Лекция 5 защитные экраны: классификация, материалы
Защитой называют материалы, располагаемые для ослабления потоков ионизирующих излучений между источником излучения и зоной размещения персонала или оборудования.
В рамках данной лекции мы произведём классификацию защитных экранов по различным признакам, определим требования к материалам защиты и приведём характеристики материалов защиты, наиболее часто используемых на практике.
Классификация защитных экранов
Классификация защитных экранов производится по нескольким признакам: по назначению экрана, по его исполнению, геометрии, компоновке и т.д.
Защитные экраны бывают штатными (рассчитанными на весь срок службы источника или помещения, в котором проводятся работы с источниками излучения – предусмотренные проектом источника кожухи, стены здания, перегородки и т.п.) и технологическими (временными, устанавливаемыми лишь на период проведения наиболее затратных по дозе работ – переносные ширмы, средства индивидуальной защиты и т.п.).
Защитные экраны могут состоять из одного слоя материала (однородной смеси компонентов) – тогда такой экран называют гомогенной защитой, а могут – из нескольких слоёв различных материалов, тогда экран называют гетерогенной защитой. В качестве примера гомогенной защиты можно привести бетонную стену или стальной экран, в качестве гетерогенной – железоводную защиту реактора.
По назначению выделяют следующие типы защитных экранов:
- биологическая защита. Такие экраны предназначены для защиты человека, живых организмов и окружающей среды от воздействия излучения. Всегда, когда непосредственно за защитным экраном может находиться человек, такой экран будет классифицироваться как биологическая защита. Цель биологической защиты – снижение уровня излучения за экраном ниже допустимых для данного помещения значений (контрольных уровней);
- радиационная защита. Защитные экраны такого типа предназначены для снижения радиационных повреждений в технологических конструкциях, материалах, оборудовании. Радиационные повреждения происходят, в первую очередь, за счёт нейтронного облучения – ядерные реакции, происходящие под действием нейтронов, могут нарушать кристаллическую структуру вещества, что отрицательно сказывается на прочности материала. Также электронные приборы могут быть выведены из строя высокими потоками излучений;
- тепловая защита. Цель таких защитных экранов – снизить радиационное тепловыделение в конструкциях, материалах и оборудовании, находящихся за ними. Поглощение и рассеяние излучения в материалах вызывает их нагревание, что, при больших потоках излучения, может привести к перегреву, деформации или даже расплавлению отдельных элементов конструкции или деталей оборудования.
По исполнению выделяют следующие типы экранов:
Сплошная защита.
Рисунок 12. Сплошная защита.
Сплошная защита (рисунок 12) целиком окружает источник излучения, либо же представляет бесконечный экран, расположенный таким образом, чтобы никакая частица или квант излучения не попал в защищаемую зону, не пройдя через этот экран.
Примером сплошной защиты могут являться контейнеры, в которых осуществляется транспортирование радиоактивных веществ или отходов.
Раздельная защита.
На рисунке 13 приведено изображение раздельной защиты. Наиболее мощные источники излучения окружает слой первичной защиты (например, первичная защита активной зоны ядерного реактора). В помещениях за первичной защитой обычно сохраняется достаточно высокий уровень излучения и персонал в таких помещениях длительное время находится не может. Но в таких помещениях, например, может располагаться вспомогательное оборудование, требующее эпизодического доступа персонала. Для того, чтобы человек мог находиться в помещениях более длительное время – необходимо создание дополнительных экранов, называемых вторичной защитой. Между первичной и вторичной защитой также могут располагаться источники излучения (например, системы первого контура ядерного реактора). Последующие слои могут потребоваться для дополнительного снижения уровня излучения.
Рисунок 13. Раздельная защита.
Теневая защита.
Рисунок 14. Теневая защита.
В случае использования теневой защиты (рисунок 14) защищаемая область ограничивается «тенью», «отбрасываемой» защитой. Защита такого типа применяется при наличии ограничений, например, по массе экрана или по другим причинам. Такие экраны предотвращают прямое прохождение излучения до облучаемого объекта, но при этом сохраняется воздействие отражённого излучения (например, от стенок помещения).
К защите такого типа, например, будут относиться защитные ширмы, используемые в медицинских учреждениях при проведении рентгенорадиологических процедур.
Частичная защита.
Рисунок 15. Частичная защита.
При использовании частичной защиты (рисунок 15) в некоторых направлениях излучение проходит через слой защитного материала, а в других – нет. Ярким примером использования защиты такого типа могут служить элементы индивидуальной защиты – фартуки, нарукавники, головные уборы. Они предназначаются для защиты от воздействия излучения наиболее чувствительных органов человека. Широкое применение такие защитные приспособления нашли при проведении рентгенографических исследований в медицине, когда происходит прямое облучение исследуемого органа, в то время как другие органы находятся за слоем защитного материала.
В качестве критерия классификации также можно рассматривать геометрию защиты. В данном случае рассматривается точечный изотропный источник излучения S и точечный изотропный детектор излучения D.
А) Бесконечная защита.
Критерий бесконечности защиты формулируется следующим образом: если любое окружение выделенной защитной среды любым дополнительным слоем материала не изменяет показаний детектора, то такая среда называется бесконечной. То есть, вероятность того, что любая частица, рассеянная за пределами выделенной области защитной среды, будет зарегистрирована детектором D, практически равна нулю. Такие условия достигаются, когда граница защитной среды находится на расстоянии и от источника, и от детектора не менее 6-8 длин свободного пробега данного вида излучения в данной среде.
Примером бесконечной защиты (рисунок 16) может служить вода, при условии погружения на достаточную глубину и источника, и детектора, при условии значительного удаления их от дна и берегов моря; или горные породы, в которых произведено захоронение радиоактивных отходов при наличии в толще породы детектора, по показаниям которого может отслеживаться состояние этого захоронения.
Рисунок 16. Бесконечная геометрия защиты.
При рассмотрении геометрии защиты как бесконечной, считают, что любая частица, испущенная источником в любом направлении, имеет ненулевую вероятность быть зарегистрированной детектором.
Б) Полубесконечная защита.
Если защитная среда имеет плоскую границу, за которой находится среда, не обладающая рассеивающими свойствами по отношению к излучению и на границе раздела этих сред находится детектор излучения (рисунок 17) или его источник (рисунок 18), то такую защиту называют полубесконечной.
Рассеяние изучения в такой геометрии будет происходить лишь в полупространстве, занимаемом защитной средой, для которой во всех направлениях, кроме направления к границе сред, выполняется критерий бесконечности.
Примеры такой геометрии защиты можно встретить в геологоразведке, когда в толщине горной породы находится источник излучения в виде залежей радиоактивного материала, а его поиск производится с помощью детектора на поверхности горной породы. Другим примером может являться случай, когда за излучением, исходящим от ядерной реакторной установки судна, плывущего по поверхности моря, наблюдают с помощью находящегося на глубине детектора излучения. В данных примерах воздух считается нерассеивающей средой, «вакуумом».
Рисунок 17. Полубесконечная геометрия защиты с детектором на границе и источником излучения внутри защитной среды.
Рисунок 18. Полубесконечная геометрия защиты с источником на границе и детектором излучения внутри защитной среды.
При рассмотрении полубесконечной геометрии с детектором на границе защитной среды, считается, что частицы и кванты излучения, вышедшие за плоскость детектора (то есть, покинувшие защитную среду) не будут зарегистрированы детектором. Аналогично, в случае полубесконечной геометрии с источником на границе защитной среды, не будут зарегистрированы частицы и кванты, испущенные источником в полупространство, в котором отсутствует защитная среда.
В) Барьерная защита.
Рисунок 19. Барьерная геометрия защиты.
На рисунке 19 приведена барьерная геометрия защиты. При такой геометрии защитный материал заполняет лишь пространство между параллельными плоскостями, в которых расположен источник излучения и детектор. Эта геометрия является наиболее распространённой из рассматриваемых в данной классификации. Примером такой геометрии может служить достаточно протяжённая стена, с одной стороны которой находится источник излучения, а со второй стороны детектор фиксирует его излучение.
Помимо прямого излучения, не испытавшего рассеяние по пути от источника до детектора, детектор зафиксирует лишь то излучение, которое рассеявшись внутри защитной среды, стало распространяться по направлению к детектору.
Г) Ограниченная геометрия.
Под ограниченной (рисунок 20) понимается защита, у которой хотя бы один из размеров не может быть принят бесконечным. Излучение, вышедшее за любую из границ ограниченной среды, не будет зафиксировано детектором. Зарегистрируется лишь прямое излучение и то излучение, которое, рассеявшись в пределах среды приобрело направление в сторону детектора.
Рисунок 20. Ограниченная геометрия защиты.
Проанализировав все приведённые геометрии защиты, можно прийти к выводу о том, что наибольшие показания детектора (при одинаковых характеристиках источника, детектора, одинаковом расстоянии между ними, одном и том же материале среды) оказываются в условиях бесконечной защиты, несколько меньше они окажутся в полубесконечной геометрии, ещё более низкими – в барьерной геометрии и минимальными – в ограниченной геометрии. Поскольку мы приняли условия одинаковыми, то уровень прямого излучения во всех случаях окажется одинаковым и разность показаний детектора будет обусловлена рассеянным излучением. Таким образом, справедливо следующее неравенство для факторов накопления в различных геометриях защиты:
