Расчет защиты от ионизирующего излучения (ии) Основные понятия и определения

В науке и технике часто используют устройства, являющиеся источником ионизирующего излучения (ИИ) (рентгеновские установки, томографы, мониторы ПК, дифрактометры рентгеновские общего назначения (ДРОН), электронные микроскопы и т.д.), представляющего опасность для человека.

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых с окружающей средой приводит к ее ионизации, т.е. образованию электрических зарядов противоположных знаков.

Существуют два вида ионизирующих излучений:

- корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа-, бета-, нейтронное излучение);

- фотонное – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны (гамма- и рентгеновское излучение).

Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Энергия α-частиц не превышает нескольких МэВ (1 МэВ = 10⁶ эВ; 1 эВ = 1,60206·10^-19 Дж). Излучаемые α-частицы движутся в среде практически прямолинейно со скоростью порядка 2·10⁷ м/с. Вследствие своей большой массы эти частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом. Это обуславливает их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: α-частица при движении в воздушной среде образует на 1 см пробега несколько десятков тысяч пар ионов.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Заряд β-частицы равен -1. Масса β-частицы в 7,5 тыс. раз меньше массы α-частиц. В зависимости от природы источника β-излучений скорость этих частиц может достигать 0,99 скорости света. Энергия β-частиц составляет несколько МэВ, длина пробега в воздухе порядка 18 м, а в мягких тканях человеческого тела – 2,5·10^-2 м. β-частицы имеют более высокую проникающую способность, чем α-частицы (из-за меньших массы и заряда).

Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 кэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 кэВ) и быстрые нейтроны (от 500 кэВ до 20 МэВ). Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии и атомной массы вещества, с которыми они взаимодействуют. Нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью (она существенно выше, чем у α- или β-частиц) и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения.

Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой высокочастотное электромагнитное излучение с высокой энергией (0,01...3 МэВ) и малой длиной волны (от 2·10^-2 нм в сторону коротких волн). Практически не имеет массы и заряда. γ-излучение испускается при ядерных превращениях радионуклидов или аннигиляции (взаимодействии) частиц. γ-излучение обладает высокой проникающей способностью (за счет высокой энергии и малой длины волны). Ионизирующая способность γ-излучения меньше, чем у α- и β-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях.

Рентгеновское излучение представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения с длиной волны = 10^-7 ÷ 10^-14 мкм и энергией квантов 1 кэВ ÷ 1МэВ. Тормозное рентгеновское излучение – ЭМИ с непрерывным спектром, возникающее при торможении веществом быстрых электронов и изменении в этой связи кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение – ЭМИ с дискретным спектром, возникающее при дискретном изменении энергетического состояния атома. Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубках, в ускорителях электронов, а также в среде, окружающей источник β-излучения. Это излучение, как и γ-излучение обладает большой глубиной проникновения в среду и малой ионизирующей способностью.

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов  эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения

Выбор защитного экрана следует производить в зависимости от вида ИИ.

Для защиты от α-излучения применяют экраны из стекла, плексигласа толщиной в несколько миллиметров. Достаточной защитой от α-излучения является слой воздуха в несколько сантиметров.

В случае β-излучения используют материалы с малой атомной массой (например, алюминий), а чаще комбинированные (со стороны источника – материал с малой, а затем далее от источника – применяют материал с большей атомной массой).

Для защиты от нейтронного излучения применяют бериллий, графит и материалы, содержащие водород (парафин, вода). Для защиты от нейтронных потоков с малой энергией широко применяются бор и его соединения. Бетон также можно использовать для защиты от нейтронов.

В случае воздействия γ-излучения и нейтронных потоков применяются комбинированные экраны: смеси тяжелых металлов с водой или водородосодержащими материалами, а также комбинации слоев тяжелых и легких материалов (свинец – вода, свинец – полиэтилен, железо – вода и др. пары и комбинации).

Фотонные излучения обладают наименьшей ионизирующей способностью и наибольшей проникающей способностью. Обеспечить полную защиту от фотонных излучений не представляется возможным. Защитные устройства позволяют лишь ослабить их интенсивность в любое число раз. Для защиты от γ-излучений применяют материалы с большой атомной массой и высокой плотностью (свинец, вольфрам), а также более легкие материалы, являющиеся менее дефицитными и более дешевыми (сталь, чугун, сплавы меди). Смотровые системы изготавливают из специальных прозрачных материалов, например, свинцового стекла. Стационарные экраны выполняются из бетона и баритобетона. В качестве защищающего от γ-лучей материала применяют также свинцовую резину.

γ–излучения оказывают сильное воздействие на биологический объект. Действие γ–лучей оценивается дозами излучения, являющимися количественными параметрами, позволяющими оценить степень и форму лучевых поражений организма человека.

Экспозиционная доза X – отношение полного заряда всех ионов одного знака ΔQ, созданных в элементарном объеме воздуха в условиях электронного равновесия, к массе воздуха Δm в этом объеме. Единица измерения – Кл/кг. 1 Кл/кг = 3,88·10³ Р.

Поглощенная доза D – отношение средней энергии ΔE, переданной ИИ веществу в элементарном объеме, к массе вещества Δm в этом объеме. Единица измерения – Грей (Гр). 1 Гр = 100 рад.

Эквивалентная доза – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент W_R для данного вида излучения R. Единица измерения – Зиверт (Зв). 1 Зв = 100 бэр.

Здесь D_T,R – средняя поглощенная доза в органе или ткани Т.

Эффективная доза E_T,R – эквивалентная доза, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент W_T для данного вида ткани Т. Единица измерения – Зиверт (Зв).

Здесь Н_Т,R – средняя эквивалентная доза в органе или ткани T;

Мощность дозы – приращение соответствующей дозы за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (экспозиционной, поглощенной и т.п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин и др.).

Так, например, мощность экспозиционной дозы, [Кл/(кг·с)].

1 Кл/(кг·с) = 1 А/кг = 3,88·10³ Р/с; 1 Р/c = 2,58·10^-4 Кл/(кг·с) = 2,58·10^-4 А/кг.

Нормами радиационной безопасности НРБ-99/2009 установлены значения предельно допустимых доз излучения для персонала, непосредственно работающего с источниками ИИ (группа А), персонала, находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б) и населения (табл. 1).

Таблица 1

Значения предельно допустимой эквивалентной дозы внешнего облучения

специалистов различной категории

Категория облучаемого специалиста	ПДД
	мЗв/нед	мЗв/год	мР/с
Персонал (группа А)* Население	0,4 мЗв/нед в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 1 мЗв/нед 0,02 мЗв/нед в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 0,1 мЗв/нед	20 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв/год 1 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв/год	3,09·10-4 7,72·10-4 0,15·10-4 0,77·10-4

* ПДД для персонала группы Б равны ¼ значений для персонала группы А.