11.3.4. Защита от ионизирующих излучений

Если в момент времени t число нераспавшихся атомов радиоак­тивного источника N= N(t), то за интервал времени dt распадается dN атомов и активность радионуклида¹ А = -N, а постоянная распада со = A/N. Отсюда следует

A(t)= N(t) со = N₀(oe~^&t = А₀е~^ш. (11.116)

Так как масса одного атома равна а/п (где а — атомная масса, а п = 6,022 • 10²³ — число Авогадро), то #атомов имеют массу М= Na/n и, следовательно, активность источника массой М равна

А = со Мп/а.

Из выражения (11.116) видно, что постоянная распада со связана с полупериодом распада Т_{/2 (Т_{/2 — время, за которое распадается поло­вина атомов источника: N(t) = N₀/2) соотношением со = In 2/Г_1/2.

Защита от у-излучения. Мощность (поглощенной) дозы у-излуче- ния в воздухе D (аГр/с) пропорциональна активности А (Бк) точечно­го нуклида и обратно пропорциональна квадрату расстояния г (м) от изотропного источника до приемника:

D(t)= ₂ г

ТА«)__Л (11.117)

:— — U п. С ,

где Г — керма-постоянная, (аГр • м²)/(с • Бк). Интегрируя выраже­ние (11.117), можно найти дозу в воздухе за некоторый интервал вре­мени Т:

ГД( 1-е-^г)М

[D₀T при соГ«1 (Т_1/2»Т). (11.118)

Рис. 11.61. Схема прохождения излучений сквозь защиту

Формулы (11.117) и (11.118) справедливы для расчета полей излу­чения точечных источников¹ в непоглощающей и нерассеивающей среде. Они позволяют выбрать такие значения А, г, t, при которых бу- дут соблюдаться установленные норма­ми предельно допустимые уровни из­лучения. Если соответствие нормам обеспечить нельзя, то между источни­ком и приемником у-излучения рас­полагают защиту.

При прохождении излучением за­щитной среды приемник регистрирует (рис. 11.61) как непровзаимодейство- вавшие со средой излучение 7, так и од­нократно 2 и многократно Зпровзаимо- действующее и 4рассеянное излучение. Излучение 5...Р не достигает приемни­ка: излучение 56 из-за поглощения в среде, излучение 7, 8из-за направления траектории за защитной средой не на приемник, а излучение 9 — вследствие отражения. В первом приближении расчет защиты можно произвести, учи­тывая только нерассеянное излучение.

Мощность дозы излучения D при установке защитного экрана тол­щиной h (см. рис. 11.61) претерпевает изменение на расстоянии г по экспоненциальному закону:

-8h

D

ID⁺ =ТА/г² при отсутствии защиты, \l)~ = D⁺e

при наличии защиты

где 8 — линейный коэффициент ослабления.

Определяя коэффициент защиты в виде k_w= D⁺ / ZT, находят эф­фективность защиты

е = 10 \%k_w— 4,34SA.

Чтобы учесть рассеянное излучение, мощность поглощенной дозы представляют в виде суммы

D; =ZT+AZT = D(l + AD/D) = DB,

где Z>~ и В — соответственно мощность дозы нерассеянного излуче­ния при наличии защиты и некоторая прибавка к этой мощности,

учитывающая наличие рассеянного излучения; безразмерная вели­чина В= (1 + AD~ /D ) называется фактором накопления. Фактор накопления зависит от всех характеристик источника и защитной среды, в том числе от толщины экрана. Его обычно определяют экс­периментально и представляют в виде В = B(dh, г, z), где е и z — соот­ветственно энергия у-квантов и атомный номер защитной среды. В табл. 11.27 приведены значения фактора накопления и линейного ко­эффициента ослабления для некоторых материалов. С учетом рассе­янного излучения коэффициент и эффективность защиты равны:

k_w=D⁺ /D; =t^bh/B(bK Z),

-a

с = 4,34 5h- 10 lfrff (SA, e, z).

В качестве примера вычислим коэффициент и эффективность за­щиты для свинцового экрана толщиной h= 13 см при работе с точеч­ным радионуклидным источником с энергией квантов в 1 МэВ.

Пользуясь табл. 11.27, определяем, что без учета рассеянного из­лучения е = 4,34 • 0,77 • 13,0 = 43,4 дБ (k_w& 2,2 • 10⁴), а с учетом рассе­янного излучения с = 43,4 - 10 lg3,74 = 37,7 дБ(^ « 5,9 • 10³).

Таблица 11.27. Фактор накопления и линейный коэффициент ослабления некоторых материалов, используемых при защите от излучений

Материал	s, МэВ	г -1 О, СМ	Дозовый фактор накопления В при 5/г
			1	4	10	20
Вода	0,05	0,20	4,42	22,6	90,9	323
	0,50	0,10	2,44	12,8	62,9	252
	1,00	0,07	2,08	7,68	26,1	74,0
	5,00	0,03	1,57	3,16	6,27	11,41
	10,00	0,02	1,37	2,25	3,86	6,38
Алюминий	0,05	0,86	1,70	6,20	12	19
	0,50	0,22	2,37	9,47	38,9	141
	1,00	0,16	2,02	6,57	21,2	58,5
	5,00	0,08	1,48	2,96	6,19	11,9
	10,00	0,06	1,28	2,12	3,96	7,32
Свинец	0,05	82,1	—	—	—	—
	0,50	1,70	1,24	1,69	2,27	2,73
	1,00	0,77	1,37	2,26	3,74	5,86
	5,10	0,48	1,21	2,08	5,55	23,6
	10,00	0,55	1,11	1,58	4,34	39,2

Защита от нейтронного излучения. Пространственное распределе­ние плотности потока (мощности дозы) нейтронов в большинстве случаев можно описать экспериментальной зависимостью ср = ф₀е~^5Л. В расчетах вместо линейного коэффициента ослабления 8 часто ис­пользуют массовый коэффициент ослабления 8* = 8/р, где р — плот­ность защитной среды. Тогда произведение Sh может быть представ­лено в виде bh = 8* • (рК) = Ъ*т*, где т* — поверхностная плотность экрана. С учетом этого

_ф = (11.119)

где Z и Z* — соответственно линейная и массовая длина релаксации нейтронов в среде. На длине релаксации, т. е. при h = L или при т* = Z*, плотность потока (мощность дозы) нейтронов ослабляется в е раз (k_w = е). Некоторые значения т* и Z* для разных защитных сред даны в табл. 11.28.

Таблица 11.28. Длины релаксации нейтронов в среде в зависимости от среды и энергии нейтронов

Среда	s = 4 МэВ			8	= 14...15 МэВ
	/я*, г/см2	L*, г/см2	0	т*, г/см2	L*, г/см2	0
Вода	90	6,2	5,4	120	14,2	3,0
Углерод	118	19	1,4	118	32,9	1,3
Железо	350	59,5	4,9	430	64,2	2,7
Свинец	565	169	4,0	620	173	2,9

Так как длина релаксации зависит от толщины защиты, плотность потока (мощность дозы) нейтронов обычно определяют по формуле

-У ДА,- /L;

q> = q>₀e- , (11.120)

где АН_{и п — соответственно толщина /-го слоя защиты, при которой длина релаксации может быть принята постоянной, равной Z„ и чис­ло слоев, на которые разбита защита.

На начальном участке толщиной (2...3)L закон ослабления может отличаться от экспоненциального, что учитывается коэффициентом 6 (см. табл. 11.28), на который умножаются правые части соотноше­ний 11.119 и 11.120.

При проектировании защиты от нейтронного излучения необхо­димо учитывать, что процесс поглощения эффективен для тепловых, медленных и резонансных нейтронов, поэтому быстрые нейтроны должны быть предварительно замедлены. Тяжелые материалы хоро­шо ослабляют быстрые нейтроны. Промежуточные нейтроны эффек­тивнее ослаблять водородсодержащими веществами. Это означает, что следует искать такую комбинацию тяжелых и водородсодержа- щих веществ, которые давали бы наибольшую эффективность (на­пример, используют комбинации Н₂0 + Fe, Н₂0 + РЬ).

Защита от заряженных частиц. Для защиты от а- и р-частиц излу­чения достаточно иметь толщину экрана, удовлетворяющую нера­венству h > R_h где Ri — максимальная длина пробега а (/ = а) или Р (/ = Р) частиц в материале экрана. Длину пробега рассчитывают по эмпирическим формулам. Пробег i^-частиц (см) при энергии 8 = 3...7 МэВ и плотности материала экрана р (г/см³)

_t flO^-4s^3/2ра^1/2 в среде, отличной от воздуха; ^а [0,318s^3/2 в воздухе.

Максимальный пробег р-частиц

2,5г в экране из алюминия; 450s в воздухе.

Обычной слой воздуха в 10 см, тонкая фольга, одежда полностью экранируют а-частицы, а экран из алюминия, плексигласа, стекла толщиной несколько миллиметров полностью экранируют поток Р-частиц. Однако при энергии р-частиц 8 > 2 МэВ существенную роль начинает играть тормозное излучение, которое требует более усиленной защиты.

Контрольные вопросы к главе 11

271. Какие принципы заложены в формирование понятия системы ЧМС?

272. Какие цели достигаются в процессе анализа опасностей?

273. Из каких элементов состоит и как функционирует система управления опасностями?

274. Как классифицируют ЧП?

275. Как на практике рассчитывают вероятность несчастного случая при аварии?

276. Какие основные методы качественного анализа опасностей используют на практике?

277. Чем отличается анализ опасностей с помощью дерева причин от анализа опасностей с помощью дерева последствий?

278. Какими соотношениями описывают систему ЧМС при количественном анализе опасностей?

279. Что представляет собой и как рассчитываются подсистемы ИЛИ-И и

и-или?

280. Какие соотношения используют для определения и расчета риска и как проводят его ранжирование?

281. Назовите область применения Правил устройства и безопасной эксплуа­тации сосудов, работающих под давлением, Госгортехнадзора РФ.

282. Надо ли регистрировать в Госгортехнадзоре сосуд емкостью 20 л с давле­нием 100 МПа?

283. Каковы причины разрушения и разгерметизации систем повышенного давления?

284. Что находится в трубопроводе желтого цвета с красными кольцами?

285. Какое должно быть пробное давление при гидравлических испытаниях литой емкости, работающей под давлением 100 МПа в цехе с нормальным мик­роклиматом?

286. Назовите контрольно-измерительные приборы и средства защиты, при­меняемые при эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

287. Какие вы знаете средства защиты от механического травмирования?

288. Какие помещения относятся к особо опасным по электрической опасности?

289. Зачем предусматривается повторное заземление нулевого проводника в системах зануления электроустановок?

290. Что относится к основным электроизолирующим средствам в электроус­тановках?

291. Какие принципы и методы защиты можно сформулировать на базе обоб­щенного защитного устройства и как оценить ее эффективность?

292. Какими физическими величинами и уровнями при организации защиты характеризуют свободные и диффузные волновые поля?

293. Как рассчитывают коэффициенты отражения и передачи защитных уст­ройств конечной и бесконечной толщины?

294. Назовите методы защиты от вибраций и шума.

295. Назовите методы защиты от электромагнитных полей, как определяется при этом эффективность защиты?

296. Какие методы защиты от ионизирующих излучений и частиц существуют и как определяется при этом эффективность защиты?

297. Как с помощью светофильтров ослабляют лазерное излучение и оцени­вают величину ослабления?

298. Какие материалы применяют при защите от шума и электромагнитных полей?