Защита от проникающей радиации

Работа с любыми источниками ионизирующих излучений требует защиты персонала от их вредного воздействия. Для решения этой проблемы необходимо понимание механизмов взаимодействия элементарных частиц, ядерных частиц и фотонов с материалами различной природы.

Различают 3 вида защиты: защита временем, расстоянием и материалом. Проиллюстрируем первые два вида защиты на модели точечного источника -излучения, используя формулу:

,

где Х – экспозиционная доза излучения, К_ – -постоянная данного радиоактивного препарата, А – активность радиоактивного препарата, r – расстояние до объекта, t – время экспозиции (облучения).

Зависимость показывает, что чем больше время и меньше расстояние, тем больше экспозиционная доза. Следовательно, необходимо минимальное время находиться под воздействием ионизирующего излучения и на максимально возможном расстоянии от источника этого излучения.

Защита материалом основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизирующего излучения. Основным механизмом потерь энергии заряженной частицей ( и ) при прохождении через вещество является ионизационное торможение. При этом кинетическая энергия частицы расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.

Взаимодействие частиц с веществом количественно оценивается следующими параметрами:

1. Линейная плотность ионизации (i) – число ионов одного заряда (dn) образующихся на единице пути пробега частицы (dl):

2. Линейная тормозная способность вещества (S) – энергия, теряемая заряженной частицей (dE) на единице пути пробега:

3. Средний линейный пробег (R) – среднее значение расстояния между началом и концом пробега частицы в данном веществе.

Качественный график зависимости линейной плотности ионизации от пути, проходимого заряженной частицей в среде, показан на рис.1.

Рис. 1. Зависимость линейной плотности ионизации от пути, пройденного

заряженной частицей

Пo мере продвижения частицы в среде уменьшается ее энергия и скорость, линейная плотность ионизации при этом возрастает и только в конце пробега частицы (хR) резко падает. Возрастание i обусловлено тем, что при меньшей скорости заряженная частица больше времени находится вблизи атома и, таким образом, возрастает вероятность его ионизации.

Средний линейный пробег заряженных частиц (R) зависит от их начальных энергий. Для -частиц этот пробег в воздухе составляет всего несколько сантиметров, в жидкостях и в живом организме 10-100 мкм. Поэтому защита от -излучения проста: достаточно листа бумаги или слоя воздуха в несколько сантиметров, чтобы полностью поглотить -частицы. Однако, работая с радионуклидами, следует остерегаться попадания -частиц на слизистые оболочки внутренних органов при дыхании и приеме пищи. После того, как скорость -частицы замедляется до скорости молекулярно-теплового движения, она, захватив два электрона в веществе, превращается в атом гелия.

-излучение также как и -излучение, вызывает ионизацию, возбуждение и другие процессы. Так, например, при торможении электронов (^–) возникает тормозное рентгеновское излучение, происходит их рассеивание на электронах вещества, их пути сильно искривляются. Если электрон будет двигаться в веществе со скоростью, превышающей скорость света в этом веществе (среде), то возникнет характерное черенковское излучение (излучение Черенкова–Вавилова).

При попадании ⁺-позитронов в вещество с большой вероятностью происходит процесс аннигиляции с электроном вещества. При этом образуется два -фотона с энергией 0,51 МэВ.

Несмотря на разнообразие процессов, приводящих к ослаблению -излучения, можно приближенно считать, что его интенсивность I(х) изменяется по экспоненциальному закону, подобному закону Буггера:

где I₀ – интенсивность падающего потока, х – толщина поглощающего слоя,  - коэффициент поглощения, характеризующий материал и зависящий от энергии частиц.

В качестве одной из характеристик поглощения излучения веществом используют слой половинного поглощения (l_1/2), при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое.

В ткани организма -частицы от радионуклида в зависимости от их энергии проникают на глубину до 15 мм. Защитой от -излучения могут служить тонкие алюминиевые, плексигласовые, стеклянные и др. экраны. Так, например, слой алюминия 0,4 мм или воды толщиной 1,1 мм уменьшают вдвое интенсивность -излучения от фосфора ¹²Р.

Наиболее сложна защита от "нейтрального" излучения: рентгеновского, -излучения, нейтронного излучения. Эти излучения с меньшей вероятностью взаимодействуют с частицами вещества и именно поэтому глубже проникают в вещество. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами атомов образуются радиоактивные осколки, заряженные частицы (протоны, -частицы) и -излучение. Защита от быстрых нейтронов наиболее сложна. Сначала их замедляют, уменьшая их скорость в водородсодержащих веществах, например, в воде. Затем уже другими веществами поглощают медленные нейтроны. В качестве поглотителя можно использовать кадмий: ¹³³Cd + ¹n₀  ¹¹⁴Cd

При -облучении наряду с процессами, характерными для рентгеновского излучения (когерентное рассеяние, эффект Комптона, фотоэффект) возникают и другие, что связано с большей энергией -фотонов. К этим процессам следует отнести образование пары электрон-позитрон, происходящее при энергии -фотона не меньше суммарной энергии покоя электрона и позитрона (1,02 МэВ); фотоядерные реакции, которые возникают при взаимодействии -фотонов больших энергий с атомными ядрами. Таким образом, и -излучение, и нейтронное излучение тоже являются ионизирующими.

Ослабление пучка -излучения в веществе обычно описывают законом Бугера, где линейный (или массовый) коэффициент поглощения  можно представить как сумму соответствующих коэффициентов поглощения, учитывающих 3 основных процесса взаимодействия излучения с веществом: фотоэффект, Комптон-эффект и образование электрон-позитрон пар:

 = _ф + _к + _п

Эти основные процессы взаимодействия происходят с разной вероятностью, которая зависит от энергии -фотонов. При малых энергиях основную роль играет фотоэффект, при средних – Комтон-эффект и при энергиях больше 5МэВ – процесс образования пары электрон-позитрон.

Экспоненциальный закон ослабления пучка -фотонов выполняется приближенно, особенно при больших энергиях. Это обусловлено вторичными процессами, возникающими при взаимодействии -излучения с веществом. Так, например, вторичные электроны и позитроны обладают энергией, достаточной для образования новых -фотонов в результате торможения и аннигиляции.