Романцов В.П., Романцова И.В., Ткаченко В.В. Сборник лабораторных работ по Дозиметрии и защите от ионизирующего излучени

энергий нейтронов и соответствующие этим диапазонам значе-

ния wR.

Среди нейтронов с энергиями менее 10 кэВ можно выделить группу тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны – это нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с атомами материала, в котором они распространяются, и имеющие приближенно максвелловское распределение нейтронов по энергии. Наиболее вероятная энергия таких нейтронов при комнатной температуре – 0,025 эВ.

Основными процессами, которые наблюдаются при взаимодействии нейтронов со средой, являются упругое рассеяние (n, n), неупругое рассеяние (n, n ), радиационный захват (n, ), расщепление с вылетом заряженных частиц14 (n, ), (n,p), . . . , деление ядер (n, f). В большинстве случаев при взаимодействии со средой нейтрон не поглощается, а рассеивается на некоторый угол, теряя при этом энергию.

При упругом рассеянии (n,n) нейтрон меняет свое направление, а часть его кинетической энергии передается ядру отдачи. Упругое рассеяние нейтронов происходит при любой энергии и является наиболее эффективным процессом передачи энергии любых нейтронов. Из законов сохранения энергии и импульса можно рассчитать энергию, которую получает ядро отдачи яд при упругом взаимодействии:

где 0 – начальная энергия нейтрона; M, m – массы ядра и нейтрона соответственно; – угол между первоначальным направлением нейтрона и направлением движения ядра отдачи в лабораторной системе координат.

Максимальная энергия, передаваемая нейтроном ядру (при этом = ),

14 В реакторной терминологии этот процесс называют «захват с испусканием заряженных частиц».

51

а средняя энергия примерно равна половине максимальной энергии max:

Из формул (2.3) и (2.4) видно, что чем легче ядра поглощающей среды, тем большую долю энергии теряют нейтроны в процессе упругого рассеяния. Например, при столкновении с ядром атома водорода (протоном) max = 0, при столкновении с ядром атома кислорода max = 0,22 0, а с ядром атома железа – 0,07 0. Получив такую энергию, тяжелое ядро атома начинает двигаться в веществе. При этом атом в целом теряет электроны и становится положительно заряженным ионом. При движении через вещество такой ион производит ионизацию и возбуждение встречных атомов.

Поскольку при упругом рассеянии на водороде (масса протона примерно равна массе нейтрона) передается максимальная энергия нейтрона, лучшими замедлителями являются водородсодержащие среды.

Неупругое рассеяние нейтронов (n,n ) – рассеяние, при котором часть кинетической энергии нейтрона передается ядру в качестве энергии возбуждения. Поскольку ядро может находиться только в определенных дискретных возбужденных состояниях, неупругое рассеяние возможно только в том случае, когда энергия нейтрона выше хотя бы первого возбужденного состояния. Возбуждение ядра снимается путем испускания одного или нескольких - квантов, а спектр испускаемых -квантов зависит от структуры энергетических уровней возбужденного ядра. Таким образом, неупругое рассеяние характерно только для быстрых нейтронов, оно может происходить на любом ядре, имеющем уровни возбуждения, т.е. на всех ядрах кроме водорода, дейтерия и гелия.

Как правило, энергия порога с увеличением массового числа уменьшается. Например, энергии первого возбужденного состояния ядер элементов 12С, 56Fe и 235U составляют 4,44, 0,845 и 0,007 МэВ соответственно.

Для биологических объектов неупругое рассеяние малозаметно в формировании дозы нейтронов, а в защитных материалах, таких как железо и бетон, становится существенным.

52

Радиационный захват (n, ) – это неупругое взаимодействие, приводящее к поглощению нейтрона и образованию возбужденного состояния ядра. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких фотонов. Подавляющее большинство нейтронов поглощается в тепловой области энергий, хотя этот эффект может наблюдаться в промежуточной и в резонансных областях. Сечение захвата нейтронов захв в низкоэнергетической области обратно пропорционально квадратному корню из энергии нейтрона n: захв

Радиационный захват может происходить на ядрах почти всех элементов. Фотонное излучение, возникающее при радиационном захвате, имеет очень высокую суммарную энергию (6 – 8 МэВ), поэтому в некоторых практических задачах, например, при проектировании защиты, захватное -излучение играет определяющую роль в формировании поля излучения за защитой.

Расщепление с вылетом заряженных частиц (n,р), (n, ), (n,d)

и т.д. также относится к неупругим взаимодействиям нейтронов с ядрами среды. Реакции расщепления с вылетом заряженных частиц идут тоже с образованием возбужденного ядра и возможны только в том случае, когда быстрый нейтрон передает протону (или -частице, или дейтону и т.п.) энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Расщепление с вылетом заряженных частиц наиболее вероятно для быстрых нейтронов, взаимодействующих с легкими ядрами. При больших энергиях нейтронов (больше 10 МэВ) реакция (n, ) в биологических объектах становится заметной, а при 20 МэВ может формировать до половины дозы, причем на углероде и кислороде протекают реакции (n, ), (n,2 ), (n,3 ) и т.д. Для медленных нейтронов этот процесс маловероятен, за исключением четырех случаев: 6Li(n, )3H; 10B(n, )7Li; 3He(n,р)3H; 14N(n,р)14C.

Таким образом, радиационный захват и расщепление с вылетом заряженных частиц приводят к поглощению нейтрона и передаче его энергии вторичному излучению. При упругом и неупругом рассеянии только часть энергии нейтрона преобразует-

53

ся в энергию заряженных частиц и ядер отдачи. Считается, что образующиеся при взаимодействии нейтронов заряженные частицы и ядра отдачи поглощаются средой вблизи от места своего образования. Наоборот, образующиеся при радиационном захвате -кванты, имеющие большой пробег, могут выйти из окружающей среды. Также из поглотителя могут выйти и рассеянные нейтроны.

ФОРМИРОВАНИЕ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ НЕЙТРОНОВ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ

Примерный химический состав мягкой биологической ткани можно выразить формулой «воображаемой тканевой молекулы» (С5Н40О18N)х. По числу атомов в биологической ткани первое место занимает водород, а по массе – кислород. Поскольку состав мягкой биологической ткани почти постоянен по основным элементам, преобладание того или иного процесса взаимодействия нейтронов с атомами среды определяется только энергией нейтронов. Из всех перечисленных процессов взаимодействия нейтронов в живой ткани возможны любые процессы кроме деления.

Передача энергии нейтронов в биологической ткани происходит, главным образом, за счет взаимодействия с веществом вторичных тяжелых заряженных частиц и фотонов, возникающих в результате рассеяния нейтронов на ядрах легких элементов, составляющих биологическую ткань. К этим «переносчикам энергии» относятся протоны отдачи, тяжелые ядра отдачи, продукты ядерных реакций (n, ), (n,p), фотоны, возникающие при радиационном захвате.

Основной вид взаимодействия нейтронов с легкими ядрами – упругое рассеяние.

Ядра отдачи, возникающие при рассеянии нейтронов с энергией менее 10 кэВ, в большинстве своем не обладают энергией, достаточной для ионизации, поэтому их вклад в поглощенную дозу незначителен. Претерпевая упругое рассеяние, такие нейтроны быстро замедляются до тепловых энергий, при которых нейтроны уже имеют большую вероятность захватиться ядрами составляющих среду элементов. Наибольшее значение при

54

взаимодействии тепловых нейтронов с элементами ткани имеют две реакции: радиационный захват ядрами водорода 1Н(n, )2Н и реакция на ядрах азота с вылетом протона 14N(n,p)14C. Возникающие при радиационном захвате на водороде -кванты имеют энергию = 2,23 МэВ, при взаимодействии с тканью эти - кванты могут дать существенный вклад в дозу. В реакции на азоте возникают протоны с энергией 0,62 МэВ и ядра 14C. Протоны практически все поглощаются в месте своего возникновения, в отличие от -квантов радиационного захвата, имеющих в ткани пробег ~ 22 см.

Таким образом, при взаимодействии медленных нейтронов с тканью основная доля поглощенной энергии приходится на вторичное излучение, возникающее, во-первых, в процессе захвата тепловых нейтронов водородом и, во-вторых, в процессе реакции на азоте с вылетом протонов. Вклад в поглощенную дозу от-квантов радиационного захвата примерно в 20 раз больше, чем вклад, обусловленный протонами (рис. 2.2). Вклад в дозу-квантов и протонов определяется размерами биологического объекта. При облучении больших объемов определяющий вклад в дозу дают захватные -кванты, при уменьшении размеров объекта уменьшается роль захватных -квантов и возрастает долевое участие протонов.

Основной процесс, определяющий передачу энергии быстрых нейтронов (> 100 кэВ) в ткани, – упругое рассеяние. Почти вся поглощенная энергия распределяется между ядрами отдачи водорода (протоны отдачи), кислорода, углерода и азота, причем вклад в поглощенную дозу за счет протонов отдачи составляет 70 80 %. Вклад в поглощенную дозу за счет ядер отдачи других элементов, входящих в состав ткани, незначителен.

Преобладающая роль водорода при взаимодействии быстрых нейтронов с биологической тканью обусловлена несколькими причинами. Во-первых, сечение рассеяния на ядрах водорода больше, чем на ядрах других элементов, входящих в состав биологической ткани. Во-вторых, ядер водорода (протонов) в ткани больше, чем ядер всех других элементов. В-третьих, при упругом рассеянии на протоне возможна максимальная передача энергии нейтрона (формулы (2.3) и (2.4)).

55

на азоте (рис. 2.2). Однако биологическая эффективность протонов намного больше, чем -квантов, и, следовательно, оба вида излучения вносят примерно одинаковый вклад в эквивалентную дозу, т.е. Нпр Н . Рекомендуемые значения коэффициентов, отображающих качество излучения, изменяются по мере расширения наших знаний о механизме биологического действия излучения. Поэтому к энергетической чувствительности эквивалентной дозы следует относиться как к некоторой условной характеристике поля нейтронного излучения.

ЭФФЕКТИВНАЯ ДОЗА НЕЙТРОНОВ

Для нейтронов так же, как и для любого другого вида излучения возможен расчет эффективной дозы по формуле (34) – численным интегрированием поглощенной энергии по органам и тканям с учетом радиационных и тканевых взвешивающих коэффициентов. Этот путь, очевидно, сложен и поэтому на практике эффективную дозу рассчитывают иначе. Определение эффективной дозы внешнего облучения нейтронами (как и любыми другими частицами), можно разделить на два этапа:

-оценка флюенса нейтронов Ф, воздействующих на человека;

-оценка эффективной дозы Е внешнего облучения для известного флюенса и направленности излучения.

Эффективная доза внешнего облучения Е прямо пропорциональна флюенсу излучения Ф, падающему на тело человека. Ко-

эффициент пропорциональности Е( n) в этой зависимости носит название дозового коэффициента внешнего облучения16, он ра-

вен эффективной дозе внешнего облучения, рассчитанной для флюенса Ф = 1 нейтр./см2; другими словами, Е это эффективная доза, нормированная на единичный флюенс (рассчитанная для флюенса, равного единице). Таким образом, если известен флюенс Ф( n) (или плотность потока ( n)), а дозовый коэффициент равен Е( n), то тогда

16 Дозовый коэффициент внешнего облучения Е еще называют коэффициентом перевода плотности потока (флюенса) в мощность дозы (дозу).

58

(2.5)

(2.6)

При расчете дозовых коэффициентов учитываются искажения, которые вносит тело человека в поле излучения, поэтому дозовые коэффициенты зависят от направленности излучения. В таблице 2.2 приведены дозовые коэффициенты Е( n) для двух наиболее характерных типов поля излучения – изотропного (ИЗО) и мононаправленного, падающего на тело человека в направлении грудь-спина (передне-заднее облучение или ПЗ). Геометрии ИЗО и ПЗ являются двумя крайними случаями возможного распределения флюенса; реальные условия облучения находятся между ними. Зависимости дозовых коэффициентов Е от энергии нейтронов n для геометрий ИЗО и ПЗ приведены на рис. 2.4 в диапазоне энергий нейтронов от тепловых до 20 МэВ; заштрихована область реальных условий облучения.

Таким образом, определение мощности эффективной дозы при облучении моноэнергетическими нейтронами может быть выполнено без особого труда по формуле (2.6). В случае облучения нейтронами деления, имеющими в своем спектре нейтроны с энергией от тепловой до ~ 20 МэВ, необходимо воспользоваться зависимостью дозового коэффициента Е от энергии нейтронов n, представленной на рис. 2.4 (или данными табл. 2.2). Чтобы выполнить приближенную оценку эффективной дозы, можно весь энергетический диапазон испускаемых нейтронов деления разбить на несколько частей i = 1. . . n, для каждого интервала выбрать среднюю энергию нейтронов i и для этой

средней энергии i найти дозовый коэффициент (из рис. 2.4 или

табл. 2.2). Далее этот коэффициент ( i) умножить на плотность потока ( i) нейтронов, принадлежащих этому i-му промежутку, и все произведения просуммировать по n энергетическим интервалам.

Таблица 2.2 Значения мощности эффективной дозы Е моноэнергетических нейтронов, нормированные на единичную плотность потока и отношение эквивалента дозы Н, измеренного МКС к значению эффективной

59

дозы в передне-задней геометрии Е(ПЗ) для различных энергий нейтронов n

60