Лекция 4 закон ослабления излучения в веществе. Принципы защиты при работе с закрытыми и открытыми источниками излучения

В предыдущих лекциях были рассмотрены поля излучения источников в идеальных условиях, когда между источником и точкой детектирования нет никаких препятствий для прохождения излучения и его ослабление происходит лишь за счёт расстояния (вернее, за счёт уменьшения телесного угла, под которым виден облучаемый объект из геометрического центра источника). В реальных условиях между источником излучения и точкой детектирования будут находиться различные вещества (как минимум – воздух) и возникает необходимость учёта ослабления излучения в этих материалах.

Закон ослабления излучения

Рассмотрим точечный источник излучения производительностью S, детектор D, находящийся на расстоянии r от источника излучения и защитный экран толщиной d, расположенный между источником и детектором (рисунок 7).

Рисунок 7. К закону ослабления излучения.

При толщине защитного экрана d = 0 уровень излучения в детекторе D определится аналогично уровню излучения для точечного источника без защиты. Плотность потока тогда будет равна:

Если толщина защитного экрана будет отличной от нуля, это приведёт к тому, что часть излучения будет поглощена веществом экрана, а часть – рассеяна при взаимодействии. Поскольку вероятность взаимодействия излучения с веществом сохраняется постоянной, то из потока на единице длины пробега будет выбывать одинаковая доля частиц или квантов излучения, определяемая линейный коэффициентом ослабления излучения µ или полным макросечением взаимодействия излучения с данным веществом Ʃ_tot.

Таким образом, до детектора будет доходить меньше частиц или квантов и плотность потока тогда можно будет найти по следующей формуле:

или для нейтронного излучения:

Приведённые выше формулы учитывают лишь тот факт, что частицы или кванты излучения выбыли из потока, испытав любое взаимодействие с веществом (поглощение или рассеяние). Запись в данной форме называют законом ослабления излучения в геометрии узкого пучка.

Закон ослабления излучения в геометрии узкого пучка можно представить в виде следующего графика (рисунок 8):

φ/φ₀

Рисунок 8. Зависимость отношения φ/φ₀ от толщины материала d.

Слой защитного материала, который ослабляет уровень излучения в два раза, называют слоем половинного ослабления. На рисунке 8 этот слой обозначен как Δ_1/2.

В реальности картина ослабления излучения в веществе выглядит несколько иначе. Частицы или кванты, испытавшие при взаимодействии с веществом рассеяние, с некоторой вероятностью, после нескольких последующих актов рассеяния, могут выйти из вещества и попасть в детектор. Закон ослабления излучения в геометрии узкого пучка пренебрегает этими частицами, однако на практике их вклад в общий уровень излучения, попавшего в детектор, может быть достаточно большим. Вклад рассеянного излучения в общий поток, дошедший до детектора, определяется величиной фактора накопления B:

где φ_прям – плотность потока в геометрии узкого пучка; φ_расс – плотность потока неоднократно рассеянного в веществе излучения, попавшего в детектор. Фактор накопления будет равен единице в случае, когда всё рассеянное излучение поглотится в веществе и не дойдёт до детектора. В противном случае фактор накопления будет больше единицы.

Рисунок 9. Зависимость дозового фактора накопления от энергии фотонов в воде (1), алюминии (2), железе (3) и свинце (4) для расстояния между источником и детектором .

Фактор накопления включается дополнительным множителем в закон ослабления излучения, а сама форма записи закона называется законом ослабления излучения в геометрии широкого пучка:

Неучёт фактора накопления при расчётах защиты, таким образом, может привести к заниженным значениям потребной толщины материала и, соответственно, к повышенному, по сравнению с допустимым, уровню облучения.

Фактор накопления является сложной функцией, зависящей от энергии излучения, материала вещества и его толщины. Графики зависимости фактора накопления от этих параметров приведены на рисунках 9 – 11.

Рисунок 10. Зависимость дозового фактора накопления от атомного номера материала среды для различных расстояний между источником и детектором при энергии излучения 2 МэВ.

Рисунок 11. Зависимость дозового фактора накопления от расстояния между детектором и источником излучения с энергией E₀ в бесконечной водной среде