Лабораторные работы / Лабораторная работа №4

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ»

КАФЕДРА «ЭКОЛОГИЯ»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№4

«ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

Выполнили:

студенты группы М092501(70)

Новиков М.С, Зобов И.Р, Ягудин Р.Р,

Крапильский А.А, Рожков Е.И, Широков Н.Д,

Шаинян С.А.

Проверила:

к.э.н., доцент Федоркина И.А.

МОСКВА

2023

Цель работы:

Применить теоретические знания при расчете в представленных задачах.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Воздействие на человека ИИ может быть внешним, внутренним или смешанным (внешним и внутренним), поэтому меры защиты в зависимости от интенсивности и вида могут быть различны. Во всех случаях комплекс защитных мероприятий должен обеспечить снижение суммарной дозы от всех источников до уровня, не превышающего предельно допустимой дозы или предела дозы для соответствующей категории людей.

Технический персонал службы дозиметрии и радиационной безопасности предприятий (учреждений), как правило, не должен заниматься расчетом и конструированием основных технических средств защиты, но иногда все же приходится оперативно решать вопросы обеспечения безопасных условий работы с радиоактивными веществами и другими источниками ИИ.

Защита от α-излучения. Защита от внешнего α-излучения не является проблемой, так как пробег даже самых высокоэнергетических α-частиц незначителен (в воздухе не превышает 10 см). 

Установлен ряд эмпирических соотношений между пробегом α-частиц (см) в воздухе и их энергией (МэВ). Так, для расчетов в воздухе применяют формулу Гейгера (при t = 15 °С и давлении 760 мм рт. ст.): 

(1.1)

А для любого вещества с атомной массой А формулу Брэгга: 

(1.2)

где:

Rα – максимальный пробег, см; 

ρ – плотность вещества, г/см3; 

Еα – энергия α-частиц, МэВ. 

Реальную опасность α-частицы представляют при попадании их внутрь организма, где происходит непосредственный контакт излучения с тканью.

Защита от β-излучения. Для защиты персонала от внешнего β-излучения все операции с β-радионуклидами ведутся за экраном или в защитных шкафах. Расчет толщины защитного экрана не представляет сложной задачи, но необходимо иметь в виду, что при прохождении β-частиц через вещество возникает тормозное излучение, которое может существенно увеличить дозу излучения. 

Для выбора экрана необходимо брать вещество с малым атомным номером Z. 

Наиболее подходящими для этой цели являются оргстекло, различные пластические массы, алюминий, а при малой энергии β-частиц применяют железо и медь. На практике чаще всего толщина защитного экрана берется равной максимальному пробегу β-частиц R_макс. 

Пробег β-частиц в воздухе зависит от энергии частиц и составляет от десятков до нескольких сот сантиметров. Для определения максимального пробега β-частиц в веществе в зависимости от их энергии предложены различные эмпирические формулы.

Защита от гамма-излучения. Защита от воздействия гамма-излучения может быть осуществлена временем, расстоянием и поглощающими экранами.

Приближенный расчет защиты по слоям половинного ослабления. В практических расчетах для приближенного быстрого определения толщины защиты от гамма-излучающих источников конкретных радионуклидов можно использовать значения слоя половинного ослабления гамма-квантов в геометрии широкого пучка. Например, для 27 Сo и 88 Rа значения Δ1/ 2 можно принять равными: 

для свинца – 1,3 см

для железа – 2,4

для бетона – 6,9 см (экспериментальные данные).

Расчет защиты от сложного гамма-спектра (метод конкурирующих линий).

РЕШЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Задача 1. Во сколько раз пробег в воздухе α-частиц, испускаемых 

²³⁹ Ри (5,15 МэВ) Е_a = больше пробега α-частиц от ²³⁸ ₉₂ U (4,18 Е_α = МэВ)?

Решение:

Воспользуемся формулой Гейгера (1.1)

Для 239239Pu (E1=5.15E1​=5.15 МэВ):

Для 238238U (E2=4.18E2​=4.18 МэВ):

Нахождение отношения пробегов:

Нам нужно найти, во сколько раз R1​ больше R2​:

Задача 2. Определить пробег α-частиц ²³⁹₉₄ Ри в биологической ткани. При расчете принять атомную массу биологической ткани А = 15,7, а ее плотность 3 ρ 1 = г/см 

Решение:

Сначала найдем пробег α-частицы в воздухе по эмпирической формуле для диапазона 4-7 МэВ:

Пересчет пробега из воздуха в ткань

Задача 3. Оценить пробег β-частиц, испускаемых 

⁹⁰ ₃₉ Y (2,18 Eβ = МэВ) в воздухе 3 (ρ 0,00129 = г/см) и биологической ткани.

Решение:

Подставим E = 2.18 МэВ:

Переведём в линейный пробег в воздухе:

Расчет пробега в биологической ткани:

Ответ:

Пробег β-частиц с E_β = 2.18 МэВ в воздухе около 8.1 м.

Пробег в биологической ткани около 1.15 см.

Задача 4. Рассчитать безопасное расстояние, на котором облучение соответствует предельно допустимому (Д = 100 мР), если М = 200 мг-экв. Rа, t = 12 ч/нед.

Решение:

Формула для мощности дозы от точечного источника:

​

Задача 5. Мощность экспозиционной дозы без защиты на рабочем месте равна Р 280 мР/ч. Найти толщину защиты из железа, если источником является ¹³⁷ ₅₅ Сs (0,661 МэВ), Eγ = α - время работы 25 ч/нед.

Решение:

Недельная доза без защиты:

Требуемый коэффициент ослабления:

Расчёт толщины защиты железа

Используем формулу ослабления γ-излучения в узком пучке:

Линейный коэффициент ослабления:

Расчёт толщины

Проверка по таблицам слоев половинного ослабления

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Задача 6. Рассчитать толщину защиты из свинца от точечного источника ⁶⁰ ₂₇ СО активность 100 мКи. Расстояние до рабочего места 2 м, а время работы 36 ч/нед.

Решение:

Мощность экспозиционной дозы без защиты на расстоянии R:

Недельная доза без защиты

Требуемый коэффициент ослабления

Метод через μ (узкий пучок):

Метод через слои половинного ослабления:

Толщина:

По таблицам Широкова-Гурова толщина свинца 5,5 см.

Задача 7. Рассчитать толщину водной защиты шахты промежуточного хранения урановых блочков, имеющих гамма-эквивалент 10⁷ г-эквRа, если глубина шахты 8 м, а время работы 36 ч/нед. Слой половинного ослабления воды в геометрии широкого пучка для данной энергии гамма-излучения принять равным 100 см.

Решение:

Мощность экспозиционной дозы на глубине шахты (без защиты водой) была бы:

Недельная доза без защиты

Требуемый коэффициент ослабления

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Задача 8. Определить толщину бетонной защиты герметичной камеры, предназначенной для обработки в ней отработавших в ядерных реакторах ТВэлов с суммарным гамма-эквивалентом 50 г-эквRа. Расстояние от источника до рабочего места оператора, управляющего манипуляторами, равно 2 м. Время работы 36 ч/нед. 

Решение:

Мощность экспозиционной дозы без защиты:

Недельная доза без защиты

Требуемый коэффициент ослабления

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Задача 9. Определить безопасное расстояние R при 36-часовой рабочей неделе, на котором можно работать с полониево-бериллиевым источником, испускающим 10⁶нейт/с с энергией 5 МэВ; Еп ≈ гамма-излучением пренебречь.

Решение:

Плотность потока нейтронов на расстоянии RR (см) от точечного изотропного источника:

Интегральный за неделю флюенс на расстоянии R:

Перевод флюенса в эквивалентную дозу

Условие безопасности и нахождение R

Полагаем ПДД H≤100 мбэр/недH≤100 мбэр/нед:

Задача 10. Рассчитать толщину защиты из парафина для снижения плотности потока нейтронов 5; 10 нейт/(см) с энергией En = 1 МэВ до предельно допустимого значения при 36-часовой рабочей неделе. Δ_1/2 принять равным 7 см.

Решение:

Определение допустимой плотности потока:

Подставим численно:

Требуемый коэффициент ослабления:

Расчёт толщины парафина

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Задача 11. Мощность экспозиционной дозы, измеренная дозиметром от точечного изотропного источника гамма-излучения ⁶⁰ СО (1,25 МэВ) Е_γ = на рабочем месте равна Р 77,2 мкР/с. Определить толщину свинцовой защиты XРв, если продолжительность работы с источником для лиц категории облучения А составляет t = 6 ч.

Решение:

 Расчёт дозы за 6 ч без защиты

Доза за 6 ч:

Определение требуемого коэффициента ослабления

Если принять ПДД за 6 ч = 100 мР = 0.1 Р, то:

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Задача 12. Точечный изотропный источник ⁶⁰ СО транспортируется в течение двух суток. Активность источника А = 5,4 Ки. Определить толщину свинцового контейнера, учитывая, что расстояние от экспедитора до источника R = 2 м. 

Решение:

Мощность экспозиционной дозы без защиты на расстоянии R:

Доза за время без защиты

Требуемый коэффициент ослабления

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

По таблицам для ⁶⁰Co и K≈855K≈855 толщина свинца составит около 13 см.

Задача 13. Свинцовая защита (толщина Х = 1,5 см) рассчитана для работы с точечным изотропным источником ¹³⁷ Сs (0,7 МэВ) E_γ = в течение t₁ = 0,5 ч с соблюдением предельно допустимой дозы. Какую толщину свинцовой защиты следует добавить, чтобы обеспечить работу в течение t₂ = 10 ч? 

Решение:

Отношение времён работы

Значит, коэффициент ослабления K должен быть увеличен в 20 раз.

Нахождение дополнительной толщины:

Задача 14. Оператору при работе со смесью радиоактивных продуктов деления с эффективной энергией E_эф = 1,5 МэВ пришлось изменить расстояние с R₁ = 5 м до R₂ = 1 м. Какой толщины должен быть свинцовый экран, если при работе на расстоянии 5 м соблюдалась предельно допустимая экспозиционная доза? Предусмотреть двукратный запас. Источник считать точечным изотропным.

Решение:

Мощность экспозиционной дозы от точечного изотропного источника:

Отношение мощностей доз на расстояниях R2​ и R1​:

С учётом двукратного запаса:

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Уточнение для энергии 1.5 МэВ

Ответ: Толщина свинцового экрана должна быть около 6.8 см.

Задача 15. Для градуировки дозиметра применяется точечный изотропный радионуклид ⁶⁰ СО активностью А = 50 мКи. Определить время работы при шестидневной рабочей неделе без защиты, чтобы обеспечить предельно допустимую эквивалентную дозу для персонала категории А. Расстояние от источника до оператора R = 2 м. Ослаблением и рассеиванием гамма излучения в воздухе пренебречь.

Решение:

Мощность экспозиционной дозы на расстоянии R:

Расчёт допустимого времени работы

ПДД за неделю: D =100 мР

Мощность эквивалентной дозы:

ПДД = 1000 мкЗв/нед:

Задача 16. Спроектировать защиту из свинца от гамма-излучения точечного изотропного источника ⁶⁰ СО с активностью А = 10 мКи. Расстояние до рабочего места R = 1 м. Время работы t = 6 ч в день. 

Решение:

Доза за время без защиты

Требуемый коэффициент ослабления

Число слоёв половинного ослабления:

Толщина:

Задача 17. Определить толщину защиты экрана при работе с точечным изотропным источником ¹³⁹ Сs (0,7 МэВ) E_γ = гамма-эквивалент которого равен 50 мг-экв. Rа, в течение 6 ч на расстоянии 0,5 м. 

Решение:

Доза за 6 ч без защиты

Требуемый коэффициент ослабления

Получился коэффициент ослабления меньше 1, что означает, что даже без защиты доза за 6 ч (1.008 мР) меньше предела 100 мР.

Это говорит о том, что защита не требуется. Даже без экрана доза составляет всего около 1 мР при допустимых 100 мР.

Задача 18. Рассчитать толщину свинцового экрана, если необходимо снизить интенсивность гамма-излучения =1,25*10⁸ раз. Слой половинного ослабления для свинца Δ 1,3 1/2 = см.

Решение:

Расчёт числа слоёв половинного ослабления

Подставляем:

Расчёт толщины экрана:

Ответ: Толщина свинцового экрана должна быть 35.0 см.

Задача 19. Определить необходимую толщину защиты свинцового стекла, чтобы уменьшить мощность поглощенной дозы Д = 6,6 рад/ч до допустимого значения для персонала категории А при 30-часовой рабочей неделе. Слой половинного ослабления свинцового стекла Δ 2,1 1/2 = см.

Решение:

Расчёт недельной дозы без защиты:

 Требуемый коэффициент ослабления:

Число слоёв половинного ослабления:

Толщин:

Ответ: Толщина защиты из свинцового стекла должна быть 23.0 см.

Задача 20. Рассчитать толщину защиты водного экрана в бесконечной геометрии, ослабляющую гамма-излучение с энергией 3 МэВ точечного изотропного источника в 1000 раз.

Решение:

Расчёт числа слоёв половинного ослабления:

Расчёт толщины водного экрана

Для узкого пучка:

Для широкого пучка (бесконечная геометрия):

Выводы:

В данной лабораторной работе на практике были освоены методы расчёта основных параметров защиты от ионизирующих излучений различного типа. В ходе выполнения заданий были получены следующие навыки и выводы:

1. Защита от α-излучения

Установлено, что пробег α-частиц в биологической ткани крайне мал (десятки микрометров).

Для работы с α-активными источниками достаточно простых средств защиты (перчатки, спецодежда), так как α-частицы полностью задерживаются поверхностными слоями материалов.

2. Защита от β-излучения

Рассчитан пробег β-частиц в воздухе и тканях. Например, для β-частиц с энергией 2.18 МэВ пробег в воздухе составляет несколько метров, а в ткани — порядка 1 см.

Для ослабления β-излучения требуются материалы с низким атомным номером (например, алюминий, пластик) для уменьжения тормозного излучения.

3. Защита от γ-излучения

Освоены методы расчёта толщины защиты из свинца, бетона и воды для точечных изотропных источников (¹³⁷Cs, ⁶⁰Co).

Установлено, что эффективность защиты зависит от энергии γ-квантов и плотности материала. Например, слой половинного ослабления для свинца составляет 1.1–1.3 см, для воды — 10–16 см.

Рассчитаны безопасные расстояния и время работы с источниками, учитывая предельно допустимые дозы облучения.

4. Защита от нейтронного излучения

Изучены особенности ослабления нейтронов парафином и водой. Например, для нейтронов с энергией 1 МэВ слой половинного ослабления в парафине составляет ~7 см.

Показано, что водородсодержащие материалы эффективно замедляют быстрые нейтроны, а добавление поглотителей (бора, кадмия) необходимо для захвата тепловых нейтронов.

5. Расчёт коэффициентов ослабления и запаса прочности

На примерах задач продемонстрировано, как изменение расстояния до источника, времени работы и активности влияет на требования к защите.

Учтена важность двукратного и более запаса при проектировании защиты для обеспечения безопасности в нештатных ситуациях.