1.13)

• яркость является основной характеристикой передачи световой энергии оптической системой;
• оптическая система в принципе не может увеличивать яркость проходящего через нее излучения (она может лишь уменьшить яркость за счет поглощения или рассеяния света).

2.1.6. Поглощение света средой

Световой поток, распространяясь в оптической среде, частично поглощается.

Энергетический коэффициент пропускания – это отношение энергетического светового потока , пропущенного данным телом, к энергетическому потоку , упавшему на него :

(2.1.14)

Если среда поглощает, то инвариант яркости вдоль луча выглядит следующим образом:
(2.1.15)

Спектральная плотность пропускания показывает распределение коэффициента пропускания по спектру.

Оптическая плотность среды – логарифм величины, обратной пропусканию:
(2.1.16)

Таким образом, более оптически плотная среда сильнее поглощает.

Решение задач на определение энергетических величин рассматривается в практическом занятии «Энергетика световых волн», пункт «1.1. Расчет энергетических величин».

Измерение оптической мощности в FTTx и PON

Оптическая мощность, или мощность оптического излучения – это основополагающий параметр оптического сигнала. Она выражается в Ваттах (Вт), милливаттах (мВт), микроваттах (мкВт). А также логарифмических единицах – дБм.

Для измерения уровня оптической мощности используются специальные измерительные приборы – измерители оптической мощности. Методика измерений мощности в классических оптических сетях (построенных по топологии “точка-точка”) и сетях PON существенно отличаются, что приводит к применению различных по принципу действия измерительных приборов.

Измерение мощности в сетях FTTx

Для измерения уровня мощности сигнала в таких сетях применяются стандартные измерители мощности с одним входом. Для того чтобы провести измерение, необходимо:

1. подключить к измерителю оптическую линию (перед подключением рекомендуется провести чистку патч корда и адаптера прибора при помощи специальных приспособлений)
2. включить измеритель мощности
3. в меню прибора выбрать длину волны, на которой будем проводить измерения
4. считать показания прибора. Чаще всего результаты измерения отображаются в дБм, но некоторые измерители позволяют выводить данные и в мВт или мкВт.

Рисунок 1 – подключение прибора при измерении мощности в сетях FTTx

Измерение оптической мощности в PON сети

В связи с тем, что в PON сети от оператора к абонентам передается одновременно информация на двух длинах волн (1490 нм и 1550 нм), то измерить мощность сигнала на каждой из них возможно только по очереди и с применением дополнительных фильтров, что не всегда удобно. Кроме того, обратный канал (от абонентов к оператору) построен по принципу временного разделения каналов и оборудование каждого из абонентов работает только малую часть времени. (Принцип передачи информации в PON сети описано подробно в статье). В результате, если попытаться измерить мощность, передаваемую от абонента к оператору PON сети, при помощи стандартного измерителя (как на рис 1), то получим значение, указанное в столбце Std PM таблицы на рисунке 2

Рисунок 2 – сравнение результатов измерений оптической мощности на длине волны 1310 нм в PON сети при помощи стандартного и специализированного измерителей мощности

Обратите внимание на различия в результатах измерения стандартным и специализированным измерителем. Ошибка измерений стандартного измерителя вызвана тем, что он выдает среднее значение мощности за период измерений, вместе с тем как специализированный прибор измеряет мощность только в момент, когда абонентское оборудование активно и идет передача информации.

Специализированный измеритель мощности в PON сетях включается в разрыв, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – способ подключения измерителя мощности PON

В отличии от стандартного измерителя, измеритель PON отображает одновременно уровни всех проходящих через него сигналов: на длине волны 1310 нм; 1490 нм; 1550 нм. Вместе с тем, многие измерители PON имеют также возможность установки пороговых значений, в результате чего тестер кроме числового значения будет делать вывод в виде “ПРОШЕЛ/НЕ ПРОШЕЛ”.

Рисунок 4 – результаты измерений измерителя мощности PON

Поэтому, при проведении измерения мощности сигналов в PON сети рекомендуется:

1. предварительно установить пороговые значения уровней
2. включить измеритель мощности
3. подключить его в разрыв со стороны абонента, как показано на рисунке 2. П еред подключением рекомендуется провести чистку патч корда и адаптера прибора при помощи специальных приспособлений.
4. считать или занести в память результаты измерений. Как и в предыдущем случае, основной единицей измерения уровня мощности является дБм.

Вебинар на тему “Методики измерения параметров ВОЛС”

Чтобы задать вопрос докладчику вебинара отправьте письмо на адрес: info@fibertop.ru

СМ. ТАКЖЕ:

• Архитектура сети доступа. Распространенные и перспективные технологии.
• Окно прозрачности оптического волокна.
• Макроизгиб ОВ – причины и последствия
• Способы построения PON сети в коттеджном поселке
• Преимущества и недостатки оптических волокон
• Производство оптических волокон. Основные этапы технологического процесса.

Раздел 1. Физические основы биологического действия ионизирующих излучений (ИИ)

В биологическом отношении важно знать не только дозу излучения, которую получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени. Суммарная доза, значительно превышающая летальную, но полученная в течение длительного периода времени, не приводит к гибели животного, а доза, меньше смертельной, но полученная в короткий период времени, может вызвать лучевую болезнь различной степени тяжести.

Мощность дозы (P) – это доза излучения (D) отнесенная к единице времени t: P = D / t.

Мощность экспозиционной дозы в системе СИ измеряется в ампер на килограмм (А\кг), внесистемная единица – в рентген в час (Р/ч) или в других дольных и кратных величинах:

1 А/кг = 3876 Р/с, 1 Р/с = 2,58×10 -4 А/кг.

Мощность поглощенной дозы облучения в системе СИ измеряется в Вт/кг, Гр/с или в других кратных и дольных величинах. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад/с, а так же другие кратные и дольные величины. Для измерения мощности дозы излучения используются рентгенметры типа ДП-5, УСИТ, ДРГЗ, СРП 68-01 и др.

Под радиационным фоном понимают именно мощность экспозиционной дозы ионизирующих излучений в воздухе, уровень его для средней полосы России составляет 4-40 мкР/ч (микрорентген в час ).

Согласно рекомендациям Международной комиссии по радиационной защите (МКЗР) и Всемирного общества здравоохранения (ВОЗ)
радиационный уровень, соответствующий естественному фону
0,1-0,2 мкЗв/ч (10-20 мкР/ч), признано считать нормальным уровнем, уровень 0,2-0,6 мкЗв/ч (20-60 мкР/ч) считается допустимым, а уровень свыше 0,6-1,2 мкЗв/ч (60-120 мкР/ч) с учетом эффекта экранирования считается повышенным.

Если говорить о границе жизненно необходимой радиации, проведенные в последнее время эксперименты с растениями и животными показали, что изоляция организма от естественной радиации вызывает в нем замедление самых фундаментальных жизненных процессов, в том числе – деление клеток и межклеточного информационного объема.

Ионизирующее излучение не только вызывает ионизацию, но и возбуждение, энергия возбуждения от одной молекулы передается другой молекуле в виде вторичного биогенного излучения в области УФО. Это излучение обладает удивительными свойствами – вдвое увеличивается всхожесть семян, распускаются пребывающие в спячке почки деревьев, стимулируется развитие зародышей в яйцах и т.д.

Имеются и иные исследования. Считают, что наследственные нарушения, вызванные малыми дозами радиации, не подчиняются линейной зависимости «доза-эффект». Нобелевский выдвиженец, канадский ученый Петкау А. в своих исследованиях показал, что облучение при низкой мощности дозы может вызывать такой же разрушительный эффект в мембранах живой клетки, какой возникает при интенсивном облучении дозой в десятки и сотни раз более высокой.

Определение границы жизненно необходимой радиации является предметом дополнительных исследований по радиационной биологии.