1.5. Особенности взаимодействия гамма-излучения с веществом и принципы расчета защиты от внешнего гамма излучения
Гамма-излучение – это коротковолновое (менее 0,1 нм) электромагнитное излучение. Скорость гамма-квантов равна скорости света, энергия гам- ма-излучения находится в интервале 10 кэВ – 5 МэВ. Процесс испускания гамма-кванта радионуклидом происходит без изменения массового числа и заряда. В этой связи гамма-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности возникающие в результате альфа- и бета- распадов ядра оказываются, как правило, в возбужденном состоянии, те. на более высоком энергетическом уровне. Это состояние нестабильное, и их переходы в основное состояние сопровождаются испусканием гамма-квантов.
Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью и проходит через слой свинца толщиной в несколько см. Говорят не о полном поглощении гамма-излучения, а о кратности ослабления пучка
23 гамма-квантов. Поэтому часто гамма-излучение называют проникающей радиацией. Пример Цезий – 137 10 % - частиц и 90 % - квантов Основными процессами взаимодействия гамма-излучения с веществом являются фотоэлектрический эффект, комптон-эффект, эффект образования пар электрон-позитрон. Фотоэффект Это такое взаимодействие фотонного излучения с атомами поглощающего вещества, при котором фотон полностью отдает свою энергию орбитальному электрону Рис. 4. Cхема фотоэффекта h = E
связ.
+ 1/2mv
2
; h > E
связ.
Фотоэффект характерен для гамма-квантов с небольшой энергией и для веществ с большим Z, т. к. ослабляется связь электронов с атомом и возрастает число электронов в атоме. Если h > E
связ. max
, то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, те. глубинных атомных электронов.
Комптон-эффект Это упругое столкновение фотонного излучения с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает часть своей энергии электрону и рассеивается, те. образуется вторичный, рассеянный фотон Рис. 5. Cхема комптон-эффекта
24
E
e–
= h
0
– h
1
; h
0
» Есвяз.
Комптон-эффект наблюдается при энергии фотонов 0,5–10 МэВ, если поглощающая среда состоит из легких атомов, и 0,5–5 МэВ, если поглощающая среда состоит из тяжелых атомов. Это основной процесс поглощения фотонного излучения веществом. Рассеянный, вторичный фотон может далее провзаимодействовать с атомами вещества по механизму фотоэффекта или комптон-эффекта. Многократный процесс рассеяния приводит в конечном итоге к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомом. Если же энергия фотона меньше, чем энергия связи орбитального электрона, то при комптон-эффекте возможно рассеяние без удаления электрона. С ростом энергии фотонов вероятность комптоновского рассеяния убывает ( E
–1
). Образование электрон-позитронной пары Это такое
взаимодействие фотонного излучения с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и кинетическую энергию электрона и позитрона. Ядро в соответствии с законом сохранения импульса принимает на себя часть импульса фотона Рис. 6. Схема образования электрон-позитронной пары h
0
= E
e–_
+ E
e+
+ 2m
0
eC
2
– двойная энергия покоя электрона Позитрон вскоре аннигилирует ее Энергия гамма-квантов при этом меньше 0,51 МэВ, поэтому при дальнейшем взаимодействии этих вторичных гамма-квантов пары элек- трон-позитрон не могут образовываться. Поглощение вторичных фотонов происходит за счет других процессов, например, фотоэффекта и комптон-эффекта. Такое взаимодействие может происходить при энергии фотона не менее МэВ и только в поле ядра. Возможно, такое взаимодействие с электрическим полем электрона. При этом энергия гамма кванта должна быть больше 2,04 МэВ. В основном это характерно для атомов тяжелых элементов чем больше заряд ядра, тем больше вероятность образования пар. При энергии гамма-квантов больше 1 МэВ поглощение идет в основном за счет образования пар. При определенных условиях возможен ядерный фотоэффект. В реальных условиях при прохождении моноэнергетического фотонного излучения через легкое вещество может иметь место одновременно не более двух эффектов например, фотоэффект и комптон-эффект либо комптон-эффект и эффект образования пар. Для немоноэнергетического фотонного излучения могут быть характерны одновременно все три вида взаимодействия фотоэффект, комптон-эффект и эффект образования пар. Особенности защиты от гамма-излучения В силу волновой природы гамма-излучения расчет защиты по максимальному пробегу не годится. Защита от внешнего источника гамма- излучения осуществляется временем, расстоянием и поглощающими экранами. расчет защиты расстоянием и временем от гамма-излучения
(при отсутствии защитных экранов. В основе таких расчетов лежит непревышение нормативов – ПДД и РДМД. Экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы на расстоянии см от точечного источника в отсутствие защитного экрана рассчитывается последующим формулам
Д
эксп.
= А Г t/R
2
, P эксп = A Г /R2, ч , где А
–
активность нуклида в источнике, мКи Г
–
гамма-постоянная нуклида, Р кв.см/ч мКи t
–
время работы, час
R
–
расстояние от источника до объекта, см
1) Если нужно ограничить время работы (защита временем, чтобы не превысить ПДД и Р
ДМД
, тогда используют следующие подходы а) при фиксированной часовой рабочей неделе персонала ограничивают мощность дозы радионуклидов, работая с минимально возможным его количеством Например, в качестве ПДД облучения персонала (категория А) принята эквивалентная доза 5 бэр/год. Допустимая недельная доза принята
100 мбэр, что соответствует допустимой мощности дозы
Р
ДМД
= ПДД/t = 100/t где t – количество часов работы персонала в неделю при рабочей неделе t = 36 час
Р
ДМД
= 100/36 = 2,8 мбэр/ч = 0,772 10
–6
бэр/с.
26 Иными словами, при заданном рабочем времени источник излучения должен обеспечивать уровень радиации не выше 2,8 мбэр/ч б) Если нет возможности уменьшить уровень радиации, необходимо ограничить время работы персонала. В этом случае пользуются формулой t
ДВ
= 100/ Р
изм
, где Р
изм
– измеренная приборами мощность дозы, мР/ч t
ДВ
– допустимое время работы, ч/неделю
2) если нужно определить минимальное безопасное расстояние (защита расстоянием, то можно использовать следующий подход. Если принять значение поглощенной дозы для гамма
излучения равным экспозиционной дозе, те бэр = 1 Р, тогда допустимое расстояние от точечного источника гамма-излучения, на котором может работать персонал рассчитывают по формуле
R = √(A ГР ДМД) С другой стороны, установлено, что мощность экспозиционной дозы квантового излучения от точечного источника в вакууме изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Если мощность экспозиционной дозы эталонного источника Р определена на каком-либо известном расстоянии R
0
, то мощность экспозиционной дозы отданного источника Р
х на расстоянии х рассчитывается по формуле
Р
х
= Р R
0 хи х = R
0 2
Р
0
/Р
х
(точечным источником считают источник, размер которого меньше расстояния от него до облучаемого объекта не менее, чем враз. Если имеется точечный источник, создающий уровень внешней проникающей радиации Р = 100 бэр/ч на расстоянии 1 мот него, тона расстоянии 2 м интенсивность излучения уменьшится в 2 2
= 4 раза и составит 25 бэр/ч, на расстоянии 3 м интенсивность уменьшится враз. Если при этом не достигается значение Р
ДМД
, тогда дополнительно ограничивают время работы. Защита временем, количеством радионуклида и расстоянием невсегда эффективно снижает дозу до предельно допустимой. Тогда применяют защитные экраны.
2.1. расчет толщины защитного экрана от гамма-излучения по ослаблению потока гамма-лучей защитным экраном. Закон ослабления гамма-излучения веществом существенно отличается от закона ослабления потока альфа- и бета-частиц. В зависимости от энергии гамма-излучения и атомного номера материала главную роль в ослаблении пучка гамма-квантов играет один из трех рассмотренных выше процессов – фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования
27 электрон-позитронной пары. Таким образом, в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом поток гамма-лучей поглощается непрерывно с увеличением толщины поглотителя, а его интенсивность изменяется по экспоненциальному закону
Ј = Ј
0
e
–μd где Ј – интенсивность гамма-лучей на глубине d поглотителя
Ј
0
– интенсивность падающего пучка гамма-лучей
μ – полный линейный коэффициент ослабления. Он означает относительное уменьшение интенсивности пучка гамма-лучей после прохождения слоя поглотителя в 1 см или доля моноэнергетического фотонного излучения, поглощенного в веществе на единицу пути (иными словами, во сколько раз уменьшается интенсивность потока гамма-квантов на глубине поглотителя в 1 см. Полный линейный коэффициент ослабления гамма-излучения состоит из суммы линейных коэффициентов ослабления, обусловленных фотоэффектом, комптон-эффектом, эффектом образования пар
μ = фот + μ
комп
+ пар, см
μ зависит от энергии излучения и от материала поглотителя (плотности и атомного номера μ = μ(ρ, Z, E
γ
) Величину, обратную линейному коэффициенту ослабления, называют длиной свободного пробега гамма-квантов в веществе
R = μ
–1 Линейный коэффициент ослабления связан с величиной слоя половинного ослабления следующим соотношением
1/2 = 0,693/ μ или μ = 0,693/1/2 массовые коэффициенты ослабления не зависят от плотности и определяются по формуле
μ/ρ = фот + μ
комп
/ρ + пар, см
2
/г
2.2. расчет толщины защитного экрана от гамма-излучения по слоям половинного ослабления) Кратность ослабления потока гамма-излучения (во сколько раз необходимо ослабить) определяется из соотношения k = Д/ДДД или k = Р/РДМД где Д
ДД
– допустимые значения дозы
Р
ДМД
– допустимые значения мощности дозы Соотношение между кратностью ослабления k и числом слоев половинного ослабления n в общем виде представлено формулой k = 2
n откуда
28 n = lgk/lg2 Первый слой уменьшает интенсивность гамма-излучения в 2 раза, второй – в 4 раза, третий – враз и т. да n-ый – в 2 раза, те. толщина защиты равна d =
1/2
n Для ослабления дозы излучения используются различные материалы, при выборе которых определяющими факторами являются защитные и механические свойства материалов, масса и объем. Подзащитными свойствами материалов понимают их замедляющую и поглощающую способность, способность к активации под действием ионизирующего излучения под механическими – механическую прочность, способность сохранять размеры под химическими – стойкость к ионизирующему излучению, к химическим реагентам, огнестойкость, нетоксичность. Для защиты от гамма-излучения наиболее распространенными материалами являются свинец, железобетон, вода, свинцовое стекло и другие тяжелые вещества. Используют также органические соединения – парафин, полиэтилен, пластмассу, фторопласт. Таким образом, средства защиты от гамма-излучения базируются на комбинации трех факторов времени, расстояния, экрана. Рис. 7. Средства защиты от ионизирующих излучений
2. ПРИНЦИПЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Известно, что радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств. Эти излучения могут быть обнаружены (детектированы) при помощи приборов и приспособлений, работа которых основана на физи-
29 ко-химических эффектах, возникающих при взаимодействии излучении с веществом. В зависимости от конструктивных особенностей приборов и характера проведения контроля радиационной обстановки приборы делят на четыре группы
1. приборы для индивидуального дозиметрического контроля
2. переносные приборы для группового дозиметрического контроля
3. переносные приборы для радиационного технологического контроля стационарные приборы и многоканальные установки для непрерывного дистанционного дозиметрического и радиационного контроля. В общем случае, приборы и установки, используемые для измерения или контроля ионизирующих излучений, по функциональному назначению делятся на дозиметры – это приборы, измеряющие экспозиционную или поглощенную дозу излучения или мощность экспозиционной или поглощенной дозы. Например, бытовые дозиметры типа ДРГ, ДБГ; радиометры – приборы, измеряющие удельную активность радионуклидов, плотность потока ионизирующих частиц. Например, радиометр РУГ; спектрометры – приборы, измеряющие распределение (спектр) ионизирующих излучений по энергии, времени, массе и заряду элементарных частиц по одному или более параметрам, характеризующим поля ионизирующих излучений. Например, гамма-спектрометры, с помощью которых было произведено дистанционное зондирование с самолетов и составлены карты загрязненности Cs
137
Республики Беларусь; сигнализаторы – указывающие на превышение какого-либо уровня, либо указывающие на диапазон значений доз универсальные приборы – совмещают функции дозиметра и радиометра, радиометра и спектрометра, например, дозиметр-радиометр типа
РКСБ, "Сосна. Существуют дозиметры для измерения радиоактивности, накопившейся в человеческом теле. Они называются счетчиками излучений человека СИЧ. По назначению и конструкции регистрирующие устройства могут быть различными, но неотъемлемыми частями их являются следующие детектор – служит для преобразования энергии ионизирующего излучения при его взаимодействии с веществом в другие формы энергии, более удобные для регистрации (электрическую, световую, и др) усилитель входных импульсов – для усиления электрических сигналов преобразующее устройство – для преобразования электрических сигналов по амплитуде, форме, количеству и длительности
30 регистрирующее устройство – для преобразования электрического сигнала в удобную для восприятия форму, например, самописец, стрелочный прибор, цифровой или звуковой индикатор Основным элементом любого дозиметрического или радиометрического прибора является детектор. При этом основой регистрации любого вида излучения является его взаимодействие с веществом детектора.
Детектор при этом рассматривается, как устройство, на вход которого поступают ионизирующие частицы, а на выходе появляются сигналы. В зависимости от типа детектора сигналом могут быть вспышки света – это сцинтилляционный детектор импульсы тока – это ионизационный детектор пузырьки пара – это пузырьковая камера (через перегретую жидкость проходит ионизирующая частица, и возникают пузырьки пара капельки жидкости – камера Вильсона (при прохождении через перенасыщенный пар частиц происходит ионизация, а на ионах, как на центрах кристаллизации образуются капельки тумана. Неотъемлемой частью любого детектора является чувствительный объем, в котором энергия ионизирующего излучения в процессе взаимодействия с веществом преобразуется в определенный вид сигнала. Вещество, представляющее собой чувствительный объем, может быть газом, жидкостью, твердым телом. Отсюда и получили названия соответствующие детекторы – газовые, жидкостные, твердотельные. Для каждого вида излучения альфа, бета- или гамма подбирается свой подходящий детектор. При этом важное значение имеет длина свободного пробега ионизирующих частиц в веществе. Для гамма- излучающих радионуклидов подбор вещества для детектора не представляет труда. Бета-частицы поглощаются обычно 1–2 мм вещества детектора, а альфа-частицы не могут проникнуть более чем на несколько микрон. Для их измерения необходима специальная радиохимическая обработка образца – сжигание, растворение, нанесение на подложку. На практике наибольшее распространение получили ионизационные детекторы излучений (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, а также коронные и искровые счетчики. Они измеряют непосредственные эффекты взаимодействия излучения с веществом – ионизацию газовой среды.
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
31
Вольтамперной характеристикой называется зависимость ионизационного тока от напряжения на электродах детектора при неизменной интенсивности падающего на него ионизирующего излучения Рис. 8. Вольтамперная характеристика газового разряда В обычных условиях газ не является проводником электрического тока, и для возникновения его в детекторе необходимо наличие электрических зарядов и напряжения, приложенного к электродам детектора. На представленном рисунке можно выделить несколько областей.
I область Ома Одна ионизирующая частица, затрачивая энергию Е, создает
N0 пар ионов. Заряд их будет
q0. Если за время
t в объем камеры влетело
n частиц, то суммарный заряд
Q будет равен
Q = ее Е , где – энергия ионизации газа При отсутствии напряжения на электродах все ионы, созданные начальной ионизацией, практически полностью рекомбинируют в нейтральные молекулы. При возрастании напряжения ионы под действием электрического поля приобретают направленное движение
положительные ионы собираются на катоде, электроны и отрицательные ионы на аноде. При этом вероятность рекомбинации уменьшается. Вцепи возникает ионизационный ток, который может быть зарегистрирован прибором, величина ионизационного тока растет пропорционально напряжению и служит мерой количества излучения, здесь применим закон Ома.
II область тока насыщения (ионизационных камер) Начиная с некоторого напряжения н наступает момент, когда практически все ионы, образованные излучением, доходят до электродов. При увеличении напряжения ионизационный ток не возрастает, а область н- п называют областью тока насыщения. В этом режиме работают ионизационные камеры. Ток насыщения определяется по формуле негде число пар ионов, образующихся в 1 секунду в 1 см камеры
V – рабочий объем камеры е – заряд электрона
III область пропорциональности Если каждая созданная первичной частицей пара ионов на пути к электродам образует
N новых пар ионов, то общий заряд
Q’ каждого знака, возникающий в объеме в результате пролета одной частицы будет
Q’ = К е Е , где К – коэффициент газового усиления При дальнейшем увеличении напряжения поп сила ионизационного тока вновь начинает возрастать, т. к. ионы, образованные излучением приобретают при движении к электродам ускорение, достаточное для того, чтобы самим производить ионизацию вследствие соударений с атомами и молекулами газовой среды детектора (газовое усиление. Такой механизм образования дополнительных зарядов в результате вторичной ионизации называют ударной ионизацией. Чем больше напряжение, тем большую энергию приобретают ионы, и, следовательно, тем больше пар ионов они создают в процессе ударной ионизации. Это так называемое лавинообразное размножение зарядов. В этой области существует строгая пропорциональность между числом первично
образованных ионов и общей суммой ионов, участвующих в создании ионизационного тока (область пропорциональности. В этом режиме работают пропорциональные счетчики. Размножение зарядов в газе характеризуется коэффициентом газового усиления К, который равен отношению ионизационного тока в газе г к току насьпцения
Скачать 0.99 Mb.