Глава 10 защита от ионизирующих излучении

Ионизирующие излучения нашли широкое использование в современ­ной технологии самолетостроения и космической техники, в системах управления летательных аппаратов, в контрольно-измерительной и на ученой аппаратуре, на испытательных установках. Кроме того, в маши­ностроении ионизирующие излучения применяются: для исследования из­носа деталей машин; при автоматизации технологических процессов; при испытании смазочных материалов; при определении структуры спла­вов; для контроля качества отливок, сарных швов и т.д..

Особенностью приборов и устройств, работающих на основе регистра­ции излучений и применяемых в авиации, является: простота конструк­ции и, следовательно, высокая надежность; небольшие масса и габариты; энергетическая экономичность приборов; высокая точность определения требуемых параметров, устойчивость к искусственным помехам; практи­ческая независимость работы от состояния атмосферы и внешних условий.

Способность заряженных альфа- и бета-частиц при прохождении через вещество терять энергию на упругое рассеяние, ионизацию, воз­буждение атомов и тормозное излучение используется при измерении тол­щины различных покрытий, при контроле обледенения самолетов, обнару­жении коррозии под защитным покрытием, для определения химического состава различных сред.

Изменение плотности потока гамма- и рентгеновского излучений применяется при создании приборов для определения: расстояний (источ­ник - детектор); плотности среды; угловой ориентации; уровня горюче­го или масла в топливных баках. Источники рентгеновского излучения используются в рентгеноскопии, для рентгеноструктурного анализа, в рентгено-диагностической аппаратуре, в электронных микроскопах, в передатчиках мощных радиолокационных станций, в телевизионных уста­новках.

В некоторых технологических процессах широко используются ра­диоактивные изотопы, которые позволяют судить о диффузии металлов, о процессах в доменных печах, об износе металлических деталей.

10.1. Виды ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом

Ионизирующими излучениями являются излучения, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации атомов и молекул. К ионизнрующим излучениям относятся: корпускулярные (альфа- и бета-нейтронные), электромагнитные (гамма-рентгеновские). Заряженные частицы (корпус­кулярное излучение) ионизируют атомы или молекулы среды, а электри­чески нейтральное электромагнитное излучение ионизирует атомы среды вторично заряженными частицами,

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускае­мых веществом при радиоактивном распаде ядер или ядерных реакциях. Энергия альфа- распада всех радиоактивных тяжелых ядер составляет от 4 до 9 МэВ. При прохождении в веществе альфа- частица вызывает сильную удельную ионизацию, образуя в воздухе несколько десятков ты­сяч пар ионов на 1 см пути. Кроме энергии, затраченной на ионизацию, альфа- частица теряет свою энергию на возбуждение нейтральных атомов и молекул. Траектории альфа- частиц в веществе прямолинейны и их пробег в воздухе составляет 8-9 см, причем в твердых телах и в жид­кости он чрезвычайно мал, а в живой ткани равен нескольким десяткам микрометров. Скорость наиболее быстрых альфа- частиц достигает 20000 км/с.

Бета-излучение. При бета-распаде радиоактивные ядра испуска­ют электроны или позитроны. Энергия бета- частиц составляет 2-3 МэВ. Скорость бета- частиц в воздухе достигает больших значений и в не­которых случаях равна скорости света, однако при прохождении через вещество их скорость замедляется. Взаимодействие электронов и позитронов с веществом практически одинаково. Взаимодействие быстрых элек­тронов с веществом складывается из трех основных процессов: упругого рассеяния на атомных ядрах; рассеяния на электронах атомных оболочек; неупругие столкновения с атомными ядрами. Вследствие малой массы электронов при движении они отклоняются на большие углы и их траектории из-за многократного рассеяния представляют собой ломанную линию. При неупру­гих столкновениях электронов с ядрами атомов энергия, теряемая электро­ном при торможении в электрическом поле ядра, преобразуется в тормозное рентгеновское излучение. Максимальный пробег бета- частиц в воздухе составляет 18 м, а в живой ткани 2,5 см.. Бета- частицы создают мень­шую, примерно в 10³ раз, удельную ионизацию (несколько десятков пар на 1 см пробега), но имеют более высокую проникающую способность, чем альфа- частицы.

Нейтронное излучение. Потоки нейтронов создаются при делении тя­желых ядер в реакторах или при ядерном взрыве. В частности, свободные нейтроны можно подучить, бомбардируя ядро атома альфа- частицами и гамма- лучами. Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому бес­препятственно сближаются с ядрами атомов, вызывая их превращения. Про­хождение нейтронов через вещество сопровождается двумя процессами: рассеянием и поглощением. При упругом рассеянии происходит соударение нейтронов с ядром атома, в результате чего нейтрон передает часть своей энергии ядру, а сам отклоняется от первоначального пути. Ядро, с которым нейтрон взаимодействовал (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизирует другие атомы. Из-за многократных соударений движение ней­трона замедляется до скорости беспорядочного теплового движения ато­мов и молекул вещества. Такие нейтроны называются тепловыми.

В зависимости от кинетической энергии различают: тепловые нейтроны (энергия меньше 0,5 эВ), промежуточные (0,5-200 кэВ), быстрые (200 кэВ - 20 МэВ), релятивистские (свыше 20 МэВ). Для тепловых нейтронов веро­ятным процессом взаимодействия является радиационный захват. Для про­межуточных нейтронов характерным процессом взаимодействия является не­упругое рассеяние, а также радиационный захват. Для быстрых нейтронов доминирующим процессом взаимодействия является упругое рассеяние. Для релятивистских нейтронов характерно неупругое рассеяние.

Гамма- излучение - электромагнитное (фотонное) излучение, испус­каемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Энергия гамма- излучения зависит от степени возбуждения ядра и колеблется от десятков кэВ до 2-3 МэВ. Гамма- лучи обладают высокой скоростью рас­пространения (как и все электромагнитные волны) и в вакууме эта ско­рость около 300000 км/с. Обладая большой длиной пробега в воздухе и в твердом теле, гамма- излучение способно глубоко проникать в вещество и ткани организма. При прохождении гамма- лучей в веществе ослабление пучка происходит за счет фотоэлектрического эффекта, явления Комптона и в результате образования пар. Фотоэлектрический эффект в основном воз­никает при мягком гамма- излучении тяжелыми элементами и сопровождает­ся испусканием характеристического рентгеновского излучения. Эффектом Комптона называют такое столкновение кванта с электроном, при котором квант передает электрону часть своей энергии и превращается в другой квант с меньшей энергией, что ведет к ослаблению пучка гамма- лучей. Образование пар - это такой процесс взаимодействия гамма- квантов с ядром или электроном, в результате которого квант исчезает, превращаясь в пару частиц: позитрон и электрон, которые расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды.

Рентгеновское излучение представляет собой совокупность тормоз­ного и характеристического излучений, диапазон энергии фотонов кото­рых составляет от 1 кэВ до 1 МэВ. Тормозным излучением называется фо­тонное (электромагнитное) излучение с непрерывным спектром, испуска­емое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Тормозное излучение возникает: в среде, окружающей источник бета- излучения; рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.п. Характеристи­ческим излучением называется фотонное излучение с дискретным спект­ром, излучаемое при изменении энергетического состояния атома. Рент­геновское излучение обладает малой ионизирующей способностью и боль­шой глубиной проникновения. Интенсивность рентгеновского излучения при прохождении его через вещество уменьшается в результате ряда взаи­модействий с электронами и ядрами атомов материала. Основными эффек­тами взаимодействия являются: фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и эффект образования пар.

Для оценки источника излучения и определения его вредного воздей­ствия на человека в радиационной защите используются следующие поня­тия и определения.

Активность А радиоактивного вещества - число спонтанных ядер­ных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt,

деленное на этот промежуток:

(10.1)

Единицей измерения является беккерель (Бк). Специальная единица активности - кюри, Ки.

Экспозиционная доза X - полный заряд dQ ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, деленный на массу воздуха dm в этом объеме:

(10.2)

Измеряется экспозиционная доза в кулонах, деленных на килограмм, Кл/кг. Специальной единицей является рентген, Р.

На рабочем месте экспозиционная доза рассчитывается по формуле:

, (10.3)

где A - активность источника мКи; К_ - гамма- постоянная изотопа, Рсм²/(мКи); t - время облучения, ч; R - расстояние от источника до рабочего места, см.

Экспозиционная доза используется для оценки радиоактивного излу­чения источника по гамма- и рентгеновскому излучениям.

Мощность экспозиционной дозы W определяет приращение экспозици­онной дозы dх за малый промежуток времени dt - и измеряется в Р/с.

(10.4)

Поглощенная доза Д - средняя энергия dE, переданная излу­чением веществу в некотором элементарном объеме, деленная на массу ве­щества dm в этом объеме:

(10.5)

Единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр), специаль­ная единица - рад.

Мощность поглощенной дозы Р - приращение поглощенной дозы dД за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток,и измеряется в Дж/кг с, рад/с или Гр/с:

(10.6)

Эквивалентная доза H - величина, введенная для оценки возмож­ного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирую­щего излучения произвольного состава и определяемая как произведение поглощенной дозы Д на средний коэффициент качества излучения в данном элементе объема биологической ткани:

(10.7)

Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверит (Зв), специальная единица - бэр.

Для излучения, состоящего из нескольких компонентов, эквивалент­ная доза определяется по формуле

, (10.8)

где Д_i и К_i - поглощенная доза i-го компонента излучения и его средний коэффициент качества;

Д(L) - распределение поглощенной дозы по линейной передаче энергии (ЛПЭ);

- поглощенная доза смешанного излучения;

К(L) - регламентированная зависимость коэффициента качества от ЛПЭ.

Линейная передача энергии ЛПЭ (L) - физическая характеристи­ка качества ионизирующего излучения и равна отношению полной энер­гии dE, переданной веществу заряженной частицей вследствие стол­кновения на пути dl, к длине этого пути.

(10.9)

В качестве единицы измерения ЛПЭ используется килоэлектрбнвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.

Безразмерный коэффициент качества К определяет зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека от раз­ных видов ионизирующего излучения.

Коэффициент качества для определения эквивалентной дозы различ­ных видов ионизирующих излучений с неизвестным спектральным составом определяется по табл. 10.1.

Таблица 10.1

Виды ионизирующих излучений	Коэффициент качества
Рентгеновское и гамма- излучение	1
Электроны и позитроны, бета- излучение	1
Протоны с энергией меньше 10 МэВ	10
Нейтроны с энергией меньше 20 МэВ	3
Нейтроны с энергией 0,1-10 МэВ	10
Альфа- излучение с энергией меньше 10 МэВ	20
Тяжелые ядра отдачи	20

Мощность эквивалентной дозы - это приращение эквивалентной дозы dН за малый промежуток времени dt, деленное на этот проме­жуток времени и измеряется в бэр/с.

(l0.10)

Максимальная эквивалентная доза H_м - наибольшее значение сум­марной дозы от всех источников излучения в критическом органе.

Соотношения между рассмотренными единицами измерения в системе СИ и внесистемными единицами приведены в табл. 10.2.

Табл. 10.2. Соотношение между единицами измерения характеристик излучения