Практическое занятие № 7 Расчет защиты от ионизирующего излучения (ии)

Проф., д.т.н. Варенков А.Н., асс. Смирнова Н.А.

Основные понятия и определения.

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых с окружающей средой приводит к ее ионизации, т.е. образованию электрических зарядов противоположных знаков. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют во внесистемных единицах – электрон-вольтах, эВ (1 эВ = 1,60206·10^-19 Дж). Излучения характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности. Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т.е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема массы среды или на единице длины пути. Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленный тем или иным взаимодействием.

Существуют два вида ионизирующих излучений:

- корпускулярное – поток элементарных 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 при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Эти ядра имеют массу 4 а.е.м. (атом­ных единиц массы) и заряд +2, и обла­дают большой скоростью. Для микромира это очень тяжелая частица, которая быстро находит для себя мишень, двигаясь в любой среде (лист писчей бумаги ее не пропускает). Альфа-частица воздействует на мишень как массой при соударении (подобно столкновению билллиардных шаров), так и электрическим зарядом.

Энергия α-частиц, испускаемых различными радионуклидами, лежит в пределах 2-8 МэВ (1 МэВ = 10³ кэВ =10⁶ эВ). При этом все ядра данного радионуклида испускают α-частицы, обладающие одной и той же энергией. 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. Длина пробега α-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани – несколько десятков микрон.

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.

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. При распаде ядер β-активного радионуклида, в отличие от α-распада, различные ядра данного радионуклида испускают β-частицы различной энергии, поэтому энергетический спектр β-частиц непрерывен. Средняя энергия β-спектра составляет примерно 0,3 E_max. Максимальная энергия β-частиц у известных в настоящее время радионуклидов может достигать 3,0-3,5 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). Иони­зирующая способность этого вида излучения ниже, чем α-излучения (на 0,01 м пробега β-частица в среде образует несколько десятков пар ионов), а проникающая способность выше (максимальный пробег достигает нескольких метров при больших энергиях).

Для защиты от 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).

Нетроны (нейтронное излучение) представляет собой поток ядерных час­тиц, не имеющих электрического заряда. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, при прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов. В результате этих процессов образуются либо заряженные частицы (ядра отдачи, протоны, нейтроны), либо γ-излучение, вызывающие ионизацию. По характеру взаимодействия со средой, зависящему от уровня энергии нейтронов, 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), релятивистские нейтроны (свыше 20 МэВ). Масса нейтрона равна 1 а.е.м.

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.

Для защиты от нейтронного облучения 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.

При поглощении нейтронов происходит испускание гамма-квантов. Для защиты от 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. комбинации).

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.

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

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.