МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Конструирование и производство приборов» ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Лабораторные работы (практикум) Минск БНТУ 2013 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Конструирование и производство приборов» ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Лабораторные работы (практикум) для студентов специальности 1-38 02 02 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» Минск БНТУ 2013 2 УДК 614.87(076.5)(075.8) ББК 51.26я7 В64 С о с т а в и т е л и : Н. Т. Минченя, А. Л. Савченко Р е ц е н з е н т ы : М. В. Давыдов, Р. В. Новичихин Воздействие физических полей на биологические объекты : лабораторные работы (практикум) для студентов специально- сти 1-38 02 02 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» / сост. : Н. Т. Минченя, А. Л. Савченко. – Минск: БНТУ, 2013. – 94 с. ISBN 978-985-550-083-5. Издание предназначено в качестве учебно-методического пособия по дисци- плине «Воздействие физических полей на биологические объекты» для студентов специальности 1-38 02 02 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы». Описание лабораторных работ, приведенных в издании, включает цель работы, ин- струменты и принадлежности к работе, основные теоретические положения, порядок вы- полнения работы, содержание отчета, контрольные вопросы и список литературы. УДК 614.87(076.5)(075.8) ББК 51.26я7 ISBN 978-985-550-083-5 © Белорусский национальный технический университет, 2013 В64 3 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ Цель работы: изучение природы и свойств рентгеновского из- лучения, методов его получения, использования в медицине, озна- комление с видами рентгеновских аппаратов, их характеристиками и устройством. Правила техники безопасности Рентгеновское излучение является опасным для организма чело- века. Кроме того, аппарат питается от сети переменного тока, а к рентгеновской трубке подводится высокое напряжение. В связи с этим необходимо строго соблюдать следующие правила: 1. ЗАПРЕЩАЕТСЯ включать аппарат в сеть без разрешения пре- подавателя. 2. При включенном аппарате ЗАПРЕЩАЕТСЯ включать высо- кое напряжение. 3. ЗАПРЕЩАЕТСЯ направлять выходное окно рентгеновской трубки на людей, в окна и в сторону двери при включенном в сеть аппарате. 4. ЗАПРЕЩАЕТСЯ снимать кожух высоковольтного генератора при включенном в сеть аппарате и включать аппарат при снятом кожухе. 5. Убедительная просьба: не позволять студентам, выполняю- щим другие лабораторные работы, скапливаться у аппарата во вре- мя занятий. Инструменты и принадлежности к работе 1. Палатный рентгеновский аппарат Nanodor 2– 1 шт. Основные положения Физическая природа и свойства рентгеновского излучения Рентгеновское излучение является электромагнитным и имеет длину волны порядка 0,005–10 нм. Рентгеновские лучи, применяе- мые в рентгенодиагностике, образуются в специальных рентгенов- 4 ских трубках в результате торможения быстро движущихся элек- тронов. Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный бал- лон, из которого выкачан воздух (рис. 1.1). В баллон вставлены два электрода: катод в виде металлической спирали и анод в виде мас- сивного стержня из меди, имеющий расположенную под углом гладкую поверхность, покрытую тугоплавким металлом вольфра- мом, молибденом или их сплавами с рением. Оба электрода уста- новлены по продольной оси рентгеновской трубки с зазором поряд- ка 20 мм. При подаче на спираль катода напряжения накала вокруг него в результате термоэлектронной эмиссии образуется электрон- ное облако. Электроны разгоняются высоким напряжением, прило- женным между катодом и анодом, и ударяются о поверхность ано- да. Большая часть энергии движения электронов при торможении выделяется в виде тепла, меньшая – в виде рентгеновского (или тормозного) излучения. Интенсивность излучения можно регулиро- вать путем изменения числа электронов или их скорости. В первом случае изменяют температуру нагрева спирали, изменяя тем самым ток через трубку. Рис. 1.1 В рентгенодиагностике применяются величины тока в пределах 0,2–1000 мА. Напряжение на трубке влияет на интенсивность и ка- 5 чество излучения. Интенсивность излучения возрастает пропорцио- нально квадрату приложенного излучения. Качество излучения определяется длиной его волны. Чем выше скорость электронов (т. е. чем выше напряжение), тем большую энергию они имеют, тем больше жесткость излучения (короче длина волны). Чем больше жесткость излучения, тем выше его проникающая способность. Мягкое излучение образуется при 40–60 кВ, средней жесткости – при 60–110 кВ, повышенной жесткости – при 110–150 кВ. Поток лучей, исходящий из рентгеновской трубки, не однороден, а состоит из волн различной длины. Это происходит из-за того, что анод поглощает электроны, имеющие различную энергию, а также из-за того, что к трубке приложено выпрямленное переменное (пульсирующее) напряжение. В разные моменты времени амплиту- да напряжения имеет равные значения, что приводит к появлению в спектре излучения различных длин волн. При прохождении через различные тела рентгеновские лучи ослабляются. Это ослабление происходит вследствие поглощения и рассеивания лучей. Поглощение лучей происходит из-за расходова- ния энергии излучения на удаление электронов из атомов среды (фотоэлектрический эффект). Следствием фотоэффекта является ионизация и связанные с ней химические реакции – разложение и образование соединений. На разложении соединений серебра в эмульсиях рентгеновских пленок основана рентгенография. Наряду с поглощением ослабление лучей происходит также за счет их рассеяния. При этом часть лучей, встречаясь с электронами среды, через которую они проходят, отклоняются от первоначаль- ного направления. Эти отклоненные лучи уходят в сторону от ос- новного пучка лучей и тем самым ослабляют его. При этом, если энергия излучения невелика, длина его волны при отклонении оста- ется неизменной. Это классическое рассеяние. При более жестком излучении, возникающем при напряжении около 100 кВ, излучение может выбивать электроны из атомов, так же, как при ионизации. Выбитый электрон унесет лишь часть энергии, остальная сохранит- ся в виде рассеянного излучения с более низкой энергией (с боль- шей длиной волны). Это вторичное излучение может в свою очередь вызывать третич- ное и так далее до полного расхода энергии основного излучения. Это рассеяние с изменением длины волны называется комптоновским. 6 Излучение, возникающее при очень высоких напряжениях (свыше 1000 кВ), способно поглощаться в виде образования новых частиц. Квант излучения при поглощении «исчезает», а вместо него «возни- кают» две противоположно заряженные частицы – позитрон и элек- трон. Этот процесс называется поглощением с образованием пар. Рентгеновские лучи распространяются прямолинейно в виде рас- ходящегося пучка. В результате этого на одну и ту же площадь по мере удаления от источника попадает меньше лучей. Величина ослабления пропорциональна квадрату расстояния. Биологическое действие рентгеновского излучения Как уже было сказано, одним из механизмов поглощения лучей является ионизация. Она вызывает изменение химической структу- ры вещества и образование новых соединений. Это приводит к раз- рушению клеток биологических тканей и вырабатываемых ими хи- мических веществ. При больших дозах такой процесс может насту- пить очень быстро. Малые же дозы могут изменять свойства клеток в последующих поколениях, когда утрачиваются их функции и жизнеспособность. Наиболее чувствительны к излучению клетки костного мозга, вырабатывающие форменные элементы крови, по- ловые клетки, содержащиеся в половых железах (гонадах), клетки слизистой оболочки кишечника, хрусталик глаза. Это так называе- мые «критические органы». При рентгенологическом исследовании рекомендуется использовать минимально возможные дозы облуче- ния, а также по возможности прикрывать критические органы спе- циальными экранами из свинца или просвинцованной резины. Ре- комендуется также увеличивать кожно-фокусное расстояние (рас- стояние между фокусным пятном рентгеновской трубки и кожей пациента). При этом доза излучения на кожу становится меньше. При исследованиях предпочтительнее применять мощные трех- фазные аппараты с 6- или 12-вентильным выпрямителем (см. ниже). В таких аппаратах меньше пульсации высокого напряжения на трубке, следовательно, в излучении будет меньше мягких лучей, которые не достигают пленки и не участвуют в создании изображе- ния, а, целиком поглощаясь в теле, увеличивают лучевую нагрузку. Вообще, чем меньше аппарат, тем он опасней, так как в нем больше пульсации высокого напряжения и больше мягких лучей в излуче- 7 нии. Маломощный генератор высокого напряжения не позволяет снимать с малыми выдержками и доза облучения увеличивается. При рентгеноскопии, когда исследование изображения произво- дится во время экспозиции, для уменьшения дозы облучения при- меняют системы усиления рентгеновского изображения и рентгено- телевизионные системы. Для снижения количества мягких лучей применяют фильтры в виде алюминиевых пластин толщиной от 1 до 5 мм в зависимости от напряжения на трубке. Большое значение для пациента имеет и ширина пучка излуче- ния. Рекомендуется использовать пучок минимально необходимой ширины. Для контроля ширины пучка (величины входного поля) в тубус рентгеновского аппарата вводят световой визир (рис. 1.2). С его помощью можно отрегулировать диафрагму на оптимальную ширину пучка. Рис. 1.2 Формирование рентгеновского изображения Возникновение изображения Рентгеновские лучи, проходя сквозь тело человека, по-разному поглощаются различными тканями. Если сравнить между собой ве- щества, входящие в состав человеческого тела, то можно видеть как 8 различаются их плотности: кости – 1,9; хрящи – 1,09; мышцы – 1,04; вода – 1,0; жир – 0,94; воздух – 0,0013 г/см3. Чем выше плот- ность, тем сильнее ткань поглощает рентгеновские лучи. Если при- нять поглощение водой за единицу, то показатели относительного поглощения веществами, входящими в тело человека таковы: воз- дух – 0,01; жир – 0,5; углерод – 0,7; фосфорнокислый кальций – 22,0. Эта разница приводит к тому, что рентгеновские лучи после прохождения через тело несут в себе информацию о рентгеновском изображении, которое визуализируется, попадая на флюоресциру- ющий экран или фотопластинку Проекция Рентгеновское излучение, полученное на экране или фотопла- стинке, является плоским, т. е. все части структуры, расположенные на разных расстояниях от экрана, будут располагаться на нем в од- ной плоскости. Поэтому для получения достоверной информации рентгенологическое исследование проводится не менее чем в двух проекциях. Кроме того, рентгеновское изображение получается увеличенным. Это происходит из-за того, что лучи распространя- ются расходящимся пучком из фокусного пятна. Степень увеличе- ния зависит от расстояний между фокусом трубки, исследуемым объектом и экраном (фотопластинкой). Следует иметь в виду, что увеличение деталей объекта, лежащих на разной глубине, будет различным, что вызывает искажение формы анатомических струк- тур. Чтобы искажение не было чрезмерным, при рентгенографии применяют правило, согласно которому расстояние фокус – пленка должно превышать толщину объекта не менее чем в пять раз. Иска- жения также возникают, когда центральный луч не перпендикуля- рен пленке (проекционное искажение). Резкость изображения Если на рентгенограмме переход от одной степени почернения к другой происходит скачкообразно, то изображение считается рез- ким. При плавном переходе между тенью изображения и фоном, когда между ними имеется переходная тень шире 0,16–0,25 мм, изображение считается нерезким. Нерезкость имеет различное про- исхождение, в связи с этим различают геометрическую, динамиче- скую и экранную нерезкости. 9 Геометрическая нерезкость зависит от величины фокусного пят- на на аноде трубки, расстояния фокус – пленка и объект – пленка. Чем выше мощность трубки, тем больше фокусное пятно, так как при работе трубки температура в фокусе поднимается очень высо- ко, и большая нагрузка на трубку с малым фокусом может привести к его расплавлению. Величина фокусного пятна в различных труб- ках колеблется от 0,3  0,3 мм до 2,0  2,0 мм. Механизм образова- ния геометрической нерезкости показан на рис. 1.3 и не нуждается в дополнительных комментариях. Для уменьшения геометрической нерезкости рекомендуется максимально возможно уменьшать рас- стояние объект – пленка и увеличивать расстояние фокус – пленка. Нерезкость может создаваться и из-за неровной поверхности анод- ного зеркала (фокусного пятна), которая возникает в связи с рас- плавлением вещества анода при больших нагрузках на трубку. Рис. 1.3 Динамическая нерезкость обусловлена движениями органа или тела во время экспозиции. Произвольные движения человека могут 10 быть исключены фиксацией тела или его отдельных частей. Однако, некоторые органы движутся независимо от воли человека со срав- нительно высокими скоростями: контуры сердца – до 200 мм/с; лег- ких – 190 мм/с; аорты – 130 мм/с; корней легких – 90 мм/с; пери- стальтика пищеварительного тракта – 1–6 мм/с. Практически уста- новлено, что выдержка в 0,02 с достаточна для исключения дина- мической нерезкости при съемках сердца и других органов груди. Исключение составляют коронарные сосуды и некоторые участки сердца, где оптимальная выдержка равна 0,004–0,01 с. Экранная нерезкость возникает из-за того, что образующееся в эмульсии экранов свечение рассеивается в их толще и создает не- четкость изображения. Высокочувствительные экраны с толстым слоем эмульсии создают нерезкость до 0,5 мм, более тонкие нежно- рисующие экраны с высокой разрешающей способностью – 0,2 мм. Контраст В рентгеновском изображении контраст – это разность в почер- нении двух соседних участков рентгенограммы. Контраст исчисля- ется в процентах. Если в одном участке исследуемой области тела до пленки дошла доза в 1 Р, а в соседнем 0,5 Р, то разность в степе- ни почернения этих участков (контраст) составит 100 %. Наимень- шая контрастность, воспринимаемая глазом при изучении рентгено- грамм (порог контрастной чувствительности) составляет 2,5 %. При рентгеноскопии порог контрастной чувствительности даже при длительной адаптации (25 мин) составляет в среднем 10–20 %. Наличие нерезкости повышает порог контрастной чувствительно- сти. Многие органы состоят из элементов с одинаковой атомной мас- сой, и потому их внутренние структуры – каналы, кровеносные и лимфатические сосуды на обычной рентгенограмме не видны. Для получения их рентгеновского излучения в них вводят контрастные вещества – создают искусственный контраст. Искусственные кон- трактные вещества делятся на негативные (азот, кислород), атомная масса которых меньше эффективной атомной массы тканей, и пози- тивные с более высокой атомной массой (бром, йод, барий). Эффек- тивная атомная масса тканей человека лежит в пределах 18,01–40,07. Указанные контрастные вещества по атомной массе находятся за пределами этих величин (например, кислород – 14,01; барий – 137,36). 11 Наиболее широко распространенное рентгеноконтрастное вещество – сернокислый барий в виде мелкодисперсной взвеси в воде. Как уже говорилось, ослабление рентгеновского пучка в теле че- ловека происходит за счет поглощения и рассеивания. При этом, чем жестче первичное излучение, тем в большей степени ослабле- ние идет за счет рассеяния. Рассеянное излучение возникает в лю- бом предмете, на который попадают лучи: в частях аппарата, в теле пациента. Попадая на пленку, оно вызывает ее слабое почернение и тем самым уменьшает контрастность и резкость изображения, Рас- сеяние тем больше, чем больше толщина тканей, через которое про- ходит излучение, и шире пучок лучей (входное поле). Поэтому для получения изображения лучшего качества нужно применять более узкий пучок лучей. С этой целью к кожуху трубки прикрепляют специальные цилиндрические или конические тубусы. Для тех же целей более эффективно применение диафрагм с по- движными свинцовыми шторками. Лучше, если шторки расположе- ны в два этажа (глубинная диафрагма, рис. 1.2). Это позволяет бо- лее совершенно избавляться от рассеянных лучей, образующихся в самой диафрагме. Источник света позволяет точно задать размеры и положение входного поля до включения трубки. Для уменьшения количества рассеянного излучения, попадающего на пленку, ниж- няя крышка кассеты имеет свинцовое покрытие для поглощения рассеянного излучения от поверхности стола, а между исследуемой частью ж кассетой устанавливают отсеивающие решетки (рис. 1.4). Решетка состоит из большого числа тонких свинцовых или вольфрамовых пластин, отделенных друг от друга полосками бума- ги или другого материала, проницаемого для рентгеновских лучей. Пластины расположены таким образом, что если продолжить направления поверхностей каждой пластины, то все они сойдутся в одной точке – фокусe решетки. Для правильной работы фокус ре- шетки должен совпадать с фокусом рентгеновской трубки. Большое значение имеет также отношение высоты пластинок к расстоянию между ними – чем оно больше, тем больше эффект поглощения рас- сеянного излучения. При обычных режимах используются решетки с отношением 6:1, 8:1, поглощающие 70–80 % рассеянного излуче- ния, при жестколучевом режиме (свыше 100 кВ), когда рассеянного излучения больше применяют решетки с отношением 10:1. Совре- 12 менные решетки содержат 40–50 пластинок на 1 см (мелкорастро- вые). Вообще решетки бывает трех типов: 1) с фокусированным расположением пластинок; 2) с параллельными пластинками (применяются только при боль- ших фокусных расстояниях); 3) с перекрестным расположением пластинок: на каждый квад- ратный сантиметр в таких решетках приходится по 50 пластинок в каждом из двух направлений, то есть они имеют 2500 точек/см2). Рис. 1.4 Выравнивающие фильтры При рентгенографии часто бывают ситуации, когда в одних участках нужно «приглушить» изображение по сравнению с други- ми. Для этого применяют выравнивающие фильтры в виде пластин из алюминия, ослабляющие пучок в нужных местах. Часть лучей проходит через алюминиевые пластины и ослабляется, а часть про- ходит через просвет между пластинами. Усиливающие экраны Рентгеновское изображение создается на пленке благодаря воз- действию на ее эмульсию двух факторов: самого рентгеновского из- лучения и свечения усиливающих экранов. Непосредственное воз- 13 действие рентгеновских лучей на эмульсию пленок довольно слабое, поэтому почернение пленки происходит на 95 % за счет свечения экранов, возникающего под действием рентгеновского излучения. Усиливающие экраны состоят из четырех слоев: несущего, отража- ющего, светящегося (флюоресцирующего) и защитного (рис. 1.5). Рис. 1.5 Несущий слой выполняют из твердого малопоглощающего рент- геновские лучи материала (картон, пластмасса). Отражающий слой состоит из окиси титана, его назначение – направлять все свечение, возникающее в флюоресцирующем слое, в сторону пленки. Светя- щийся слой толщиной 3–12 мкм состоит из кристаллов вольфрамата кальция, заключенных в прозрачное эластичное вещество. Чем толще светящийся слой, тем выше разрешающая способность экрана. Светя- щийся слой покрыт тонким защитным слоем (обычно это лак), кото- рый предохраняет его от механических повреждений. Так как рентге- новская пленка имеет двустороннюю эмульсию, при рентгенографии применяются два экрана – передний и задний. Есть комплект (напри- мер «Стандарт»), где оба экрана взаимозаменяемы, есть комбинации (например, УФДМ), где задний экран более толстый, чтобы выравни- вать действие излучения, ослабленного при прохождении через плен- ку и передний экран. Экраны делятся на три типа: нежнорисующие, универсальные и высокочувствительные. В перечисленном порядке у них повышается яркость и снижается резкость изображения. Экраны для рентгеноскопии и флюорографии имеют похожую конструкцию, только защитным слоем служит просвинцованное стекло. Светящийся слой в них состоит из кристаллов цинк-кадмий- сульфада, создающих желто-зеленое свечение. Эти экраны должны иметь яркое свечение и короткое послесвечение. Резкость изобра- жения не имеет большого значения, так как разрешающая способ- ность глаза, адаптированного к темноте, относительно невелика. Поэтому величина кристаллов в светящемся слое больше, чем в экранах для рентгеноскопии – до 30 мкм. 14 Рентгеновские пленки Пленки для рентгенографии состоят из нескольких слоев. Несу- щий слой (основа) – из нитрата целлюлозы толщиной 0,2 мм, жел- товато-белого или голубого цвета, прозрачный для видимого света. В настоящее время чаще применяется ацетатная основа, менее опас- ная в пожарном отношении. С двух сторон на пленку нанесен све- точувствительный слой из желатиновой основы, в которой взвеше- ны зерна бромистого серебра. Сверху этот слой закрыт тонким про- зрачным слоем, защищающим от механических повреждений. Дву- сторонняя эмульсия повышает контрастность, так как серые и чер- ные участки, накладываясь друг на друга, взаимно усиливаются в два раза. Пленки для флюорографии имеют одностороннюю эмуль- сию, так как это по сути дела фотография с экрана. Чувствитель- ность пленки измеряется в обратных рентгенах. Чувствительность в 100 обратных рентген означает, что для почернения эмульсии до стандартной степени потребуется доза в 0,01 Р. Если такое же по- чернение вызывает доза, в три раза меньшая, то чувствительность пленки равна 300 обратных рентген. Основные элементы рентгеновского аппарата Основными частями рентгеновского аппарата являются: рентге- новская трубка, высоковольтный генератор (трансформатор), штатив для крепления трубки и расположения пациента, пульт управления. Рентгеновские трубки Рентгеновская трубка состоит из замкнутого стеклянного цилин- дра, в котором находятся катод и анод. Из цилиндра откачан воздух. Стеклянная оболочка трубки выполнена из боросиликатного стекла, задерживающего мягкие лучи (собственная фильтрация трубки). Толщина стекла 1,5–2 мм, что по степени фильтрации эквивалентно слою алюминия толщиной 1 мм. Катод представляет собой вольфрамовую спираль, вмонтирован- ную в фокусирующее устройство для точного направления потока электронов на анод. Анод выполнен в виде массивного электрода с косым срезом, об- ращенным в сторону катода. В центре среза вмонтирована отполиро- ванная вольфрамовая пластинка (анодное зеркало). Участок зеркала, на который падает поток электронов, называется электрическим фо- 15 кусом или фокусным пятном. Его форма и площадь определяются конструкцией катода и фокусирующего устройства. Обычно фокус- ное пятно формируется в виде полоски. Будучи расположенной под углом, полоска фокусируется на пленку в виде квадрата (рис. 1.6). Обычно трубка имеет два фокуса – малый размером 0,3  0,3 мм, ко- гда нужна высокая резкость изображения, и большой до 2  2 мм, когда необходима большая мощность излучения. Под мощностью трубки понимают максимально допустимую мощность, при которой фокус трубки не выходит из строя. Численно она определяется про- изведением напряжения на трубке на ток через нее. Рис. 1.6 Так как при работе анод сильно нагревается, то для предотвра- щения его повреждения аноды мощных трубок выполняют враща- ющимися. В них фокус постоянно меняет положение, и нагрев анодного зеркала не превышает 1000°. Скорость вращения анода – от 5600 до 9000 об/мин. Вращение анода осуществляется за счет подачи на статор, расположенный снаружи трубки, переменного напряжения частотой 50, 100 или 150 Гц. В такой трубке также 16 имеются два фокуса за счет разных углов наклона анодных зеркал (рис. 1.7). Типичная конструкция рентгеновской трубки с вращаю- щимся анодом приведена на рис. 1.8. Ф1 – малый фокус; Ф2 – большой фокус Рис. 1.7 Рис. 1.8 17 Штативы Многочисленные конструкции штативов можно объединить в две группы: универсальные, позволяющие производить рентгено- скопию и рентгенографию, и снимочные. В наиболее распростра- ненных универсальных штативах одной из основных частей являет- ся вертикальная стенка (дека), положение которой можно регулиро- вать (рис. 1.9). Экраноснимочное устройство закреплено на под- вижной каретке вместе с рентгеновской трубкой. Часто применяют также потолочные штативы (рис. 1.10). Рис. 1.9 Рис. 1.10 18 Высоковольтный генератор Это электрическое устройство, позволяющее преобразовывать переменное напряжение сети в постоянное высокое напряжение, подаваемое на трубку. При питании аппарата от однофазной сети 220 В применяют двухполупериодное выпрямление, при питании от трехфазной сети 380 В – 6- или 12-вентильное выпрямление. Как видно на рис. 1.11, питание от трехфазной сети позволяет получить намного меньшие пульсации высокого напряжения, что обеспечи- вает большую однородность рентгеновского излучения. а б Рис. 1.11: а – двухполупериодный выпрямитель; б – трехфазный 6-вентильный выпрямитель; ВТ – высоковольтный трансформатор; Т – рентгеновская трубка; ВН – высокое напряжение на рентгеновской трубке 19 Пульт управления Пульт управления представляет собой устройство для управле- ния режимами работы рентгеновского аппарата. На панель пульта управления обычно выводятся регуляторы анодного тока и напря- жения с показывающими приборами, выключатели сети и высокого напряжения. Кроме того, могут быть выключатели сервомоторов для изменения положения штатива, переговорное устройство, часы и другие сервисные устройства. Виды рентгеновских аппаратов Рентгеновские аппараты в зависимости от назначения могут быть разных типов: переносные, палатные, подвижные и стационарные. Переносные аппараты имеют малый вес и размеры. Количество узлов сведено к минимуму. Для питания используется однофазная сеть, трубка работает с неподвижным анодом. Аппарат обычно находится в чемодане. Палатные аппараты имеют более высокую мощность. Они обыч- но состоят из высоковольтного генератора, смонтированного на те- лежке. На ней же установлена вертикальная штанга, выполняющая функцию штатива. На штанге смонтирован горизонтальный держа- тель с кожухом трубки. Подвижные аппараты также компактны, но имеют более высо- кую мощность, чем предыдущие. Трубка имеет вращающийся анод. Все перечисленные аппараты питаются от однофазной сети. Стационарные аппараты – большие и мощные, выполняются для разнообразных целей, обеспечивают выполнение рентгенографии и рентгеноскопии. Обычно они имеют два рабочих места: универ- сальный штатив и снимочный стол, что позволяет проводить иссле- дование всего организма. Специальные диагностические процедуры выполняют на специ- ализированных аппаратах: ангиографы, маммографы, томографы. Палатный рентгеновский аппарат NANODOR 2 Аппарат выпускался фирмой Siemens в 70-е годы XX века. Он предназначен для рентгенографии и имеет конструкцию, характер- ную для палатных рентгеновских аппаратов (рис. 1.12). 20 Рис. 1.12 На колесной тележке 1 установлен высоковольтный генератор 2, в верхней части которого смонтирован пульт управления 3. Кроме того, на тележке закреплена вертикальная стойка 4, по которой в вертикальном направлении перемещается траверса 5. Перемеще- ние осуществляется с помощью реечной передачи рукояткой 6. На траверсе установлен кожух 7 с рентгеновской трубкой и глубинной диафрагмой 8. Кожух имеет шарниры, позволяющие поворачивать его вокруг двух осей на углы α1 и α2. Рентгеновская трубка имеет неподвижный анод и рассчитана на напряжение до 90 кВ при максимальном токе 20 мА. Глубинная диафрагма имеет конструкцию, аналогичную пока- занной на рис. 1.12. В данном случае роль верхних шторок выпол- няет отверстие в корпусе диафрагмы, нижние шторки представляют собой сменные пластины с отверстиями разной площади. Это поз- воляет при расстоянии фокус-пленка 70 см получать размер снимка от 25,6  35,6 мм до 13  18 мм. 21 Высоковольтный генератор выполнен по схеме двухполупери- одного выпрямителя (аналогично рис. 1.11, а) на основе селеновых полупроводниковых вентилей. Питание аппарата от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В. В верхней части блока генератора установлен пульт управления (рис. 1.13). Пульт имеет следующие органы управления и индикации: – стрелочный индикатор 1 для контроля величины питающего напряжения. Аппарат включается в сеть переключателем 4 (крайнее левое положение – аппарат выключен). Переключатель имеет не- сколько положений для регулирования входного напряжения, пода- ваемого на первичную обмотку высоковольтного трансформатора. Это сделано для использования аппарата в условиях, где величина сетевого напряжения ниже 220 В (в сельской местности, при пита- нии от автономных генераторов и т. п.). При нормальном напряже- нии на первичной обмотке высоковольтного трансформатора стрел- ка индикатора 1 находится в закрашенном секторе; – индикаторные лампочки 2 (зеленая – индикатор включения се- ти) и 3 (красная – индикатор включения высокого напряжения на трубке); – переключатель времени экспозиции 5. Встроенный таймер позволяет задавать время экспозиции от 0,1 до 5,0 секунд; – переключатель 6 величины высокого напряжения на рентге- новской трубке от 50 до 90 кВ; – переключатель величины тока через трубку 7. Величина тока регулируется изменением напряжения накала на катоде трубки; – кнопка дистанционного включения высокого напряжения. Кнопка соединена с высоковольтным генератором с помощью гиб- кого шнура. Перед включением аппарата все переключатели должны нахо- диться в крайнем левом положении. Аппарат включается и пере- ключателем 4 выбирается такое напряжение на первичной обмотке высоковольтного трансформатора, чтобы стрелка индикатора 1 находилась в закрашенном секторе. Затем переключателями 5–7 устанавливаются необходимые значения времени экспозиции, напряжения на трубке и тока через трубку. Аппарат после этого го- тов к работе. 22 Рис. 1.13 Выполнение работы 1. Ознакомиться с теоретическим материалом. 2. Изучить конструкцию аппарата. 3. Ознакомиться с конструкцией элементов аппарата, описанных в теоретическом материале. Содержание отчета 1. Схема компоновки аппарата. 2. Описание элемента конструкции, заданного преподавателем. Контрольные вопросы к лабораторной работе 1. Что такое рентгеновское излучение? 2. Каковы основные параметры рентгеновского излучения? 3. Как формируется рентгеновское излучение? 4. Основные элементы рентгеновского аппарата. Литература Тихонов, К. Б. Техника рентгенологического исследования / К. Б. Тихонов. – Л. : Медицина, 1978. – 280 с. 23 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 ИЗМЕРЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ β-АКТИВНОСТИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И ВОДЫ ПРЯМЫМ МЕТОДОМ И МЕТОДОМ ОБОГАЩЕНИЯ Цель работы: ознакомление с методами и средствами измере- ния радиоактивности. Инструменты и принадлежности к работе 1. Радиометр КРВП-3Б– 1 шт. 2. Исследуемые образцы. Основные положения В связи с широким распространением в природе радионуклидов естественного и искусственного происхождения, в связи с постоянно увеличивающимся применением их в народном хозяйстве радиоак- тивное загрязнение внешней среды носит глобальный характер. Ос- новными источниками загрязнений являются ядерные взрывы и вы- бросы радионуклидов предприятиями ядерной энергетики. Просле- живается тенденция дальнейшего повышения уровня загрязнения. Радиоактивные продукты, образующиеся при ядерных взрывах, проникают в тропосферу и в стратосферу. Крупные частицы выпа- дают вблизи эпицентра, мелкие распространяются на большие рас- стояния и попадают на землю с атмосферными осадками. Радио- нуклиды, попавшие во внешнюю среду, становятся источниками длительного α- и β-облучения растительных и животных организ- мов, попадают в организм человека и животных. Активность этих выпадений в основном обусловлена изотопами 90Sr и 137Cs. Радиационная обстановка при эксплуатации АЭС определяется в основном инертными радиоактивными газами и изотопами йода, а кроме того другими продуктами деления (90Sr, 89Sr, 134Cs, 137Cs и др.), продуктами коррозии (58Co, 60Co, 5lCr и др. ). Для реакторов на быстрых нейтронах основными источниками загрязнений явля- ются 22Na, 24Na, 41Ar. Продукты ядерной энергетики являются ис- точниками α-, β-, γ-облучений. 24 Продукты ядерного деления (ПЯД) поступают в организм чело- века ингаляционным (через органы дыхания, раны и ожоговые по- верхности) и пищевым путем. При ингаляционном поступлении ПЯД радиоактивные частицы задерживаются в верхних дыхатель- ных путях, поступают в легкие, альвеолы, желудочно-кишечный тракт, накапливаются в лимфатических узлах, становятся источни- ками интенсивного облучения. Один из основных источников поступления радионуклидов в ор- ганизм человека – растительная и животная пища, вода. Поступив- шие в организм радионуклиды, претерпевая физико-химические и биологические изменения, накапливаются в клеточных структурах органов и тканей и становятся источником длительного облучения. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, объема облученных тканей и органов, вида излучения. Поглощенная доза излучения измеряется энергией ионизирую- щего излучения, переданного массе облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы – грей (Гр), равная одному джоулю, поглощен- ному одним килограммом вещества (1 Гр = 1Дж/кг = 100 рад). Для оценки возможного ущерба здоровью человека при хрони- ческом облучении введено понятие эквивалентной дозы Н, которая равна произведению поглощенной дозы D на средний коэффициент качества ионизирующего измерения k в данном элементе объема биологической ткани: H = Dk. Единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв), равный 1 Дж/кг (1 Зв = = 100 бэр). Значения коэффициента k приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Вид измерения k Рентгеновское и γ-излучение 1 β-излучение 1 Протоны с энергией < 10 МэВ 10 Нейтроны с энергией < 20 кэВ 3 Нейтроны с энергией 0,1–10 МэВ 10 α-излучение 20 Тяжелые ядра отдачи 20 25 Для оценки ущерба здоровью при неравномерном облучении введено понятие эффективной дозы Нэф, применяемой при оценке возможных злокачественных новообразований Нэф = WТ HT, где HТ – среднее значение эквивалентной дозы в органе или ткани; WТ – коэффициент, равный отношению ущерба облучения всего тела при одинаковых эквивалентных дозах. Значения коэффициента WТ приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Орган или ткань WТ Половые железы 0,25 Молочные железы 0,15 Красный костный мозг 0,12 Легкие 0,12 Щитовидная железа 0,03 Кость (поверхность) 0,03 Остальные органы (ткани) 0,3 Все тело 1,0 Методы измерений активности Основной закон радиоактивного распада имеет вид: dN/dt = –λN, где N – число атомов радионуклида на данный момент времени; λ – постоянная распада этого радионуклида. Период полураспада равен T1/2 = ln2/λ. При этом число остав- шихся радиоактивных атомов спустя промежуток времени t опреде- ляется соотношением: N(t) = N0·exp(–λt) = N0·ехр(–ln2t/T1/2). Активность радионуклида представляет собой уменьшение чис- ла его ядер за интервал его времени dt и, следовательно, для нее 26 справедливо выражение A = λN и A(t) = А0·ехр(–λТ). Единица актив- ности в системе СИ – 1 Беккерель (1 Бк), представляющий собой один распад в секунду. Исторически первая единица радиоактивно- сти – Кюри (1 Кю), т. е. радиоактивность радона, находящегося в равновесии с 1 г радия. 1 Кю = 3,7·1010 Бк. Одному Бк соответ- ствует T1/2 = ln2 атомов (T1/2 в секунду). Для измерения радиоактивных излучений используют приборы, основанные на ионизационных явлениях в газах, вызываемых излуче- нием и приборы, основанные на влиянии излучения на твердые тела. Ионизационные приборы Если в объеме газа под влиянием облучения образуются ионы, то появляется ток, зависящий от величины приложенного напряжения U (рис. 2.1). В зоне I напряженность поля такова, что почти все ио- ны успевают дойти до электродов до их рекомбинации, и ионизаци- онный ток I не зависит от U, а только от плотности потока частиц или мощности дозы. Этот режим является основным для работы ионизационных камер. Прибор с ионизационной камерой (рис. 2.2) состоит из камеры К с двумя электродами (внутренним и внешним), источника напряжения, показывающего прибора G и измерительно- го высокоомного резистора R. Ионизационный ток измеряют по ве- личине падения напряжения на резисторе R. Диапазон измерения таких приборов 10-6–105 Гр/ч. Область II – так называемая область пропорциональности. Кине- тическая энергия ионов настолько велика, что они при соударениях вновь образуют пары ионов. Коэффициент газового усиления со- ставляет 103–105, кроме того, по числу первично образованных ионов можно определить вид и энергию излучения. В этой области работают пропорциональные счетчики, имеющие высокую чувстви- тельность. Область III – область с самостоятельным разрядом. Каждая пер- вичная ионизация вызывает возникновение разрядных импульсов в камере. В таком режиме работают счетчики актов испускания (Гейгера–Мюллера), имеющие коэффициент газового усиления 107– 1010, что позволяет использовать их для регистрации очень малых активностей. Однако соотношение между результатом измерения и измеряемой величиной зависит от энергии частиц, и установить его практически невозможно. 27 Рис. 2.1 Рис. 2.2 Приборы, основанные на воздействии излучения на твердые тела 1. Полупроводниковые детекторы Поглощенное излучение создает в диоде пары электрон-дырка, которые наводят электрический сигнал. Преимущество полупро- водниковых детекторов в том, что для образования пары электрон- дырка требуется примерно в десять раз меньше энергии, чем для образования пары ионов в ионизационной камере. Однако суще- 28 ственным недостатком является сильная зависимость характеристик от температуры и энергии излучения. 2. Сцинтилляционные счетчики В некоторых материалах (например, в кристаллах NaI) под дей- ствием излучения возникают световые вспышки малой продолжи- тельности, которые с помощью ФЭУ преобразуются в электриче- ские сигналы. Эти счетчики имеют высокую чувствительность, но установление точной зависимости между входным и выходным сигналом достаточно трудоемко. 3. Термолюминесцентные детекторы У некоторых тел, подвергшихся облучению, электроны, подня- тые облучением на более высокие энергетические уровни, при нагреве могут быть возвращены в исходное состояние. Часть вы- свобождающейся при этом энергии может излучаться в виде термо- люминесцентного свечения, которое поддается измерению (кри- сталлы LiF; CaF2; CaSO4; Li2B4O7). 4. Радиолюминесцентные детекторы Под воздействием излучения некоторые материалы изменяют характер поглощения ими светового потока. Возникающие при этом центры люминесценции используют для обнаружения ионизирую- щего излучения. Расшифровывающий прибор возбуждает люми- несцентные центры и измеряет получившийся световой поток. 5. Окрашиваемые детекторы Многие вещества (стекло, кварц, алмаз и др.) под влиянием боль- ших доз облучения окрашиваются. Этот эффект после градуировки может быть использован в дозиметрии. 6. Фотографические детекторы В этом случае используется эффект воздействия излучения на фотопластинку. По степени ее почернения судят о величине излу- чения. Диапазон измерения 10 мкГр–10 Гр (или 10 мкЗв–10 Зв в до- зиметрии). Преимущество этого способа в том, что можно опреде- лить не только количество излучения, но и качество, направление. 29 7. Химическая дозиметрия В некоторых веществах под действием излучения восстанавли- ваются ионы (дозиметр Фрикке), происходят химические изменения в полимерах, образуются свободные радикалы в некоторых органи- ческих веществах. Эти изменения могут быть обнаружены по спо- собу электронно-спинового резонанса, при помощи окрашиваю- щихся жидкостей или на основе люминесценции. Такие способы подходят для измерения больших доз. 8. Экзоэлектрическая дозиметрия Во многих непроводящих веществах (BeO; BaSO4; SrSO4) при по- глощении излучений электроны переходят на более высокие энер- гетические уровни, затем под воздействием тепла или света могут вылетать с поверхности материала. Их число может быть определе- но электронным счетчиком. Такой способ позволяет определять ма- лые дозы излучения (от 10–8 Гp). Радиометр КРВП-3Б Основные технические данные 1. Назначение. Радиометр КРВП-3Б предназначен для измерения объемной β-активности пищевых продуктов и воды прямым методом и мето- дом обогащения. 2. Технические характеристики. 2.1. Радиометр обеспечивает измерение объемной β-активности воды и пищевых продуктов, загрязненных β-активными веществами в пределах: а) прямым методом от 510–9 до 510–6 Кю/л при измерении ак- тивности воды и пищевых продуктов; б) методом с предварительным обогащением от 1·10-10 до 1·10-8 Кю/л при измерении β-активности воды, загрязненной радио- нуклидами стронций-90 + иттрий-90. 2.2. Пределы допускаемых значений основной погрешности: 20 % относительно измеряемого значения. 2.3. Дополнительные погрешности измерений не более: а) ±5 % при изменении напряжения питающей сети на ±10 %; 30 б) ±10 % при изменении температуры окружающей среды на 10 °С в пределах от 25 до 50 °С и от 15 до –10 °С; в) ±5 % при наличии постоянного магнитного поля напряженно- стью 5 Э, переменного магнитного поля напряженностью 1 Э при частоте 400 ± 8 Гц и 5 Э при частоте 50 ± 1 Гц. 2.4. Предельная частота счета импульсов пересчетного блока со- ставляет 2000 с–1; объем счета 105 имп. 2.5. Пересчетный блок обеспечивает счет импульсов входного сигнала, имеющего параметры: а) импульсы отрицательной полярности; б) амплитуда импульсов 0,5–10 В; в) длительность импульсов не менее 2 мкс. 2.6. Пересчетный блок обеспечивает регулировку уровня дискре- тизации входного сигнала от 0,5 до 10 В. 2.7. Питание радиометра осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 ± 22 В или 127 ± 12,7 В частотой 50 ± 1 Гц, содержание гармоник до 5 %. Время установления рабочего режима не более 5 мин. 2.8. При β-измерениях мощность экспозиционной дозы внешнего γ-излучения не должна превышать 72 мкР/ч. Принцип работы Радиометр представляет собой установку счета импульсов с бло- ком детектирования β-излучения и блоком обработки, с помощью которого на катионообменные и анионообменные фильтры проис- ходит осаждение β-активных катионов и анионов. Измерение β-активности воды и пищевых продуктов основано на измерении с помощью пересчетного устройства и секундомера чис- ла импульсов, поступающих с блока детектирования за определен- ное время. В качестве детектора β-излучения используется низко- вольтный галогенный счетчик типа СБТ10А, заключенный в свин- цовый домик для снижения внешнего γ-излучения. В качестве блока обогащения при измерении β-активности воды в диапазоне 10–10–10–8 Кю/л используется блок обработки. Блок-схема радиометра Радиометр состоит из следующих блоков: 1) блок обработки; 2) блок детектирования β-излучения; 31 3) пересчетный блок, который включает в себя следующие кас- кады: – дискриминатор; – усилитель; – формирующее устройство; – пересчетную декаду; – узел проверки; – секундомер; – блок питания. Импульсы, возникающие в блоке детектирования, по кабелю че- рез дискриминатор и усилитель попадают на формирующий каскад. В качестве формирующего каскада используется ждущий муль- тивибратор, обеспечивающий необходимый по амплитуде и дли- тельности импульс для запуска первого каскада пересчетных декад. Пересчетная схема включает в себя 5 пересчетных декад на де- катронах СГ-4 и обеспечивает предельный объем счета 105 имп. с непосредственной визуальной индексацией числа зарегистриро- ванных импульсов. Для определения средней скорости счета, статически распреде- ленных во времени импульсов пересчетный блок включает в себя часы 59ЧП, синхронно связанные с пуском и остановкой пересчет- ной схеме. Все питание пересчетной схемы и блоков детектирования осу- ществляется от блока питания, расположенного в пересчетном блоке. В радиометре предусмотрена возможность проверки работоспо- собности пересчетной схемы с помощью переменного напряжения частотой 100 Гц, полученного путем преобразования из напряжения сети 50 Гц двухполупериодным выпрямителем. Блок детектирования β-излучения Детектором β-излучения является галогенный счетчик типа СБТ10А. Тонкое слюдяное окно (плотность слюды 5–0,5 мг/см) с пло- щадью 35 см2 позволяет регистрировать β-излучение с энергией от 0,1 МэВ и выше. Импульсы, возникающие под действием β-частиц и γ-квантов, усиливаются и по кабелю передаются на вход пере- счетного блока. Собственный фон счетчика СБТ10А не превышает 2,1 с–1. 32 Блок смонтирован в плоском пластмассовом корпусе. Со сто- роны рабочей поверхности счетчика отверстие крышки защищено триацетатной пленкой толщиной 10 мкм (ρ  1,3 мг/см3). Блок уста- новлен на специальном держателе в свинцовом домике с толщиной стенок 30 мм, чтобы уменьшить влияние γ-фона на результаты измерения. Передняя стенка откидывается, открывая доступ внутрь домика. Блок детектирования β-излучения прикреплен к верхней стенке домика, к боковым стенкам домика прикреплена рамка с направляющими для установки кюветы с водой или продуктами питания, или кассеты с фильтром. Внешний вид блока детекти- рования показан на рис. 2.3, а, с откинутой передней стенкой – на рис. 2.3, б. а б Рис. 2.3 Блок пересчетный Схема пересчетного блока содержит дискриминатор, усилитель, формирующий каскад, пересчетные декады, узел проверки, блок питания. 33 Отрицательные импульсы со счетчика СБТ10А блока детектиро- вания поступают на амплитудный дискриминатор, стоящий на вхо- де пересчетной схемы. Дискриминатор предназначен для устране- ния шумов ФЭУ в блоках детектирования. С дискриминатора сигнал поступает на усилительный каскад. Формирующий каскад служит для запуска первого пересчетного каскада. В качестве формирующего каскада используется ждущий мультивибратор с катодной связью. Выходной отрицательный им- пульс с мультивибратора амплитудой 150–200 В и длительностью 200 мкс подается на запуск первого каскада пересчетной схемы (де- катрона). Пересчетная декада служит для регистрации и визуального от- счета поступающих на вход импульсов. Пересчетная декада собрана на декатроне ОГ-4. На каждые 10 входных импульсов декатрон выдает один импульс амплитудой 15 В, который затем усиливается до 150 В и запускает следующий де- катрон. Аналогично работают следующие декатроны, обеспечива- ющие объем счета 105. Узел проверки служит для определения работоспособности пе- ресчетного блока. В качестве сигнала используется частота сети, преобразованная с помощью усилителя. Частота пульсации, снима- емая с выпрямителя, будет равна удвоенной частоте сети, т. е. 100 Гц для частоты сети 50 Гц. Пуск, остановка и сброс счета с декатронов осуществляется при помощи контактной группы, смонтированной в секундомере 59 ЧП. На лицевой панели блока расположены все органы управления: выключатель питающей сети, тумблер «Работа – Проверка», ось резистора регулировки уровня дискриминации (под шлиц), часы 59 ЧП с кнопкой «Пуск» и ручкой «Завод». Для подсчета количе- ства зарегистрированных импульсов на лицевую панель выведены декатроны. Номерная шкала декатронов дает возможность отсчиты- вать количество импульсов при остановке счета. Внешний вид бло- ка показан на рис. 2.4. 34 Рис. 2.4 Блок обработки Блок обработки служит для получения обогащенных проб из во- ды при измерении малых β-активностей (10–10–10–8 Кю/л). При этом применяется метод предварительного обогащения с использовани- ем катионо-анионообменных фильтров, придаваемых к радиометру. Для этого резервуар блока обработки, в котором закреплены филь- тры в специальных кассетах, заполняется контролируемой водой. Катионо- и анионообменные фильтры обрабатываются в контроли- руемой воде в течение 15 мин, а затем подсушиваются фильтро- вальной бумагой. Активность обработанного и подсушенного фильтра измеряется с помощью блока детектирования β-излучения и пере- счетного блока. Чувствительность радиометра за счет применения катионо- и анионообменных фильтров увеличивается и при этом обеспечивается измерение объемной β-активности воды с активно- стью от 10–10 до 10–8 Кю/л. В состав блока обработки входят резервуар для контролируемой воды и электродвигатель с крыльчаткой для перемешивания пробы. Внешний вид блока обработки показан на рис. 2.5, а и б (с откры- тым кожухом). 35 а б Рис. 2.5 Выполнение работы 1. Ознакомиться с теоретическим материалом. 2. Подготовить радиометр к работе. 2.1. Ознакомиться с расположением и назначением органов вклю- чения и управления, расположенных на лицевой панели радиометра. Примечания: 1) уровень дискриминации не регулировать; 2) пуск секундомера осуществляется после поворота кнопки «Пуск» влево с последующим нажатием. 2.2. Установить переключатель на пересчетном блоке в положе- ние «Выкл.». Проверить завод часов, установить секундомер в ис- ходное состояние кнопкой «Пуск». 36 2.3. Подать напряжение на пересчетный блок. Выключатель сети пересчетного блока поставить в положение «Сеть», при этом долж- на загореться сигнальная лампочка и засветиться декатроны. 2.4. По истечении 5 минут убедиться в исправности радиометра, для чего: перевести переключатель РАБОТА – ПРОВЕРКА в поло- жение ПРОВЕРКА, нажатием кнопки секундомера «Пуск» вклю- чить пересчетную схему и через 10 с повторным нажатием кнопки «Пуск» остановить секундомер и пересчетную схему. Количество зарегистрированных декатронами импульсов должно быть равно 1000±30, что будет соответствовать частоте 50 Гц. Для большей точности можно взять время 100 с, тогда количество зарегистриро- ванных импульсов должно быть 10000±300 имп. 3. Проверить собственный фон блока детектирования. Для этого: 3.1. Подсоединить блок детектирования к пересчетному блоку. 3.2. Переключатель РАБОТА – ПРОВЕРКА поставить в режим РАБОТА. 3.3. Нажатием кнопки секундомера «Пуск» включается пере- счетная схема и определяется число импульсов, регистрируемое радиометром от внешнего β-излучения. Время измерения не менее 10 минут. 3.4. По истечении этого времени путем нажатия кнопки «Пуск» пересчетная схема и секундомер останавливаются, и определяется собственный фон. 3.5. Повторным нажатием кнопки «Пуск» пересчетная схема и секундомер переводятся в исходное состояние. 3.6. Под рабочее окно блока детектирования β-излучения на верх- ние направляющие помещается источник β-излучения, прилагаемый к радиометру, включаются секундомер и пересчетная схема, опреде- ляется суммарное число импульсов за время не менее 1 минуты. После этого определяется эффективность регистрации n: ôN N n A   , где n – эффективность регистрации β-частиц; N – скорость счета, зарегистрированная радиометром при изме- рении внешнего излучения источника; 37 NФ – скорость счета фона, с–1; А – внешнее излучение источника, с-1 (А = 182 с–1). Для источника с радионуклидами стронций-90 + иттрий-90 n = 0,48±0,10. 4. Измерение объемной активности β-излучающих нуклидов в про- бах прямым методом. 4.1. Произвести измерение собственного фона блока детектиро- вания. Время измерения собственного фона должно быть равно вре- мени измерения пробы, но не менее 10 минут. Измерение фона производится ежедневно путем регистрации скорости счета Nф с пустой измерительной кюветой или с «чистой» фоновой пробой (не загрязненной радиоактивными веществами) в измерительной кювете. Если по результатам измерений фона его значение будет более 2,1 с–1, то внутренние поверхности свинцового домика и кювета подлежат дезактивации. 4.2. В кювету после измерения фона налить 100 мл воды или жидкого пищевого продукта или насыпать приготовленную пробу пищевых продуктов, тщательно по внутренней кромке кюветы раз- ровнять пробу. 4.3. Кювету с пробой поместить в свинцовый домик на верхнюю полку держателя, под рабочее окно детектора. 4.4. Нажатием кнопки «Пуск» включить секундомер и пересчет- ную схему и произвести измерение, определив скорость счета N контролируемой пробы. Продолжительность измерения согласно табл. 2.3. Таблица 2.3 Объемная активность, Kю/л Продолжительность измерения, мин Среднеквадрати- ческое отклонение, % 5·10–9 30 50 5·10–8 15 30 5·10–7 3 3 5·10–6 1 1 4.5. По результатам измерений произвести расчет объемной ак- тивности пробы по формуле 38 ôN N q P   , где q – объемная активность пробы, Kю/л; N – скорость счета импульсов пробы, с–1; Р – значение чувствительности радиометра к смеси радионукли- дов в пробе, л/(с·Kю), рассчитанное по формуле 1 k i i i P P    , где Рi – чувствительность к i-му радионуклиду, см. табл. 2.4; εi – относительное содержание i-го радионуклида в смеси ради- онуклидов, загрязняющих пробу; k – количество радионуклидов в смеси. Пример. Определить чувствительность радиометра Р, если ради- онуклидный состав загрязнения пробы следующий: 137Cs и 134Cs – 30 %; 106Ru + 106Rh – 20 %; 90Sr + 20Y – 10 %; 144Се + 144Pr – 40 %; P = 1,2  107  0,3 + 5,6  107  0,2 + 4,1  107  0,1 + 5,2  107  0,4 = = 3,97  107 л/(с·Kю). Таблица 2.4 Чувствительность радиометра Р при измерении объемной активности стандартных образцов имитаторов проб Радионуклидный состав имитанта Чувствительность радиометра, л/(Kю·c) 137Cs, 134Cs 1,2  107 90Sr + 90Y 4,1  107 144Ce + 144Pr 5,2  107 106Ru + 106Rh 5,6  107 40K 4,1  107 39 5. Измерение объемной активности радионуклидов 90Sr + 90Y в воде методом обогащения. 5.1. Произвести измерение собственного фона, для чего: 1) закрепить катионообменный фильтр в кассете; 2) кассету с фильтром поместить в свинцовый домик на нижнюю полку держателя, под рабочее окно детектора (при этом выпуклая сторона кассеты должна быть обращена к детектору), закрыть свин- цовый домик; 3) нажатием кнопки «Пуск» включить пересчетную схему и опре- делить скорость счета фона NФ в течение времени, согласно табл. 2.5; 4) извлечь кассету с фильтром. 5.2. Произвести обработку фильтра, для чего: 1) открыв замки крепления верхней крышки, открыть резервуар блока обработки; 2) закрепить кассету с фильтром; 3) резервуар заполнить исследуемой жидкостью в количестве 2,5 л; 4) довести рН исследуемой жидкости до 3 азотной кислотой, контролируя рН с помощью универсальной индикаторной бумаги; 5) закрепить резервуар и включить электродвигатель; 6) по истечении 15 минут выключить электродвигатель, открыть резервуар и снять кассету с обработанным фильтром; 7) положить кассету между сложенными вчетверо кусками фильт- ровальной бумаги и слегка прижать их руками, что должно приве- сти к сушке фильтра. 5.3. Порядок измерения обработанного фильтра: 1) поместить кассету с обработанным фильтром в свинцовый домик на нижнюю полку держателя под рабочее окно детектора (при этом выпуклая сторона кассеты должна быть обращена к детектору); 2) нажатием кнопки секундомера «Пуск» включить пересчетную схему и провести измерение, определив суммарную скорость счета обработанного фильтра. 5.4. Вычислить значение объемной активности воды по формуле 10 ô4 10 ( )g N N    , где g – объемная активность воды, Kю/л; N – скорость счета фильтра, с–1; Nф – собственный фон радиометра, с–1. 40 5.5. Продолжительность измерения проб воды с различной удель- ной активностью ориентировочно выбрать из табл. 2.5. Таблица 2.5 Объемная активность, Kю/л Продолжительность измерения, мин Среднеквадрати- ческое отклонение, % 1,0  10–10 15 30 5,0  10–9 3 3 5,0  10–8 1 1 Содержание отчета 1. Структурная схема аппарата. 2. Результаты измерений образцов. 3. Выводы по результатам измерений. Контрольные вопросы к лабораторной работе 1. Основные источники радиоактивного загрязнения окружаю- щей среды. 2. Как радионуклиды поступают в организм человека? 3. От чего зависит эффект облучения? 4. Что такое эффективная доза облучения? 5. Методы измерения активности. Литература Матвеев, В. В. Приборы для измерения ионизирующих излуче- ний / В. В. Матвеев, Б. И. Хазанов. – М. : Атомиздат, 1972. 41 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 ИЗУЧЕНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ЖИВУЮ ТКАНЬ Цель работы: ознакомиться со свойствами электродной цепи; с особенностями прохождения электрического тока через живую ткань; изучить зависимость импеданса живой ткани от частоты электрического тока. Инструменты и принадлежности к работе 1. Аппарат для гальванизации «Поток» – 1 шт. 2. Генератор Г3-58 – 1 шт. 3. Микроамперметр – 1 шт. 4. Вольтметр – 1 шт. 5. Электроды. Указания по технике безопасности 1. Проверить заземление приборов. 2. При работе с генераторами ГЗ-56 в начале измерений регуля- тор амплитуды напряжения должен быть установлен в крайнее ле- вое положение, когда выходное напряжение минимально. 3. При переходе с одного диапазона на другой обязательно сво- дить напряжение к нулю. Нажимать кнопку переключателя диапа- зона частот при наложенных электродах и поданном напряжении категорически запрещается. При появлении неприятных ощущений в месте наложения электродов, дальнейшее повышение амплитуды напряжения немедленно прекратить. 4. Выполнять измерения только в присутствии преподавателя. Основные положения Электроды Электроды – проводники специальной формы, с помощью кото- рых орган, поверхность кожи и т. д. включаются в электрическую цепь. Электроды применяются как для съема электрических потен- циалов, имеющихся в живом организме (получение электрограмм), так и для подведения внешнего электрического воздействия 42 (например, при гальванизации, реографии, электростимуляции). Особый случай представляют электроды, используемые в высоко- частотной электрохирургии, а также микроэлектроды для физиоло- гических исследований. Медицинская практика налагает на электроды специфические требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, обла- дать постоянством электрических параметров, эластичностью, проч- ностью, не давать помех, не оказывать раздражающего действия. Биоэлектрические сигналы, обусловленные функциональной ак- тивностью органов и систем человека, имеют малую амплитуду и занимают область низких частот. Поэтому важнейшее требование к электродам – передать снимаемый биоэлектрический сигнал на измерительный прибор и подвести внешнее электрическое воздей- ствие к органу с минимальными потерями. Рассмотрим эквивалентную схему первичного участка электриче- ской цепи, применяемой для измерения биопотенциала (рис. 3.1). Рис. 3.1 Источник с ЭДС Е на этой схеме моделирует наличие биопотен- циала с соответствующей амплитудой, Rх – сопротивление тканей, кожи и электродов (переходное сопротивление), Rвх – входное со- противление любой усилительной или измерительной системы, I – ток, обусловленный источником биопотенциалов. Из рис. 3.1 видно, что Uвх = IRвх. Поскольку âõ x E I R R   , то âõâõ âõ âõ1x x E R E U R R R R      . 43 Из выражения для Uвх видно, что напряжение, поступающее на вход усилителя меньше, чем значение биопотенциала Е. Потери в по- лезном сигнале, поступающем на вход усилительного или регистри- рующего устройства, уменьшаются с уменьшением переходного со- противления Rx и увеличением Rвх. Придерживаются правила, что входное сопротивление усилителей для электрофизиологических ис- следований должно в 10–20 раз превышать наибольшее возможное электрическое сопротивление объекта. Величину переходного сопро- тивления стремятся сделать минимальной для того, чтобы потери в регистрации слабых биологических сигналов были как можно меньше. Переходное сопротивление зависит от типа металла электрода, площади соприкосновения электрода с кожей, свойств кожи. Для чи- стой сухой кожи переходное сопротивление составляет около 1 МОм. Марлевая прокладка, смоченная физиологическим раствором, снижа- ет его до десятков кОм. Еще более снижают переходное сопротивле- ние специальные электропроводящие пасты. Снижение переходного сопротивления можно достичь за счет увеличения площади контакта электрода с кожей. Однако при этом ухудшается локализация источ- ника биопотенциала и возрастают помехи в регистрации. В месте контакта электрода с кожей происходит диффузия элек- тронов из металла в электролит и возникает электродный потенци- ал. С учетом наличия электродного потенциала и различий в элек- трических свойствах кожи и кровенаполненной ткани эквивалент- ную схему электродной цепи при регистрации биопотенциалов можно представить в виде, показанном на рис. 3.2. Рис. 3.2 44 Здесь источник с ЭДС Еб моделирует генерируемый биопотен- циал, Rтк – сопротивление кровенаполняемых тканей тела, Rк – со- противление кожи, Е1 и Е2 – электродные потенциалы, Rэ – сопро- тивление электрода, Ск – емкость кожи. Если электродные потенциалы обоих электродов одинаковы, то они компенсируют друг друга. Если они не одинаковы, то возникает ошибка в измерении 1 2E E E   . Чтобы избежать этой ошибки, электроды изготавливают из одного и того же материала (металла) и одинаковым образом накладывают на кожу Эквивалентная схема живой ткани и зависимость импеданса живой ткани от частоты В структуре биологической ткани выделяются компоненты, ко- торые обладают свойствами электролитов (цитоплазма, тканевая жидкость) и свойствами диэлектриков (клеточные мембраны). Сле- довательно, в выражении для полного сопротивления (импеданса) живой ткани должна входить как активная составляющая (омиче- ское сопротивление R), так и реактивная (емкостное сопротивление, определяемое емкостью С и циклической частотой переменного тока ω). Если считать эти виды сопротивлений соединенными по- следовательно, то формула для импеданса живой ткани имеет вид   22 1Z R C   . Эквивалентные схемы живой ткани, применяемые для модели- рования различных случаев прохождения тока через ткань, должны, следовательно, включать в себя некоторые омические сопротивле- ния и емкости. Соединения же этих элементов в эквивалентные электрические схемы должны соответствовать реальным экспери- ментальным фактам и теоретическим положениям. Упрощенная эквивалентная схема живой ткани, удовлетворяю- щая этим требованиям, представлена на рис. 3.3, а. Активную составляющую импеданса, обусловленную сопротив- лением тканевых электролитов, на этой схеме отображают сопро- тивления R1 и R2, а емкостную – конденсатор емкости С. Для по- стоянного тока (ω = 0) общее сопротивление такой схемы Z = R1 45 и определяет сопротивление ткани постоянному току. При увеличе- нии частоты ω общее сопротивление начинает уменьшаться за счет уменьшения емкостного сопротивления конденсатора, соединенно- го последовательно с сопротивлением R2. Если бы сопротивление R2 в эквивалентной схеме отсутствовало, то импеданс стремился бы к нулю при ω → ∞. На самом деле живая ткань обладает конечным сопротивлением даже на весьма высоких частотах, и наличие в схе- ме резистора R2 ограничивает падение сопротивления на высоких частотах. В предельном случае при ω → ∞ общее сопротивление 1 2 1 2 R R Z R R    . Зависимость импеданса такой схемы от частоты показана на рис. 3.3, б и соответствует реальной частотной зависимости импе- данса живой ткани. а б Рис. 3.3 46 Импеданс тканей и его реальная зависимость от частоты пере- менного тока определяются физиологическим состоянием и морфо- логическими особенностями ткани. Например, при разрушении клеточных мембран под действием повреждающих факторов зави- симость импеданса от частоты становится менее выраженной. О сте- пени жизнестойкости тканей можно судить по отношению импе- данса на низких и высоких частотах. Коэффициент жизнестойкости ткани (К) вводят отношением импеданса на частоте ωl = 103 Гц к его значению на частоте ω2 = 106 Гц: ( 1 êÃö) ( 1 Ì Ãö) Z K Z    . В частности, этот метод может быть использован для оценки ка- чества трансплантата. Импеданс тканей изменяется периодически в такт с изменением пульсового кровенаполнения ткани. На измерениях этих периоди- ческих колебаний импеданса основан диагностический метод опре- деления характеристики кровенаполнения ткани, называемый рео- графией (импедансной плетизмографией). Более подробно описание физических основ этого метода дано в другой методической разра- ботке кафедры. Выполнение работы 1. Ознакомиться с устройством аппарата гальванизации. 2. Для измерения сопротивления участка тела постоянному току собрать схему, показанную на рис. 3.4. Рис. 3.4 47 3. Электроды Э1 и Э2 через марлевые прокладки, смоченные со- левым раствором, укрепить на поверхности предплечья. При не- скольких значениях напряжения (от 5 до 15 В), измеряемого вольт- метром (V), определить силу тока между электродами, измеряемую микроамперметром (мкА). Рассчитать сопротивление участка тела между электродами и привести его среднее значение. 4. Для измерения зависимости сопротивления биологической ткани от частоты собрать схему, показанную на рис. 3.5. Рис. 3.5 5. Предплечье положить на подставку с электродами Э1 и Э2 На электроды должна быть наложена марлевая прокладка, смоченная солевым раствором. На частотах в диапазоне от 20 Гц до 200 кГц при напряжении 3–10 В, полученных от генератора электрических сигналов, опреде- лить микроамперметром силу тока через участок тела между элек- тродами Э1 и Э2. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 3.1). Таблица 3.1 ω, Гц lgω U, В I, мА Z, кОм 6. Построить график зависимости Z = f(lgω) (логарифмический масштаб выбирается для удобства построения). 48 Содержание отчета 1. Схемы измерения. 2. Результаты измерений и расчетов по пп. 3, 5. 3. График в соответствии с п. 6. 4. Выводы по результатам работы. Контрольные вопросы к лабораторной работе 1. Чем отличается прохождение через биологическую ткань по- стоянного и переменного токов? 2. Что такое импеданс цепи, от чего он зависит, и как его вычис- ляют? 3. Как зависит импеданс живой ткани от частоты переменного тока? 4. Какими морфологическими структурами определяется актив- ная и емкостная составляющие импеданса биологической ткани? 5. Что характеризует поляризация биологической ткани? Литература Лещенко, В. Г. Медицинская и биологическая физика: учебное пособие / В. Г. Лещенко, Г. К. Ильич. – Минск : Новое знание, 2012. – 552 с. 49 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ОСОБЕННОСТЯМИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА И ЕГО БИОЛОГИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ Цель работы: ознакомиться со свойствами поляризованного све- та; изучить механизмы воздействия света на биологические ткани. Инструменты и принадлежности к работе 1. Лампа поляризационная «Биоптрон» – 1 шт. 2. Держатель лампы (штатив) – 1 шт. 3. Прозрачный сосуд с терморезистором СТ1-18 – 1 шт. 4. Измеритель R, L, C Е7-8 – 1 шт. Основные положения Введение Фототерапия, имеющая глубокие исторические корни и уже дав- но занявшая важное место в практической медицине, в последнее время переживает новый этап в своем развитии. Наряду с активным использованием лазерного излучения в комплексной терапии боль- ных различного профиля разрабатывается еще целый ряд перспек- тивных направлений светолечения. К их числу относятся примене- ние с лечебно-профилактическими целями белого света, внедрение в медицинскую практику люминесцентных источников света, а также разработка и использование в светолечении узкополосного спектра излучения с различной длиной волны. Весьма модным ста- новится использование при различных болезнях и с профилактиче- скими целями поляризованного света, изучение его биологического действия и особенностей влияния на отдельные системы организма. Большую актуальность это направление приобрело в связи с широ- ким внедрением в различных странах прибора «Биоптрон» (Швей- цария), являющегося источником плоско поляризованного света в диапазоне 400–2000 нм. 50 Особенности поляризованного света по сравнению с неполя- ризованным Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Электромагнит- ная волна характеризуется векторами напряженности Е электриче- ского и индукции В магнитного полей. Возможность существования электромагнитных волн обуслов- лена тем, что существует связь между переменными электрическим и магнитным полями. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Существует и обратное явление: переменное во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Электромагнитные волны в зависимости от длины волны λ (или частоты υ = с/λ) разделены условно на следующие основные диапа- зоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, ви- димый спектр, ультрафиолетовые волны и гамма-лучи. Такое раз- деление электромагнитных волн основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с веществом. Несмотря на то, что свойства электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений Максвелла. Величины Е и В в электромагнитной волне в простей- шем случаи меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направ- лении Z, являются: Ех = Е0sin(ωt – kx + α0); By = B0sin(ωt – kx + α0), где ω = 2πυ – циклическая частота, υ – частота; k = 2π/λ – волновое число; α0 – начальная фаза колебаний. Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т. е. колебания векторов напряженности Е переменного электрического и индукции В переменного магнитного поля взаимно перпендику- лярные и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору V скорости распространения волны. Векторы V, E и В образуют правовинтовую систему: из конца вектора V поворот от Е к В на наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 4.1). 51 Рис. 4.1 Из формулы следует, что вектора Е и В в электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т. е. они одновре- менно обращаются в нуль и одновременно достигают максималь- ных значений (рис. 4.2). Рис. 4.2 Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов, характеризующих элек- тромагнитную волну. Обычно все рассуждения ведутся относитель- но светового вектора – вектора напряженности Е электрического поля (при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электро- ны в атомах вещества). Свет представляет собой суммарное электромагнитное излуче- ние множества атомов. Атомы же излучают световые волны незави- 52 симо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в це- лом, характеризуется всевозможными равновероятными колебани- ями светового вектора. В данном случае равномерное распределение вектора Е объясня- ется большим числом атомарных излучателей, а равенство ампли- тудных значений векторов Е одинаковой (в среднем) интенсивно- стью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равно- вероятными ориентациями вектора Е называется естественным. Неполяризованный (естественный) свет испускают большинство ти- повых источников, например лампы накаливания. Свет, в котором направление колебаний светового вектора ка- ким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется пре- имущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора Е (рис. 4.3, а), то мы имеем дело с частично поляризован- ным светом. Свет, в котором вектор Е колеблется только в одном направле- нии, перпендикулярном лучу (рис. 4.3. б), называется плоско поля- ризованным (линейно поляризованным). Рис. 4.3 Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распростра- нения этой волны, называется плоскостью поляризации. Плоско по- ляризованный свет является предельным случаем эллиптически по- ляризованного света – света, для которого вектор Е изменяется со а б 53 временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоско- сти, перпендикулярной лучу (рис. 4.4, а). Если эллипс поляризации вырождается в прямую, то имеем дело с рассмотренным выше плоско поляризованным светом, если в окружность, то имеем дело с циркулярно поляризованным светом (рис. 4.4, б и в). а б в Рис. 4.4 Поляризация также может быть вертикальной (рис. 4.5) и гори- зонтальной (рис. 4.6). Рис. 4.5. Вертикальная поляризация 54 Рис. 4.6. Горизонтальная поляризация Е и В взаимно ортогональны и составляют правую тройку, что позволяет ограничиться рассмотрением ориентации вектора элек- трической напряженности Е. Именно его поведение и определяет состояние поляризации света. Если конец вектора Е описывает в пространстве хаотическую кривую (проекция на плоскость X-Y не демонстрирует преимущества ни одной ориентации) говорят о есте- ственном или неполяризованном свете. Конечно, предполагается, что наблюдение ведется в течение времени, много большего перио- да световой волны (порядка 10–15 с). Если временные изменения вектора Е подчиняются строгому за- кону, то говорят о полностью поляризованном свете. При этом если вектор колеблется в одной плоскости, то такой свет называют ли- нейно или плоско поляризованным. Если проекция вектора Е опи- сывает окружность, то говорят о круговой или циркулярной поля- ризации, различая право- и левоциркулярную. Наконец, если про- екция – эллипс, то такую поляризацию называют эллиптической. Вообще говоря, линейная и круговая поляризации являются част- ными случаями эллиптической. Между этими двумя крайними состояниями находятся все остальные, характеризующиеся частичной поляризацией. Ее можно рассматривать как смесь (векторную сумму) неполяризованной и полностью поляризованной компоненты. Отношение интенсивно- сти поляризованной компоненты к общей интенсивности световой волны называют степенью поляризации р. 55 Методы и средства получения поляризованного света Превращение естественного света в поляризованный и измене- ние типа поляризации при различных оптических явлениях почти всегда связаны с оптической анизотропией вещества, т.е. с различи- ем оптических свойств по различным направлениям. Оптическая анизотропия является следствием анизотропии структуры и веще- ства. Создавать или менять анизотропию структуры и вещества можно воздействием самых различных факторов (деформация, электрическое поле и т. д.). Этим и объясняется разнообразие эф- фектов, так или иначе влияющих на поляризацию светового излу- чения. В ряде таких эффектов поляризации света происходит без дополнительного воздействия на вещество. Так, например, есте- ственный свет, отраженный под углом Брюстера, полностью линей- но поляризованный. На границе анизотропных прозрачных тел (в первую очередь кристаллов) свет испытывает двойное лучепрелом- ление, т. е. расщепляется на два взаимно перпендикулярно поляри- зованных луча, имеющие различные скорости распространения в среде – обыкновенный и необыкновенный. Первый из них поляри- зован перпендикулярно оптической оси кристалла и распространя- ется в нем как в изотропной среде. Второй луч поляризован в глав- ной плоскости кристалла и испытывает на себе все «превратности анизотропии». Так, его коэффициент преломления изменяется с направлением, он преломляется даже при нормальном падении на кристалл. Эффект двойного преломления положен Николем в основу изоб- ретенной им поляризационной призмы. Он использовал различные показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, создав для одного из них условия полного внутреннего отражения, после которого этот луч, изменив свое направление, поглощается боковой зачерненной гранью призмы. Другой луч полного внутрен- него отражения не испытывает и проходит сквозь призму, а так как это полностью поляризованный луч, то на выходе призмы получа- ется полностью линейно поляризованный свет. Эффекты, индуцируемые поляризованным светом в тканях биообъекта Принцип действия поляризованного света сводится к следующему: под влиянием поляризованного света увеличивается энергетическая 56 активность клеточной мембраны. Приводятся в действие регенераци- онные процессы, поглощение кислорода таканью увеличивается. По- ляризованный некогерентный свет оказывает прямое воздействие на нервные окончания, меридианы и нервную систему. Таким образом, свет вызывает изменения в организме на различных уровнях: 1. Клетка Увеличение отрицательного поля клетки, положительное изме- нение активности клеточной мембраны, стимуляция обменных ре- генерационных процессов. 2. Ткань Регенерация и нормализация ткани. 3. Организм Поляризованный свет способствует улучшению общего само- чувствия и укрепляет организм. Наше тело состоит из миллиардов клеток, каждое расстройство здоровья отражается на клеточном уровне. В клетках организма же за регулирование обмена веществ отвечает мембрана. Нарушение данной функции клеточной мембраны (пришедшие в беспорядочное движение полярные головки и липиды) приводит к нарушению функционирования энзимов мембраны и их рецепторов (отвечают за питание и поступление энергии в клетку), что, в свою очередь, может привести к уменьшению активности цепи клеточного дыха- ния с дефицитом АТФ (аденозина трифосфата), химическая актив- ность клетки снижается с уменьшением клеточного потенциала (энергии) приблизительно до 20 мВ. Затрудняется поступление ин- формации, хранящейся в ДНК. Регенерационные процессы могут прекратиться. Поляризованный свет физиологически воздействует на полярные головки (положительно и отрицательно заряженные частицы) в клеточной мембране и тем самым дает возможность эн- зимам и их рецепторам продолжать процессы обмена. Митохон- дрии, отвечающие за дыхание клетки (энергетические резервы клетки) снова производят АТФ, клетка становится активной, и кле- точный потенциал (разность потенциалов) повышается до уровня здоровой клетки 70 мВ. Информация в ДНК может снова использо- ваться. Это способствует регенерационным процессам. Исследованиями было доказано, что поляризованный свет дей- ствует на клеточную мембрану совсем иначе, чем обычный, он дей- 57 ствительно обладает свойством менять структуру мембраны, что от- ражается в изменении заряженных компонентов на ее поверхности. Поляризационные свойства линейно поляризованного света прояв- ляются в поверхностных тканях примерно на глубине 250–300 мкм (в то время как глубина проникновения света составляет 2,5 см). Утра- та поляризационных свойств, возможно, происходит из-за того, что биологические ткани являются разнородными структурами и свето- вые волны проходят разные оптические пути. Неоднородность струк- туры тканей обуславливает градиентное изменение коэффициентов преломления, не подчиняющееся известным законам, а зависящее только от структуры чередующихся тканей. Поэтому механизмы и особенности биологических эффектов линейно поляризованного света, прежде всего, обусловлены воздействием его на форменные элементы крови, находящиеся в момент облучения в сосудистой сети поверхностных тканей; поверхностно лежащие ткани; разно- образные рецепторные окончания, находящиеся на поверхностных тканях, а также действием на более глубокие ткани света с изме- ненными свойствами. Помимо многочисленных опосредованных эффектов установлено прямое влияние поляризованного света на мембраны клеток. Мембрана в живых клетках находится в метаста- бильном состоянии, которое похоже на нематическую фазу жидкого кристалла, а, следовательно, может быть изменено прямым воздей- ствием электрической составляющей электромагнитной волны. Со- гласно этому представлению, линейно поляризованный свет дей- ствует на липидный бислой мембраны и вызывает в ней структур- ные изменения. Изменяется распределение структурных элементов мембраны, модифицируется поверхность клетки и, по-видимому, могут нарушаться связи между липидами и белками. Это объясня- ется изменением конформационной структуры липидного бислоя под действием поляризованного света. Перемещение и поворот по- лярных «головок» липидов происходит так же, как и молекул жид- ких кристаллов под влиянием поляризованного света. Мембранные изменения происходят в результате взаимодействия индуцирован- ного поля полярных участков мембраны и электрической составля- ющей электромагнитной волны. При температуре около 37 °С со- стояние липидного бислоя близко к переходу в нестабильное состо- яние, поэтому даже минимальная энергия способна вызвать изменение конформации липидного бислоя. Так как в мембранах 58 имеется очень тесный контакт между липидами и белками, то изме- нение конформационной структуры липидного бислоя оказывает влияние на процессы, протекающие с участием клеточной стенки. Это и энергетика клетки, и иммунные реакции, и актическая эффек- тивность поляризованного и неполяризованного света. При лечении ревматологических больных (ревматизм, ревматоидный артрит) бы- ло обнаружено, что поляризованный свет более эффективно снижал мышечный тонус деформированных конечностей при ревматоид- ном артрите (на 3-й день), в то время как при обычной светотерапии эффект наблюдался лишь на 140-е сутки. После проведения лечения поляризованным светом больные отмечали исчезновение болей в покое, уменьшение их интенсивности при движении, увеличение продолжительности сна, чего не наблюдалось после терапии непо- ляризованным светом. В настоящие время поляризационная свето- терапия широко применяется для лечения самых различных заболе- ваний: экзема, лишай, герпес, псориаз, трофическая язва, ожог, дли- тельно незаживающие раны, воспалительные процессы в тканях и др. Поляризованный свет эффективно устраняет болевой синдром, способствует регенерации тканей при травматологических заболе- ваниях, сокращает сроки лечения при ожогах. Применение поляризованного света Информация о применении поляризованного света в медицине и воздействии поляризованного света на ткани биообъектов, распро- страняемая в Интернете и периодической литературе, носит зача- стую рекламный характер, т. е. освещается воздействие определен- ных аппаратов на биообъект (не исключено, что с некоторым при- страстием). Весьма распространенной (сведения о которой наиболее тира- жированы) является лампа Биоптрон фирмы Цептор (ЦЛБ). На первом месте в списке заболеваний, которые лечатся с помо- щью ЦЛБ хотя бы в двух различных клиниках, стоят острые хрони- ческие воспалительные процессы различной локализации: ринит, гайморит, тонзиллит, конъюктивит, бронхит, артрит, радикулит и др. Поддаются лечению светом: дерматит, насморк, ожоги, плохо заживающие раны, язвы, псориаз и угревые заболевания. Из опи- санных эффектов, которые выявлены различными авторами, наибо- лее выражены: противовоспалительный, анальгетический, противо- 59 зудный, десенсибилизирующий, а также улучшение микроциркуля- торного кровотока, и ускорение процессов заживления. Несколько слов о применении лампы в хирургии. По сообщениям кафедры хирургических болезней № 1 Москов- ской медицинской академии им. И. М. Сеченова лампа Биоптрон обладает такими важными свойствами, как противовоспалительное, антиаллергическое, улучшающее обменные процессы в тканях, ре- генерирующее. Вышеуказанные свойства поляризованного света в волновом диа- пазоне 400 – 2000 нм были использованы при лечении больных с трофическими язвами нижних конечностей различного генеза, а также у больных с ангиопатиями при сахарном диабете, облите- рирующем атеросклерозе. Лампа Биоптрон была использована для лечения 48 пациентов. У 15 больных с трофическими язвами венозного происхождения уже после 5–10 сеансов бионикотерапии снимались явления воспа- ления с выраженным анализирующим эффектом, исчезали отеч- ность и дерматит. Менялся характер экссудата (вместо гнойного – серозный). У 10 больных к концу срока лечения сокращались раз- меры язвы при выраженной их эпителизации. Обнадеживающие результаты получены при лечении больных с диабетическим и атеросклеротическими ангиопатиями с появлени- ем признаков улучшения кровообращения в конечностях. Особо следует выделить случаи использования бионикотерапии у двух больных с диабетической гангреной пальцев стопы. Процесс имел тенденцию к распространению. После бионикотерапии, в те- чение 7 дней, некротический процесс локализовался в пределах «пальца», что позволило ампутацией пальца, а не стопы или голени, как предполагалось до бионикотерапии. Положительный результат был достигнут и при лечении келло- идных рубцов, срок которых не превышал 5 месяцев. Например, после струмэктомии, операций на молочной железе, флебэктомии. Уменьшение толщины рубца, его побледнение начиналось уже по- сле 4 сеансов. После 10 сеансов рубец становился тонким, бледным и мягким. Больные оценивают эффект от лечения Биоптроном, как очень хороший. Повторный курс потребовался лишь у одной боль- ной с рубцом 5-месячной давности после струмэктомии. 60 Ускоренное заживление ран после бионикотерапии, отсутствие гнойных осложнений и каких-либо других побочных реакций со- кратили сроки пребывания больных в клинике и соответственно стоимость лечения. Из опыта аллергологов и дерматологов. Применение ЦЛБ не вызывает каких-либо общих или местных осложнений у больных, страдающих различными аллергическими заболеваниями. Положительный результат был достигнут при лече- нии приобретенных аллергических заболеваний кожи, таких как ал- лергический дерматит, крапивница. При этом было достаточно 10 сеансов биотерапии. Улучшение состояния наблюдалось при атонических дерматитах. Для повышения иммунного статуса боль- ных целесообразно также обработка поля непосредственно под гру- диной. ЛБ может быть применена для лечения и профилактики ал- лергических ринита, конъюнктивита, дерматитов в условиях стаци- онара, в поликлинике и на дому. Специалисты кафедры кожных и венерических заболеваний ММА им. Сеченова отмечают эффектив- ность ЦЛБ в процессе комплексной терапии дерматитов, сопровож- дающихся воспалительными явлениями в области лица (угревая сыпь, себорийный дерматит). При определенном курсе фототерапии уменьшается зуд и болевые ощущения в очагах поражения. Таким образом, экспериментальные и клинические наблюдения свидетельствуют о существовании определенных различий в дей- ствии поляризованного и неполяризованного света. Несмотря на не- достаточную изученность этого вопроса, фототерапия поляризован- ным светом активно внедряется в медицинскую практику, что дикту- ет необходимость дальнейшего углубленного исследования особенностей механизмов физиологического и лечебного воздей- ствия источников поляризованного света. Без таких исследований применение этого сравнительно нового физиотерапевтического фактора будет носить, как и прежде, эмпирический характер. Следует отметить плохую освещенность данного вопроса в оте- чественной литературе. Не доступны конкретные сведения о экспе- риментах (с полным их описанием), подтверждающих столь часто упоминающееся «прямое влияние поляризованного света на мем- браны клеток». Информация о применении поляризованного света в медицине и воздействии поляризованного света на ткани биообъ- екта распространяемая в Интернете и периодической литературе 61 носит зачастую рекламный характер, т. е. освещается воздействие определенных аппаратов на биообъекты (не исключено, что с неко- торым пристрастием), поэтому не освещены побочные явления; ма- ло где подчеркивается важность дозировки излучения и ее индиви- дуальный характер. Не освещены модели воздействия поляризованного света на мембраны, которые увеличивали бы значимость пространственной упорядоченности электромагнитных колебаний. Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 4.7) предназначена для исследова- ния глубины проникновения поляризованного света в воду. Она включает поляризационную лампу «Биоптрон» 1, установленную на штативе. Излучение лампы направлено на прозрачный сосуд 2, в котором установлен терморезистор 3 типа СТ1-18, предваритель- но проградуированный для измерения температуры (рис. 4.8). Термо- резистор для проведения измерений подключен к прибору Е7-8 (4). Рис. 4.7 62 Рис. 4.8 Выполнение работы 1. Ознакомиться с теоретическим материалом. 2. В сосуд залить воду так, чтобы чувствительная часть терморе- зистора располагалась на одном уровне с поверхностью воды. 3. Терморезистор подключить к прибору Е7-8. 4. Измерить и записать значение сопротивления терморезистора при комнатной температуре. 5. Лампу закрепить в штативе и расположить излучатель прибли- зительно перпендикулярно поверхности воды в сосуде на расстоя- нии 50–60 мм. 6. Включить лампу и через 10–15 минут произвести измерение сопротивления терморезистора. Лампу выключить. 7. Добавить воды в сосуд, чтобы уровень располагался на 2 мм выше чувствительной части терморезистора. Повторить п. 6. 63 8. Добавить воды в сосуд, чтобы уровень располагался на 4 мм выше чувствительной части терморезистора. Повторить п. 6. 9. Добавить воды в сосуд, чтобы уровень располагался на 6 мм выше чувствительной части терморезистора. Повторить п. 6. 10. По результатам измерений построить график зависимости температуры от толщины слоя воды. Содержание отчета 1. Результаты работы по пп. 4, 6 –11. 2. Выводы по результатам работы. Контрольные вопросы к лабораторной работе 1. Чем поляризованный свет отличается от обычного? 2. Основные эффекты от взаимодействия поляризованного света с биологической тканью. Литература 1. Апанасевич, П. А. Основы взаимодействия света с веществом / П. А. Апанасевич. – Минск : Наука и техника, 1978. 2. Жевандров, Н. Д. Применение поляризованного света / Н. Д. Же- вандров. – М. : Наука, 1978. 64 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ИЗМЕРЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОЗДУХА ПЫЛЬЮ И РАДИОАКТИВНЫМИ ЧАСТИЦАМИ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ИЗВ-3М Цель работы: изучение методов и средств измерения загрязнен- ности воздуха пылью и радиоактивными продуктами, изучение свойств радона и продуктов его распада. Задание: изучить методы и средства измерения загрязненности воздуха пылью и радиоактивными продуктами, свойства радона и продуктов его распада; измерить концентрацию пыли и содержа- ние дочерних продуктов распада радона в воздухе лаборатории. Инструменты и принадлежности к работе 1. Прибор ИЗВ-3М – 1 шт. Основные положения О радоне и продуктах его распада Радон – бесцветный газ без запаха, атомный номер 86, атомная мас- са 222. Природные изотопы: 2l8Rn (период полураспада 0,035 с); 2l9Rn, или актинон; 220Rn, или торон (54,5 с); 222Rn (3,83 сут). Изотопы радона являются дочерними продуктами распада изотопов радия, распадаясь с испусканием α-частиц, образуют изотопы полония. Природный ра- дон, образующийся в радиоактивных рудах, постоянно поступает в атмосферу и гидросферу. Наибольшее содержание радона в атмо- сфере наблюдается в приземном слое, с увеличением высоты оно па- дает. Средняя концентрация радона с продуктами распада в воздухе у земной поверхности составляет примерно (3,7–11,1)10–3 Бк/л. Со- держание радона в природных водах колеблется в широких пределах: от 0,37 Бк/л в озерах и реках до 370 Бк/л в грунтовых водах. Обычная концентрация для водопроводной воды порядка 37 Бк/л. Кроме радиоактивных руд источниками поступления радона в ат- мосферный воздух являются сжигаемые природный газ и каменный уголь, образование из строительных материалов в домах. Концен- 65 трация радона в обычных помещениях в 4–6 раз, а в подвальных – в 8–25 раз выше, чем в атмосферном воздухе. В процессе распада радон образует несколько твердых радиоак- тивных дочерних продуктов в виде частиц очень малых размеров (около 10 мкм). Этот аэрозоль из частиц изотопов 210Рb, 210Ро, 208Рb, 207Рb поступает в организм человека с продуктами питания, из та- бачного дыма, из атмосферного воздуха, особенно в шахтах и гор- ных выработках. Продукты распада, попадая в организм через орга- ны дыхания, повреждают клетки бронхиального эпителия, что при- водит к развитию рака легких и бронхов. Значения предельно допустимого поступления продуктов распа- да в организм через органы дыхания (ПДП), допустимая концентра- ция в воздухе рабочей зоны (ДКА) и допустимая концентрация в ат- мосферном воздухе (ДКБ) нормируется в единицах «скрытой энер- гии» (энергии, выделяющейся при полном распаде короткоживущих дочерних продуктов радона). Для категории А (персонал): ПДП = 9,6  1010 МэВ/год; ДКА = 3,8  104 МэВ/л. Для категории Б (лица, не работающие непосредственно с источ- никами излучений, но по условиям размещения и проживания мо- гущие подвергаться облучению): ПДП = 9,6  109 МэВ/год; ДКА = 1,2  103 МэВ/л. Измерение концентрации радона в рудниках обычно проводят отбором проб в подземных выработках с последующим измерением их на поверхности. Для определения концентрации воздух накачи- вается в ионизационную камеру, и регистрируется ионизация. Из- мерение концентрации дочерних продуктов распада производят подсчетом числа α-частиц, испущенных за время прокачки воздуха через камеру с детектором излучения. Радон используется в медицине в лечебных целях. Радонотера- пия является разновидностью α-терапии, ее разновидности – радо- новые ванны и орошения (облучение кожи), питье (органы пищева- рения), ингаляции (органы дыхания). Терапевтический эффект свя- зан с радиационным воздействием всосавшегося радона и продук- тов его распада. Измерение содержания пыли в воздухе 66 При исследовании запыленности воздуха в помещениях измеряют концентрацию пыли, которая определяется как масса пыли в единице объема воздуха или как число частиц в той же единице объема. В большинстве приборов процесс измерения включает три этапа: 1) отбор части потока; 2) отделение (осаждение) пыли на соответствующий носитель; 3) измерение количества пыли. Для осаждения пыли используют различные методы. Применяют осаждение пыли при помощи фильтров, под действием электростати- ческих сил, сил инерции, центробежных сил, термомолекулярных сил. В осадителях с фильтром частицы задерживаются соответствую- щей пористой системой (волокнистым материалом тканью и т. д.). В электрических пылеотделителях запыленный воздух ионизиру- ется под воздействием коронного разряда на проволочном электроде. Пыль, приобретающая заряд того же знака, что и на разрядном элек- троде, осаждается на поверхность осадительного электрода. При осаждении под действием сил инерции поток запыленного воздуха разгоняется и, ударяясь о пластину, резко меняет направле- ние. Частицы, имеющие размер больше некоторого минимума, под действием сил инерции летят на отражательную поверхность и при- липают к ней. На основе использования центробежных сил работают циклоны. Запыленный воздух приводится во вращательное движение в цилинд- рическом резервуаре, при этом частицы пыли под действием цент- робежных сил перемещаются к стенке резервуара. Количество осевшей пыли измеряется чаще всего весовым мето- дом, однако существуют и другие методы – исследование под мик- роскопом, радиометрический. Радиометрический метод применяет- ся в приборе ИЗВ-3М, и его суть описана ниже. Концентрацию пыли также можно измерять без отбора пробы и осаждения пыли, например оптическими способами. При этом измеряется ослабление светового потока, поглощаемого частицами пыли и преломляемого на них. Предельно допустимая концентрация пыли в воздухе лаборатор- ных помещений равна 2 мг/м3. Измерение загрязненности воздуха пылью и радиоактивными частицами с помощью прибора ИЗ-3М 67 Прибор для измерения загрязненности воздуха ИЗВ-3М предна- значен для измерения массовой концентрации аэрозоля и объемной активности дочерних продуктов распада радона в воздухе подзем- ных горных выработок и помещений предприятий металлургиче- ской, цементной, строительной и других отраслей промышленности по значениям скрытой энергии. Технические данные 1. Диапазон измерения прибора: – при измерении массовой концентрации аэрозоля от 0,25 до 200,0 мг/м3; – при измерении объемной активности дочерних продуктов распада радона в воздухе от 1610–7 до 1610–4 Дж/м3 (от 107 до 1010 МэВ/м3). 2. Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения прибора ±30 % с доверительной вероятностью 0,95. 3. Нелинейность градуировочной характеристики не более ±15 %. 4. Минимальное время для одного измерения составляет: при из- мерении массовой концентрации аэрозоля 1 мг/м3 – 5 мин; при из- мерении объемной активности дочерних продуктов распада радона в воздухе 32 с. 5. Уровень собственного фона не более 0,20 с–1 . 6. Чувствительность регистрации внешнего излучения образцовых источников для α-излучения 239Рu составляет (2,1 ± 0,3)102; чув- ствительность при измерении плотности контрольных поглотителей составляет 200 ± 20 мг–1см2. 7. Объемная скорость прокачивания воздуха равна 0,033 ± 0,003 л с–1. 8. Питание прибора осуществляется от аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1Д или от «шахтного» аккумулятора с напряжением 3 В через преобразователь, или через зарядное устройство от сети пере- менного тока 220 В/50 Гц. Устройство и работа прибора В основу работы прибора положен метод концентрирования дис- персной фазы аэрозоля путем прокачивания определенного объема воздуха через фильтрующую ленту и последующего измерения соб- ственной активности пробы или плотности пылевого осадка. 68 Измерение значений скрытой энергии продуктов распада радона производится путем регистрации количества α-частиц, испущенных пробой за время прокачки воздуха. Общее количество зарегистри- рованных импульсов пропорционально значению скрытой энергии. Отбор пробы производится не более 256 с. Определение массовой концентрации аэрозоля производится пу- тем измерения степени поглощения α-частиц от рабочего источника осажденным на фильтр аэрозолем. Для этого производят два изме- рения α-частиц, прошедших через чистый фильтр с осевшим аэро- золем. Чувствительность α-изотопного метода измерения массовой концентрации не зависит от дисперсности аэрозоля в диапазоне от 0 до 10 мкм. При увеличении размеров пылинок выше этой величины чувствительность падает обратно пропорционально размеру частиц. Таким образом, метод обладает повышенной чувствительностью к силикозоопасной фракции аэрозоля. Время прокачивания воздуха, обеспечивающее требуемую статистическую точность измерения, определяется, исходя из ожидаемой запыленности воздуха, и состав- ляет: 1024 с для массовой концентрации аэрозоля от 0,25 до 1 мг/м3; 512 с – от 1,0 до 5,0 мг/м3; 256 с – от 3,0 до 15 мг/м3; 128 с – от 10 до 25 мг/м3; 64 с – от 15 до 50 мг/м3; 32 с – от 50 до 200 мг/м3. Функциональная схема прибора изображена на рис. 5.1. 69 Рис. 5.1. Функциональная схема прибора: 1 – воздухозаборный канал; 2 – рабочий источник; 3 – фильтрующая лента; 4 – лентопротяжный механизм; 5 – детектор; 6 – стакан; 7 – воздуходувка; 8 – усилитель; 9 – узел обработки; 10 – цифровой индикатор Прибор (рис. 5.2) состоит из следующих основных узлов: пульт; лентопротяжный механизм; воздухозаборная система; узел детектирования; узел обработки; цифровой индикатор; источник питания (зарядное устройство). Рис. 5.2 На пульте (рис. 5.3) расположены органы управления прибором и лентопротяжный механизм, служащий для покадрового переме- щения фильтрующей ленты. 70 Рис. 5.3 Лентопротяжный механизм (рис. 5.4) состоит из приемной и по- дающей катушек с фильтрующей лентой типа НЭЛ-3-25 в количе- стве 10 м, что достаточно для отбора 800 проб, механизма переме- щения ленты и индикатора расхода ленты. Рис. 5.4 Воздухозаборная система (воздуходувка) выполнена на базе че- тырех мембранных насосов, которые последовательно приводятся в движение через эксцентриковую муфту электродвигателем постоян- ного тока типа ДПМ-25-H1-05. Через окно прокачки площадью 0,2 см2 71 воздуходувка обеспечивает расход воздуха, равный 0,033 ± 0,003 л/с или 1,98 ± 0,18 л/мин. Узел детектирования (рис. 5.5) состоит из рабочего источника, детектора и усилителя. Рабочий источник снабжен механизмом вво- да-вывода и имеет площадь активного слоя 1 см. В качестве нукли- да применен полупроводниковый детектор типа ДКПс-100, распо- ложенный за фильтрующей лентой в воздухозаборном стакане, од- новременно служащем экраном. Площадь чувствительной поверх- ности детектора равна 1 см2 и закрыта защитной пленкой толщиной 3 мм. Детектор с усилителем позволяет получить на выходе импульс- ную последовательность с амплитудой импульсов, пропорциональ- ной энергии α-частиц. Рис. 5.5 Питание прибора осуществляется от аккумуляторных батарей или вторичного источника питания, выполненного в виде зарядного устройства (рис. 5.6). 72 Рис. 5.6 Выполнение работы 1. Соедините прибор с зарядным устройством, и нажмите кнопку СЕТЬ на зарядном устройстве. При этом должен засветиться инди- каторный светодиод. 2. Снимите лентопротяжный механизм и проверьте наличие фильт- рующей ленты. 3. В нише узла детектирования под рабочим источником, выкра- шенным в красный цвет, находятся переключатели. Переключатель S2 установите в положение ВОЗД, переключатель S3 – в положение ИЗМ. Установите лентопротяжный механизм на место. 4. Отверните до упора заглушки ЗАБОР ВОЗДУХА и ВЫБРОС. 5. Поверните ручку СМЕНА КАДРА на 360°. Проверьте, нахо- дится ли переключатель управления в положении СБРОС, а рабо- чий источник в выведенном положении и после этого переведите тумблер включения прибора в положение ВКЛ. 73 6. Установите переключатель ВРЕМЯ ПРОКАЧКИ в положе- ние 512. 7. Переключатель управления переведите в положение ПУСК. Сра- зу начинает мигать светодиод ИСТОЧНИК ВВЕСТИ. Введите рабо- чий источник. Через 32 с начинает мигать светодиод ИСТОЧНИК ВЫВЕСТИ. Выведите рабочий источник, после чего автоматически включается воздуходувка и начинается отбор пробы. После окончания времени отбора пробы начинает мигать светодиод ИСТОЧНИК ВВЕСТИ, и включается индикатор, высвечивающий количество заре- гистрированных импульсов при измерении значений скрытой энергии дочерних продуктов распада радона. Запишите показания индикатора. 8. Введите источник. Через 32 с включится светодиод ИСТОЧНИК ВЫВЕСТИ. Выведите источник. Сразу включается индикатор, вы- свечивающий значение массовой концентрации аэрозоля в мг/м3. 9. Определите значение скрытой энергии дочерних продуктов рас- пада радона по формуле Е = N  μ, где Е – значение скрытой энергии в МэВ/м3; N – показания цифрового индикатора, зарегистрированные в пункте 7; μ – чувствительность прибора при измерении дочерних продук- тов распада радона, л–1мин–1, определяемая по формуле 5 2 4 10 K v t       , где K – чувствительность прибора к образцовым источникам 239Pu (K = 0,0204); v – скорость прокачивания воздуха, л/мин; t – время отбора пробы, мин; η – эффективность улавливания аэрозолей на фильтре. Для выражения значений скрытой энергии E в Дж/м3 чувстви- тельность прибора определяется по формуле 8 2 6,4 10 K v t       . 74 10. После окончания работы отключите прибор от сети. Содержание отчета 1. Схема прибора ИЗВ-3М. 2. Результаты измерения. 3. Выводы по результатам работы. Контрольные вопросы к лабораторной работе 1. Основной источник загрязнения воздуха α-частицами. 2. На каких принципах основаны методы измерения концентра- ции пыли в воздухе? 3. Что такое радиометрический метод контроля концентрации пыли в воздухе? 4. Какой принцип измерения положен в основу измерения загряз- ненности воздуха α-частицами, возникающими при распаде радона? Литература Горелик, Д.О. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения / Д. О. Горелик, Л. А. Ко- нопелько. – М. : Издательство стандартов, 1992. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ВОДЫ, КАК ОСНОВНОГО ВЕЩЕСТВА БИОТКАНЕЙ, ПОДВЕРГАЮЩЕГОСЯ ВОЗДЕЙСТВИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ Цель работы: приобретение практических навыков исследования особенностей воды. Инструменты и принадлежности к работе 1. Лабораторное устройство (стеклянный сосуд, два электрода, сосуд из плотной ткани, полупроводниковый диод, вода)– 1 шт. 2. рН-метр типа рН-150М– 1 шт. 3. Измеритель L, C, R цифровой Е7-8– 1 шт. 75 Основные положения Основные сведения о воде Вода – это соединение водорода и кислорода. Вот ее всем из- вестная формула: Н2О. Химики до сих пор никак не могут решить, где же должен стоять водород в таблице Менделеева, и помещают его одновременно сра- зу в двух группах: в VII, где он зачисляется в родственники галоге- нам – фтору, хлору, брому, и в I группу за его сходство со щелоч- ными металлами – литием, натрием, калием. В свое время наши исследователи, изучая свойства водорода при высоких давлениях, обнаружили, что при давлении около трех мил- лионов атмосфер сжатый водород внезапно приобретает удивитель- ное свойство. Он становится электропроводным, так же как любые обычные металлы. Это явление теоретики предвидели уже давно, а теперь оно было обнаружено на опыте. Как ни удивительно, но, по- видимому, водород – металл. В природе существует три различных водорода – три его изотопа. Самый легкий – 1Н. Химики его часто называют протием. Водород в обычной воде почти нацело состоит из протия. Кроме него, во всякой воде есть тяжелый водород – дейтерий 2Н, его чаще в химии обозна- чают символом D. Дейтерия в воде очень мало. На каждые 6700 ато- мов протия в среднем приходится только один атом дейтерия. Кроме протия и дейтерия, существует еще сверхтяжелый водород 3Н. Его обычно называют тритием и обозначают символом Т. Тритий радиоак- тивен, период его полураспада немного больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Ко- личество трития на нашей Земле ничтожно мало – меньше одного ки- лограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, его можно обна- ружить повсюду, в любой капле воды. Физики научились получать тритий искусственно в ядерных реакторах. Ученые заподозрили, что возможно существование четвертого изотопа водорода – 4Н и даже пятого 5Н. Они тоже должны быть радиоактивными. В природе найдены три различных изотопа кислорода. Больше всего легкого кислорода 16О, значительно меньше тяжелого 18О и со- всем мало легкого кислорода 17О. В кислороде воздуха, которым мы дыши, на 10 атомов 17О приходится 55 атомов 18О и более 26000 ато- мов изотопа кислорода 16О. 76 Физики сумели создать в своих ускорителях и реакторах еще пять реактивных изотопов кислорода 13О, 14О, 15О, 19О, 20О. Все они живут очень недолго и через несколько минут распадаются, превра- щаясь в изотопы других элементов. Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н2О, то результат покажется неожиданным – всего могут существовать сорок восемь разных вод. Из них тридцать девять вод будут радиоактивными, но и стабильных, устойчивых вод тоже бу- дет немало – девять: Н216О, Н217О, Н218О, НD16О, НD17О, НD18О, D217О, D218О. Если же окончательно подтвердится сообщение о том, что существуют еще два сверхтяжелых изотопа водорода – 4Н и 5Н, то будут возможны уже сто двадцать различных вод. Но и это еще не все. Советские физики в 1970 г. на большом ускорителе много- разрядных ионов создали совершенно удивительный кислород – сверхтяжелый изотоп 24О. В его ядре огромный избыток нейтронов, и оно очень неустойчиво. Если принять во внимание и этот новый изотоп кислорода, то тогда различных вод можно будет насчитать уже сто тридцать пять. По изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав за- висит от истории воды – от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии ее круговорота в природе. При испарении вода обога- щается протием, и вода дождя, поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьев. В каждом источнике свой изотопный состав воды. Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился – в нем уменьшилось содержание тяжелого водорода, но повысилось количество тяжелого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лед был получен. Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водо- род, то получится снова вода, но совсем другая, потому что в возду- хе изотопный состав кислорода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. Но зато в отличие от воды изотопный со- став воздуха один и тот же на всем земном шаре. Вода в природе не имеет постоянного изотопного состава, она вечно меняется, и только поэтому нельзя сказать, что где-то есть какая-то обыкновенная вода. 77 Легкая вода – это та самая вода, формулу которой знают все школьники – 1Н216О, Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили ученые. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений. Тяжелой воды в природе тоже нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжелой воду, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода – D218О, но такой воды нет даже и в лабораториях ученых. В науке и ядерной технике принято условно называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный со- став по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кисло- рода воздуха. Формулу тяжеловодородной воды написать нельзя. Это не химическое соединение, смесь нескольких различных вод, в которых во всех содержится дейтерий, легкого водорода нет совсем, а стабильные изотопы кислорода в этой смеси вод с разным изотоп- ным составом находятся точно в таком же соотношении, в каком они присутствуют в воздухе. Полутяжелой водой можно назвать воду со смешанными молеку- лами состава НDО. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень по- движны и непрерывно переходят, из одной молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. И благодаря реакции обмена 2HDО  Н2О + D2О она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом Н2О, НDО, D2О. Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. И для нулевой воды формулу не напишешь. Она тоже смесь нескольких вод, каждая из которых состоит из легкого водорода и одного из стабильных изотопов кислорода. 78 Соотношение между кислородами в нулевой воде тоже точно та- кое же, как и в воздухе. Тяжелого водорода в нулевой воде нет. Эту воду физико-химики выбрали в качестве эталона, у нее очень по- стоянный состав. Ее не так уж трудно получить, и с ней удобно сравнивать воду неизвестного состава, определив разницу в плотно- сти, легко найти содержание дейтерия. Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислород- ная вода – Н218О. Получить ее из природной воды очень сложно и трудно. До сих пор эту воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел приготовить. Тяжелокислородная вода очень важна для ис- следования многих биологических и химических процессов, поэто- му довольно концентрированные растворы этой воды в воде обычно получают теперь на заводах. Все без исключения живые организмы содержат значительное ко- личество воды. Без воды невозможен обмен веществ, а также обмен информацией между клетками. Для всех жизненно важных процессов, которые протекают в нашем организме, нужна посредническая среда. Она должна быть активной, чтобы передача информации и энергии зарядов происходила эффективно и быстро, что обеспечивает опти- мальную приспособляемость организма. Такой важнейшей средой яв- ляется π-вода энергетическая микросгруппированная структурирован- ная вода, которая обеспечивает обмен информацией между клетками. В результате тридцатилетних исследований и научных разрабо- ток, после тщательных опытов для получения π-воды японские уче- ные создали фильтрующую установку, которая «оживляет» воду, вырабатывает воду, призванную помочь нашему организму достичь того состояния, в котором он должен бы быть, живя в гармонии с Природой. Это вода, которую в мире называют real water (настоя- щая вода) и living water (живая вода). 79 Рис. 6.1. Фотография энергетической ауры водопроводной воды Рис. 6.2. Фотография энергетической ауры «живой» воды Водные кластеры За последние 10–15 лет стало появляться все больше и больше данных о том, что вода в воде на самом деле вовсе не представляет из себя некий газ со слабо связанными друг с другом отдельными частицами Н2О, которые на неимоверно малые промежутки време- 80 ни друг с другом слипаются водородными связями, образуя так называемые мигающие кластеры, а затем рассыпаются снова. Время жизни таких структур в воде до последнего времени считалось чрезвычайно малым и, поэтому, естественно, не предполагалось, что вода может играть какую-то структурную, важную организую- щую роль. Сейчас стало появляться все больше и больше физико-химических данных, которые свидетельствуют о том, что в жидкой воде суще- ствуют довольно много самых разнообразных устойчивых структур, которые можно назвать кластерами. Вообще, в последнее время по- явилось целое направление химии – кластерная химия. Кластерная химия появилась не только в связи с водой, даже не столько в связи с водой, но она стала приобретать достаточно большое значение. В качестве примера кластеров, сейчас, может быть, наиболее тща- тельно изучаемых, можно привести так называемые углеродные кластеры, которые называются фуллеренами (или другая форма это- го углеродного кластера – нанотрубки). В середине 80-х годов было обнаружено, что в определенных условиях, когда углерод превращается в пар, а затем быстро этот пар охлаждают, то появляются некие структуры, которые назвали фуллерены или бака-боллз, такие мячики имени американского ар- хитектора, Бакмейстера Фуллера, который строил задолго до от- крытия фуллеренов дома, похожие на позднее открытые фуллере- ны. Оказалось, что фуллерен – это молекула, состоящая из несколь- ких десятков атомов углерода, соединенных друг с другом своими связями как показано на рис. 6.3. Самый известный фуллерен включает 60 атомов углерода, но очень устойчивые шарики можно строить из других наборов атомов углерода. Фуллерены и нанотрубки и являются примерами класте- ров, а собственно под кластером подразумевается вот такая замкну- тая, объемная архитектурная молекула, которая не похожа на из- вестные нам планарные молекулы. Вот такого рода кластеры обла- дают совершенно удивительными свойствами с точки зрения их хими- ческой активности, потому, что химически эта молекула обладает чрезвычайно низкой активностью, но в то же время она может ката- лизировать массу разнообразных реакций. Эта молекула способна, по-видимому, выступать в роли трансформатора энергии. В частно- сти, она может выступать в роли трансформатора низкочастотных 81 радиоволн в высокочастотные колебания, вплоть до колебаний, ко- торые способны вызывать электронные возбуждения. Другая форма такого кластера – нанотрубка, ими сейчас усиленно занимаются ин- женеры, пытающиеся создавать новые поколения компьютеров, по- скольку она обладает сверхпроводящими свойствами в определен- ных условиях и т. д. Рис. 6.3. Фуллерен и нанотрубки – объемные полимеры углерода Обе эти молекулы, во-первых, очень устойчивые, их можно вы- делять, их можно тщательно исследовать, изучать, и ими сейчас очень много занимаются. Во-вторых, эти молекулы, эти кластеры, отра- жающие совершенно новые свойства химической, физической ма- терии таковы, что их даже некоторые считают новым состоянием вещества. В последнее время стало появляться довольно много мо- делей воды, которые чрезвычайно похожи по своей организации на эти фуллерены и нанотрубки (рис. 6.4). 82 Рис. 6.4. Возможная структура воды Сейчас в литературе, посвященной квантовой химии, приводится много разнообразных форм водных кластеров, начиная с кластеров, которые включают в себя 5 молекул воды, 6 молекул воды и так далее. К примеру, английский физико-химик Мартин Чаплин рас- считал, какого рода кластеры наиболее вероятно существуют в воде и предложил, что там может присутствовать целая иерархия до- вольно устойчивых структур такого рода. Блокируясь друг с дру- гом, они могут достигать громадных размеров, включающих в себя 280 молекул воды. В чем особенность такого рода кластеров? Чем они отличаются от общепринятых, стандартных представлений о молекулах воды? Кла- стер – это объемная структура, в которой каждая молекула воды мо- жет быть связана с другими молекулами либо одной водородной свя- зью, двумя водородными связями, либо тремя водородными связями и возникает некое кооперативное образование. Кооперативное в том смысле, что если вырвать из этого сооружения одну молекулу воды, то оно не распадется, в нем еще достаточно связей, несмотря на то, что водородные связи довольно слабые. Но когда этих слабых связей много, они поддерживают друг друга, и если за счет теплового дви- жения одна молекула воды может выскочить, а кластер сохранится, и вероятность того, что какая-то молекула воды займет это место прежде, чем кластер развалится намного, выше вероятности, что раз- 83 валится весь соответствующий кластер. И чем больше молекул объ- единяются в такие структуры, тем более стабильными являются эти кластеры. Когда появляются такого рода гигантские молекулы, уже полимолекулы воды, фактически полимеры, водяные полимеры, они обладают высокой устойчивостью и совершенно другими химиче- скими, физико-химическими свойствами, чем одна молекула воды. Методы исследования проводимости воды Удельная проводимость (или, как ее еще называют, удельная элект- ролитическая проводимость) представляет собой способность веще- ства проводить электрический ток. Это величина является обратной удельному сопротивлению. При химическом очищении воды очень важно измерить удель- ную проводимость воды, зависящую от растворенных в воде ион- ных соединений. Удельная проводимость легко может быть изме- рена электронными приборами. Широкий спектр соответствующего оборудования позволяет сейчас измерять проводимость практиче- ски любой воды, от сверхчистой (очень низкая проводимость) до насыщенной химическими соединениями (высокая проводимость). Проводимость – величина обратная сопротивлению, она измеря- ется в Сименсах (раньше она называлась mho). Удельная электриче- ская проводимость (удельная электропроводимость) – это количе- ственная характеристика способности воды проводить электриче- ский ток. В чисто физическом смысле это величина, обратная электрическому сопротивлению воды при температуре 25 оС, нахо- дящейся между двумя электродами с поверхностью 1 см2 , расстоя- ние между которыми равно 1 см. Единица удельной электрической проводимости – Сименс на 1 м (См/м). Для воды в качестве едини- цы измерения используют произвольные величины – миллиСим- менс на 1 м (мСм/м) или микроСиммес на 1 см (мкСм/см). В большинстве случаев удельная электрическая проводимость поверхностных вод суши является приблизительной характеристи- кой концентрации в воде неорганических электролитов – катионов Na+, K+ , Сa2+, Mg2+ и анионов CI–, SO42–, HCO3–. Присутствие других ионов, например Fe(II), Fe(III), Mn(II), NO3–, HPO42–, обычно мало сказывается на величине удельной электрической проводимости, так как эти ионы редко встречаются в воде в значительных количе- 84 ствах. Водородные и гидроксильные ионы в диапазоне их обычных концентраций в поверхностных водах суши на удельную электриче- скую проводимость практически не влияют. Столь же мало и влия- ние растворенных газов. Таким образом, удельная электрическая проводимость поверхно- стных вод суши зависит в основном от их минерализации и обычно колеблется в пределах от 50 до 10000 мкСм/см. Рост удельной проводимости указывает на рост примесей, и мож- но установить критический уровень для контроля максимального уровня примесей. Таблица 6.1 Удельная проводимость некоторых растворов 1000 мг в л Состав мкС/см при 25 °С мкС/мг в л Бикарбонат натрия 870 0,87 Сульфат натрия 1300 1,30 Хлорид натрия 1990 1,99 Карбонат натрия 1600 1,60 Гидроксид натрия 5820 5,82 Гидроксид аммония 189 0,19 Соляная кислота 11000 11,10 Фтористоводородная кислота 2420 2,42 Азотная кислота 6380 6,38 Фосфорная кислота 2250 2,25 Серная кислота 6350 6,35 Измерения удельной проводимости широко используются при ис- следовании воды, используемой в промышленности, муниципальных и коммерческих учреждениях, больницах с помощью кондуктомет- ров (портативных, лабораторных, карманных или промышленных). Пока индивидуальные ионы не могут быть определены, удельная проводимость дает величину общих примесей. Главный недостаток измерений удельной проводимости это то, что они не специфичны, не дают возможности распознавания раз- личных типов ионов. Вместо этого определяется пропорция общего 85 эффекта присутствия всех имеющихся ионов и некоторых ионов, как NaOH, HCI, представленных в значительно большей степени. Второй недостаток соотнесения удельной проводимости с кон- центрацией заключается в том, что концентрированные растворы показывают слегка заниженное число мкС/см на каждый мг в л в от- личие от разреженных. Этот эффект основан на снижении скорости движения ионов при увеличении концентрации, что лежит в основе теории межионного притяжения. Некоторые соединения могут снижать точность измерений, оса- ждаясь на датчике или щупе, например, карбонат кальция. В боль- шинстве случаев эти трудности не превращаются в серьезные поме- хи и могут быть достигнуты достаточно точные результаты. В це- лом, измерение удельной проводимости – это быстрый, надежный и недорогой способ измерения количества ионных соединений в по- токе. Как правило, при повторных измерениях разброс значений не превышает 1 %. Удельная проводимость водных растворах из-за движения ионов и постоянно возрастающей температуры противоположна удельной проводимости металлов, но приближается к показателям графита. Это обусловлено природой самих ионов и вязкостью воды. При низ- кой концентрации ионов (сверхчистая вода) ионизация воды позво- ляет определить часть проводящих ионов. Все эти процессы, а, следовательно, и удельная проводимость су- щественно зависят от температуры. Эта зависимость обычно выра- жается, как относительное изменение удельной проводимости на °С при конкретной температуре, а в особых случаях, как процент на °С, называемый наклонением конкретного раствора. Сверхчистая вода имеет наибольшее наклонение в 5,2 % на °С., в то время как накло- нение большей части водопроводной воды и воды в охлаждающих системах находится в диапазоне 1,8–2,0 % на °С. Концентрирован- ные соленые растворы, кислоты и щелочные растворы имеют наклонение около 1,5 % на °С. Таким образом, становится очевидно, что небольшая разница в тем- пературе значительно изменяет удельную проводимость. По этой при- чине, чаще всего удельную проводимость относят к 25 °С. К счастью, доступны температурные датчики с характеристиками, близкими к раствору, в исследовании которого мы заинтересованы, и с исполь- 86 зованием дополнительных резисторов и электронных схем можно по- лучить температурные кривые почти для любого раствора. Температурный датчик используется как элемент регулировки электрической цепи, и значение проводимости автоматически при- водится к эквивалентному 25 °С. Самые современные технологии используют микропроцессор и соответствующую таблицу, содержащую информацию о реакции раст- вора на температуру. Температура раствора измеряется, переводит- ся в цифровой формат, затем сопоставляется с данными таблицы для получения точных значений температурной компенсации. Все температурные датчики имеют временную задержку, величина ко- торой зависит от позиции и установки датчика. Простой датчик удельной проводимости может быть создан как ячейка, состоящая из куба со стороной 1 см, где расстояние между электродами, формирующими две противоположные стороны, пло- щадью 1 см2 каждая, приблизительно равно 1 см. У данной ячейки константа ячейки равна 1,0. Данная величина используется для под- счета удельной проводимости в других ячейках по формуле const l R S  , где Rconst – константа ячейки; l – расстояние между электродами; S – площадь электрода. Для очень слабых растворов расстояние между электродами мо- жет быть сокращено так, что константа ячейки будет равны 0,1 или 0,01. Благодаря этому, возрастает проводимость, что позволяет дат- чикам измерить даже очень слабую проводимость. Для концентрированных растворов дистанция между электрода- ми, наоборот, увеличивается так, что константа ячейки становится равной 10 или больше. В датчиках, изготовленных по технологии Акварис (используемой в контроллерах) в качестве электродов используется графит. Графит имеет такой же температурный коэффициент, как и проводимость, менее подвержен поляризации, чем обычные металлы, такие как не- ржавеющая сталь и никель, и обходится дешевле, чем платина, ко- торая часто используется для изготовления лабораторных сенсоров. 87 Поляризация может вызвать образование газа на металлических поверхностях несмотря на то, что для измерения используется вы- сокочастотный ток, эффект может иметь место даже в течение од- ного полупериода полярности. Другая причина – это истощение ани- онов и катионов вокруг электрода из-за роста заряда. Из-за эффекта поляризации полученные показатели проводимости могут оказаться заниженными, однако прибор не сможет обнаружить ошибку. Похо- жий эффект возникает, если в растворе содержится масло или жир, или если электроды загрязнены, или покрыты осадком. Эффект по- ляризации может быть ниже использованием высокочастотного тока, поддержанием низкой плотности, путем правильного регулирования константы ячейки и использования грубых поверхностей, таких как графит, а также при работе с удельной проводимостью, меньшей, чем 30,000 мкС/см, а в случае загрязнения – путем извлечения и тщательной очистки датчика. Электролиз воды Электролиз – процесс восстановления или окисления веществ на электродах, сопровождаемый приобретением или потерей электро- нов частицами веществ в результате электрохимической реакции. Процессы, происходящие при прохождении тока через электро- лит, и в самом электролите, и на обоих электродах, очень сложны и многообразны. По этой причине результаты электролиза часто прак- тически не воспроизводимы. Как только электролиз начался, и уже идет некоторое время, вернуться к первоначальному состоянию по- сле его прекращения уже невозможно. И в электролите, и на электро- дах произойдут изменения, которые не восстановятся и после сколь угодно долгого ожидания. Да и начало электролиза невоспроизводи- мо – этот процесс зависит от материала и состояния поверхности электрода, наличия в нем незначительных примесей и т. д. Почти то же самое относится и к химическому составу электролита. Поэтому, даже, несмотря на то, что в связи с широким промышленным исполь- зованием электрохимических процессов исследования явления элек- тролиза, как его понимает электрохимия, велись и ведутся многими специальными институтами, полной ясности понимания того, что же происходит при электролизе до сих пор нет. Вопрос о том, как же конкретно «ток разлагает воду», в каком элементарном акте это происходит, в электрохимии не рассматрива- 88 ется. В электрохимии полагают, что на аноде будет протекать один из трех процессов, в которых нейтральная молекула воды отдает ано- ду 4 или 2 своих электрона, превращаясь в ион Н+ и ОН–. Но как нейтральная молекула вдруг отдает свои электроны? Ей ведь нужна за это «плата» – 1,228, 1,776 или 2,42 эВ в каждом из трех приведен- ных процессов. В электрохимии предполагают, что наблюдаемая при электролизе убыль воды в анолите указывает на протекание ее раз- ложения. Это может происходить, по-видимому, по реакции 2Н2О – 4е– = О2 + 2Н+. В физике отмечают, что на аноде происходит реакция SO4 + H2O = H2SO4 + O. Нейтральный остаток серной кислоты получается из отрицатель- ного иона, который нейтрализуется на аноде. Образовавшаяся мо- лекула серной кислоты тут же распадается на ионы, восполняя их убыль на аноде и на катоде. По этому сценарию в «анолите» кон- центрация молекул воды уменьшается. Вода разлагается. Но по дру- гой реакции разряд отрицательных ионов SO4– на аноде представля- ется вполне естественным. Конечно, работа тока в электролите, как и во всяком проводнике, расходуется и на его нагревание. Ионы, приходя в ускоренное дви- жение в направлении электрического поля, упруго взаимодействуют с нейтральными молекулами воды, и передают им часть своей энер- гии, нагревают электролит. Если это изменение внутренней энергии электролита за счет нагревания его током будет равно, или больше уменьшения внутренней энергии электролита израсходованной им на разложение молекул воды, то температура его будет постоянной, или он будет нагреваться. Это и происходит в промышленных электроли- зерах. Создается иллюзия, что «ток разлагает воду». Помимо бытовых водоочистителей фильтрационно-сорбционного типа для постоянного пользования (с картриджами, рассчитанными на несколько сотен литров воды) существуют электрохимические установки для очистки воды, которые одновременно дают возмож- ность получения питьевой воды с заранее заданными физико-хими- ческими свойствами. Традиционные фильтрационно-сорбционные 89 бытовые водоочистители такими функциями не обладают. Вода, про- шедшая через каскадный фильтрационный фильтр, практически не меняет показатели рН. Кластерная структура воды после фильтра- ционно-сорбционной обработки также меняется несущественно. Од- нако первые опыты по электрохимической обработке пресной воды, проделанные в СССР около 25 лет назад группой ученых Мингаз- прома, показали, что физические, химические и биологические свой- ства такой воды могут быть оптимизированы для потребителей. Журналисты назвали такую электрохимически обработанную воду живой и мертвой, в зависимости от ее способности стимулировать или сдерживать и (или) подавлять физиологические процессы. На самом деле термины «живая» и «мертвая» вода в значительной сте- пени условны. Обычно живой водой называли фракцию разбавлен- ного водно-солевого раствора (не более 3 г/л), подвергнутую элек- трохимическому воздействию в области катода. Техническое назва- ние такой воды – католит. Соответственно, водно-солевой раствор, обработанный у анода, называется анолитом. Схематически процесс раздельного получения католита и аноли- та представлены на рис. 6.5. Рис. 6.5. Схема для раздельного получения анолита и католита На рисунке изображена электролитическая камера 1, разделен- ная проницаемой перегородкой Д на две полукамеры, анодную 3 и катодную 4. Соответственно, анодная и катодная полукамеры снаб- жены электродами – анодом А и катодом К, на которые подается по- стоянный ток от источника тока 2. Электролитическая камера 1 за- 90 полняется пресной водой или разбавленным солевым раствором (при этом необходимо учитывать, что любая питьевая вода представляет собой солевой раствор с низкой концентрацией, абсолютно химиче- ски чистая субстанция Н2О может быть получена на земле только в лабораторных условиях и в очень ограниченных количествах). При прохождении электрического тока через межэлектродное простран- ство, разделенное проницаемой диафрагмой, окисленные продукты анодного синтеза (анолит) накапливаются в полукамере 3, восстанов- ленный продукты катодного синтеза (католит) – в полукамере 4. Установка, изображенная на рис. 6.5, является двухкамерным диа- фрагменным электролизером статического типа. Электрондонорная вода (католит) обладает способностью отдавать свободные электро- ны окисленным соединениям, в том числе свободным радикалам, та- кая вода называется противоокислительной или антиоксидантной, получение электронов от электрондонорных соединений означает восстановление окисленных веществ, принимающих электроны. Электронакцепторная вода (анолит) принимает электроны от до- норных восстановленных соединений, которые, таким образом, окис- ляются, такая вода обладает бактерицидной активностью за счет окисления молекулярных структур в составе микроорганизмов. Электроды при исследовании проводимости воды выполнены из графита, при проведении электролиза – из нержавеющей стали. Описание лабораторной установки В первой части лабораторной работы исследуется электрическая проводимость воды. Для этого используется лабораторная установ- ка, показанная на рис. 6.6. Исследуемая вода наливается в резервуар 1, в котором находятся два графитовых электрода 2 и 3 с сечением 1010 мм и терморези- стор 4 типа СТ1-18. Электроды для измерения сопротивления или проводимости подключают к прибору Е7-8, к нему же подключают терморезистор. Для исследования зависимости проводимости воды от температуры сосуд устанавливают на нагревательный элемент, подключенный к источнику питания Б5-47 (на рис. 6.6 не показаны). 91 Рис. 6.6 Для исследования процесса электролиза воды используется установка, показанная на рис. 6.7. Рис. 6.7 92 В прозрачном сосуде 1 расположены два электрода 2 и 3. В крышке имеется выпрямитель, установленный таким образом, что электрод 2 является катодом, электрод 3 – анодом. Анод располо- жен в резервуаре 4 из плотной проницаемой ткани. Установка пита- ется от сети переменного тока 220 В. Выполнение работы Часть I. Исследование электропроводности воды. 1. Сосуд (рис. 6.6) заполнить дистиллированной водой, не доли- вая 5–6 мм до верхнего края. 2. Подключить электроды к прибору Е7-8 и измерить сопротив- ление воды при комнатной температуре. Пересчитать сопротивле- ние в проводимость. 3. Включить нагревательный элемент. Через 5, 10, 15 и 20 минут измерить сопротивление воды и сопротивление терморезистора, ко- торое по градуировочной характеристике перевести в значение тем- пературы. 4. Удалить из сосуда дистиллированную воду и выполнить дей- ствия по пп. 1–3 с водопроводной водой. 5. Построить графики зависимостей проводимости дистиллиро- ванной и водопроводной воды от температуры. Часть II. Исследование электролиза воды. 1. Сосуды 1 и 4 (рис. 6.7) заполнить дистиллированной водой, не доливая 10–15 мм до верхнего края сосуда 4. 2. Установить электроды так, чтобы анод располагался внутри сосуда 4, катод – вне сосуда 4. 3. Подключить электроды к сети 220 В. 4. Через 2 минуты отключить питание и взять пробы воды из со- судов 1 и 4 объемом 10 мл каждая. 5. Измерить pH проб с помощью рН-метра. 6. Повторять процесс электролиза 4, 6 и более минут, до тех пор, пока рН проб практически перестанет изменяться. 7. Построить зависимости рН полученных анолита и католита от времени электролиза. 93 Содержание отчета 1. Схемы лабораторных установок. 2. Результаты исследований проводимости воды и рН анолита и католита. 3. Выводы по результатам работы. Контрольные вопросы к лабораторной работе 1. Чем объясняется различный изотопный состав воды, получен- ной из разных источников? 2. Что представляют собой водные кластеры? 3. От чего зависит проводимость воды? 4. Почему при электролизе воды полученные в результате фрак- ции имеют различные свойства? СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа № 1 РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ ........................................................................................ 3 Лабораторная работа № 2 ИЗМЕРЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ β-АКТИВНОСТИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И ВОДЫ ПРЯМЫМ МЕТОДОМ И МЕТОДОМ ОБОГАЩЕНИЯ ........................................................... 23 Лабораторная работа № 3 ИЗУЧЕНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ЖИВУЮ ТКАНЬ ..................................................................... 41 Лабораторная работа № 4 ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ОСОБЕННОСТЯМИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА И ЕГО БИОЛОГИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ ....................................................................................... 49 Лабораторная работа № 5 ИЗМЕРЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОЗДУХА ПЫЛЬЮ И РАДИОАКТИВНЫМИ ЧАСТИЦАМИ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ИЗВ-3М ................................................... 64 Лабораторная работа № 6 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ВОДЫ, КАК ОСНОВНОГО ВЕЩЕСТВА БИОТКАНЕЙ, ПОДВЕРГАЮЩЕГОСЯ ВОЗДЕЙСТВИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ...................................................................... 74 Учебное издание ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Лабораторные работы (практикум) для студентов специальности 1-38 02 02 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» С о с т а в и т е л и : МИНЧЕНЯ Николай Тимофеевич САВЧЕНКО Андрей Леонидович Редактор К. П. Юройть Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 03.01.2013. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 5,46. Уч.-изд. л. 4,27. Тираж 100. Заказ 1293. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.