ЗИИ_Лаб / Лаб_2 / лаб 2 расчет защиты от фотонного излучения

РАСЧЕТ ЗАЩИТЫ ОТ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующего излучения практически во все сферы деятельности человека создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и окружающей среды. Поэтому задача защиты от ионизирующих излучений является основополагающей в области радиационной безопасности, решением которой занимаются многие международные и российские организации и к настоящему времени накоплен большой опыт.

Для расчета защиты от фотонного излучения разработан ряд методов, некоторые изложены и используются в данной работе.

1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ДОЗОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Радиационная безопасность населения – состояние защищенности настоящего и будущих поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего излучения.

Предел дозы (ПД) – величина годовой эффективной или эквивалентной дозы техногенного облучения, которая не должна превышаться в условиях нормальной работы. Соблюдение предела годовой дозы предотвращает возникновение детерминированных эффектов, а вероятность стохастических эффектов сохраняется при этом на приемлемом уровне.

Контроль радиационный – получение информации о радиационной обстановке в организации, в окружающей среде и об уровнях облучения людей (включает в себя дозиметрический и радиометрический контроль).

Место рабочее – место постоянного или временного пребывания персонала для выполнения производственных функций в условиях воздействия ионизирующего излучения в течение более половины рабочего времени или двух часов непрерывно.

Мощность дозы – доза излучения за единицу времени (секунду, минуту, час).

Доза поглощенная (D) – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

D dmde ,

где de - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, а dm - масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм ( ), и имеет специальное название – грей (Гр). Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 1рад 0, 01Гр .

Доза эквивалентная (HT,R) – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, WR:

HT ,R WR DT ,R ,

где DT ,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани T, а WR -

взвешивающий коэффициент для излучения R.

При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

HT HT ,R

R

Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (WR) - используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов

Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые 20 ядра

Примечание: Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения - испускаемому при ядерном превращении.

2

Экспозиционная доза

Экспозиционная доза – специфическая величина в дозиметрии, введенная для фотонного излучения с энергией 1 кэВ - 3 МэВ. В настоящее время в области радиационной безопасности данная величина не используется. Тем не менее, дозиметры, измеряющие мощность экспозиционной дозы (в мкР/ч) до сих пор производят и используют на практике.

Экспозиционная доза фотонного излучения – отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились, к массе dm воздуха в этом объеме:

X dQ / dm.

Установленная в СИ единица экспозиционной дозы – кулон на килограмм (Кл/кг). Ранее в практике и научной литературе была

распространена внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). 1 Р = 2,58 х 10-4 Кл/кг.

В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,8 Гр в воздухе или 37,2 Гр в биологической ткани; для внесистемных единиц 1 Р соответствует поглощенной дозе 0,873 рад в воздухе или 0,96 рад в биологической ткани. Эти соотношения могут быть использованы для преобразования результатов измерения мощности экспозиционной дозы в мощность поглощенной дозы.

2.ТРЕБОВАНИЯ К ОГРАНИЧЕНИЮ ТЕХНОГЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ УСЛОВИЯХ

Внормальных условиях эксплуатации источников излучения устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:

1.персонал (группы А и Б);

2.все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Для категорий облучаемых лиц устанавливаются три класса нормативов:

1.основные пределы доз (ПД), приведенные в таблице 1;

2.допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облучения), являющиеся производными от основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные активности (ДОА) и среднегодовые удельные активности (ДУА), уровни вмешательства (УВ) и другие;

3.контрольные уровни (дозы, мощности доз, уровни, активности, плотности потоков и др.). Их значения должны учитывать достигнутый в организации уровень радиационной безопасности и обеспечивать условия, при которых радиационное воздействие будет ниже допустимого.

3

Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы от природного и медицинского облучения, а также дозы вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения. Исключение составляют пределы доз для персонала, которые включают в себя дозы от природного облучения в производственных условиях.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) - 1000 мЗв, а для населения за период жизни

(70 лет) - 70 мЗв.

При одновременном воздействии на человека источников внешнего и внутреннего облучения годовая эффективная доза не должна превышать пределов доз, установленных в табл.1.

Для студентов и учащихся старше 16 лет, проходящих профессиональное обучение с использованием источников излучения, годовые дозы не должны превышать значений, установленных для персонала группы Б.

Таблица 1. Основные пределы доз

* Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения персонала группы Б равны 1/4 значений для персонала группы А. Далее в тексте все нормативные значения для категории персонал приводятся только для группы А.

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ

Фотонное ионизирующее излучение – это электромагнитное, косвенно ионизирующее излучение высокой энергии. Характер взаимодействия фотонов с веществом определяется только их энергией и не зависит от происхождения. В общем, это взаимодействие представляет собой

4

сложный комплекс процессов (более десятка), но основную роль в ослаблении потока фотонов играют 3 процесса: фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (эффект Комптона), эффект образования электроннно-позитронных пар. Наибольший вклад в ослабление потока высокоэнергетических фотонов (в соответствующей области энергий) вносят фотоядерные реакции.

Фотоэффект – это испускание электронов веществом род действием электромагнитного излучения. Он невозможен на свободном электроне, так как законы сохранения энергии и импульса требуют участия в этом взаимодействии третьего тела. При атомном фотоэффекте первичный фотон поглощается и передает свою энергию одному из атомных электронов. В результате этот электрон (фотоэлектрон) покидает атом с некоторой кинетической энергией, которою можно найти из закона сохранения энергии для этого процесса (соотношение Эйнштейна)

Te = Eγ – Wq

где Eγ – энергия первичного фотона; Wq – энергия связи фотоэлектрона на q

– оболочке атома.

Результатом фотоэлектрического поглощения фотона является ионизация атома, т.е. переход его в состояние с большей энергией, которое является неустойчивым. Последующий переход атома в нормальное состояние происходит путем испускания характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) и оже-электронов.

Радиационный (излучательный) переход

Свободное место на q-уровне заполняет электрон с более высокого уровня Y и при этом испускается фотон характеристического излучения. Энергия этого фотона определяется формулой, которая соответствует закону сохранения энергии, и равна

Ex = hν qr = Wq – Wy

где Wq > Wy, а ν qr – частота испущенного фотона.

В атоме после радиационного перехода остается одна вакансия, т.е. он остается еще в ионизированном состоянии.

Оже-эффект (безрадиационный переход)

В этом случае свободное место на q – уровне заполняет электрон с находящегося выше уровня Y, а выделившаяся при этом энергия передается одному из электронов с вышележащего уровня X, который покидает атом (оже-электрон). Оже – эффект может иметь место, если только для энергии этих уровней выполняется условие Wq – Wy > Wx..

Кинетическую энергию оже-электрона To можно найти из выражения:

To = Wq – Wy - Wx

После оже-эффекта в атоме появляются две вакансии.

Эффект Комптона – это рассеяние электромагнитного излучения (фотонов) на электронах, сопровождающееся уменьшением энергии

5

(частоты) первичного излучения. Комптоновское рассеяние не приводит к поглощению первичного фотона. После рассеяния он имеет большую энергию, а часть первичной энергии передается атомному электрону.

В предположении, что электрон свободен и покоится, энергию фотона E'γ , кинетическую электрона T и их направления движения после рассеяния можно найти из законов сохранения энергии и импульса.

Eγ = E'γ + T

Pγ = P'γ + P'e,

E'γ = Eγ/(1+k(1-cosθ)),

где θ – угол рассеяния фотона относительно его первоначального направления движения; k = Eγ/mec² - энергия первичного фотона в единицах mec².

Эффект образования электронно-позитронных пар – это типично квантовый процесс. Он происходит в сильном электрическом поле ядра, при этом первичный фотон превращается в электронно-позитронную пару, которой передается (с учетом энергии покоя) почти вся энергия фотона Eγ (некоторую энергию отдачи получает ядро, но по причине его большой массы она невелика, обычно менее 5 МэВ).

Фотоядерные реакции – это реакции, в результате которых первичный фотон поглощается ядром, а снятие возбужденного состояния ядра происходит с испусканием нейтронов или заряженных частиц. Типичными фотоядерными реакциями являются реакции: (γ,n),(γ,2n), (γ,p),(γ,np).

Все фотоядерные реакции являются эндоэнергетическими (пороговыми), а величина пороговой энергии фотона равна энергии связи частиц, которые испускаются при поглощении фотона ядром.

4. ПОЛНОЕ СЕЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОТОНОВ

Полное (интегральное) сечение взаимодействия фотонов равно сумме отдельных (парциальных) сечений взаимодействия, т.е.

Е ф Е К Е П Е ,n ...... ,

где Ф, К П ,n - это, соответственно, макроскопические линейные (1/м)

сечения фотоэффекта, комптоновского рассеяния, образования пар, образования фотонейтронов. Полное сечение характеризует суммарную вероятность взаимодействия фотонов с веществом, приводящего как к поглощению, так и к рассеянию фотонов. Первые 3 члена в (1) практически полностью определяют величину полного сечения (или ).

Макроскопические сечения взаимодействия равны произведению

отношение числа ИЧ определенного и-го типа взаимодействий с частицами

6

вещества в эоементарном объеме, при флюенсе Ф, к числу N частиц (мишеней) в этом объеме и к этому флюенсу

сечение) отношение числа n определенного i-го типа взаимодействий ионизированных частиц с частицами в элементарном объеме, при флюенсе,

к числу N частиц(мишеней) в этом объеме и к этому флюенсу i ni

N

na NAA , N A -число Авагадро, А-атомная масса вещества.

Кроме линейных макроскопических сечений часто используют массовые макроскопические сечения, которые мы обозначили буквой

где -плотность вещества (г/см 3 ).

Полные макроскопические сечения взаимодействия фотонов часто называют коэффициентами ослабления (соответственно, линейными ил массовыми).Для веществ со сложным составом массовым коэффициент ослабления определяется следующим образом:

wi i

t

где wi - массовая (весовая) доля i-го элемента в веществе, а i -его

коэффициент ослабления.

Для расчета поглощенной дозы за защитой от фотонного излучения нам понадобится также коэффициент поглощения энергии фотонов (линейный или массовый). Полный коэффициент поглощения энергии равен доли энергии фотона , которая преобразуется в результате взаимодействий на единице пути в кинетическую энергию заряженных частиц. Будем обозначать линейный коэффициент - пог , см-1 поглощения энергии,

массовый - пог (см 2 / г ).

Значений сечений для сложных веществ рассчитывались в соответствии с формулой (3) .Если в рассматриваемом диапазоне энергий для данного элемента (вещества) попадают энергии связи соответствующих электронных оболочек, то для этих энергий приводятся минимальное и максимальное значение сечений, обусловленных скачком фотопоглощения на этой оболочке для соответствующего элемента.

Мы рассмотрели основные особенности процессов взаимодействия фотонов, которые необходимо учитывать при расчете защиты от этого излучения. В заключение отметим следующее. В результате взаимодействия фотонов с веществом (фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование электроннопозитронных пар, фотоядерные реакции и т. д.) энергия

7

первичных высокоэнергетических фотонов преобразуется в энергию вторичных частиц:

часть энергии переходит в кинетическую энергию заряженных частиц: фотоэлектроны, оже-электроны, комптоновские электроны отдачи, электронно-позитронных пар, которые быстро поглощаются в защите.

часть энергии идет на образование вторичного фотонного излучения: фотоны, ХРИ, тормозное излучение электронов и позитронов, аннигиляционное излучение, которое имеет большую проникающую способность;

часть энергии передается нейтронам, которые имеют большую проникающую способность и создают наведенную активность в защите, воздухе, элементах конструкции.

5. ФАКТОРЫ НАКОПЛЕНИЯ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Число фотонов в моноэнергетическом мононаправленном пучке изменяется с толщиной вещества x по экспоненциальному закону.

где - линейный коэффициент ослабления, см-1. Численные значения линейных коэффициентов ослабления для некоторых материалов представлены в таблице 2 [10].

Формула (1) определяет ослабление нерассеянного пучка, когда детектор регистрирует только излучение, которое не испытало взаимодействий с атомами вещества и имеет то же направление и энергию, что и излучение источника.

Таблица 2. Линейный коэффициент ослабления для различных материалов

Поле фотонного излучения в реальных задачах определяется не только нерассеянным излучением источника, но и рассеянными фотонами, которые испытали однократное или многократное взаимодействие в воздухе или материале защиты. Кроме этого в детектор попадает также вторичное излучение: аннигиляционное, характеристическое, тормозное.

Геометрию, при которой детектор регистрирует нерассеянное (первичное), рассеянное излучение, а также вторичное излучение, называют геометрией широкого пучка или плохой геометрией.

8

Выражение (1). Удобно для расчета ослабления нерассеянного излучения в веществе. Чтобы сохранить простоту записи при этом учесть рассеянное и вторичное излучение поступают следующим образом. Рассеянное в среде излучение источника и вторичное излучение учитывают введением в закон ослабления нерассеянного излучения сомножителя – фактора накопления фотонного излучения.

Если обозначить через G0 некоторую характеристику поля нерассеяного излучения (число частиц, интенсивность, дозу и т.д.), а через Gs - поля

рассеянного и вторичного излучения, то фактор накопления по данной характеристике поля излучения равен

т.е фактор накопления (ФН) равен отношению поля нерассеяного и рассеянного излучения к полю только нерассеяного излучения. Иногда говорят, что ФН равен отношению показания детектора при измерении в геометрии широкого пучка к показанию детектора при измерении в геометрии узкого пучка. Из определения ФН следует, что всегда BG 1.

В зависимости от регистрируемых характеристик поля излучения различают следующие ФН (все определения дадим для источника моноэнергетических фотонов с энергией Е0 ):

Числовой ФН – для плотности потока фотонов

определяется в соответствии в выражением (1), для изотропного источника необходимо учитывать также геометрическое ослабление излучения;

Энергетический ФН – для плотности потока энергии (интенсивности) фотонов

Дозовый ФН – для поглощенной дозы в воздухе, для экспозиционной дозы

где погвоз - коэффициент поглощения энергии фотонов в воздухе;

9

ФН поглощенной энергии – для поглощенной в среде энергии

где погср - коэффициент поглощения энергии фотонов в данной среде.

Из выражений (5),(6) следует, что дозовый ФН равен ФН поглощенной энергии в воздухе.

При решении большинства практических задач защиты от ионизирующих излучений приходится иметь дело с широким пучком. В этом случае спектр и угловое распределение регистрируемого излучения существенно отличаются от спектра и углового распределения первичного пучка. Например, если первичный пучок моноэнергетический, то регистрируемое излучение может иметь непрерывный спектр и ослабление всего излучения происходит не по экспоненциальному закону.

Польза от введения ФН заключается в том, что с его помощью можно написать закон ослабления широкого пучка в том же простом виде, что и для нерассеянного излучения.

Например, плотность потока фотонов за защитой толщиной d на расстоянии x от моноэнергетического источника фотонов с энергией E0 можно записать следующим образом:

где 0 x - плотность потока нерассеяного излучения источника на

расстоянии x от него без учета ослабления в защите. Для изотропного источника

вторичного фотонного излучения, которое образовалось в слое защиты толщиной d.

Подобным образом, в виде трех сомножителей и используя соответствующие ФН, можно записать закон ослабления для интенсивности излучения, дозы, мощности дозы.

где BD - дозовый ФН в бесконечной геометрии.

10