Лекция 17. Защитные материалы от фотонного излучения

Ослабление излучения в защите зависит от вида излучения, характеристик источника, взаимного расположения источника и защищаемого объекта и от свойств материала защиты. Большое значение при проектировании оптимальной защиты (по массе, размерам и стоимости) от излучения ядернотехнических установок отводится обоснованному выбору защитного материала. Надо отметить, что невысокая стоимость материала защиты еще не означает невысокой стоимости защиты в целом. Обладая плохими защитными свойствами защита может оказаться громоздкой, потребовать больших затрат на сооружение, ухудшить условия эксплуатации установки.

Рассмотрим защитные материалы, применяемые для защиты от гаммаизлучения радионуклидов, рентгеновского и тормозного излучения. Основные требования к защитным материалам от фотонного излучения следующие:

• • максимально возможная плотность и атомный номер, чтобы обеспечить наибольшее ослабление первичных и вторичных фотонов;
• • низкая наведенная радиоактивность защиты — при защите от фотонов больших энергий, которые испытывают в материале защиты фогоядерные взаимодействия;
• • высокая механическая прочность материала защиты и хорошие конструктивные свойства;
• • неизменность защитных свойств с течением времени;
• • невысокая стоимость.

Не всегда удается подобрать природный материал, который удовлетворял бы всем требованиям, поэтому создаются искусственные защитные материалы, например, такие, как различные бетоны, гетерогенные среды.

Для защиты от фотонов выбор защитного материала в большой степени определяется типом установки: стационарная или передвижная. В передвижных установках используют свинец, сталь, медь, вольфрам, чугун. Для защиты стационарных источников излучения применяют более дешевые материалы: кирпич, бетон, баритобетон, песок, землю.

С повышением энергии фотонов их ослабление за счет фотоэффекта уменьшается и в области энергий более 600−700 кэВ ослабление фотонов определяется в основном рассеянием. Поэтому с повышением энергии фотонов уменьшается преимущество использования свинца перед другими материалами в отношении массы и габаритов сооружаемой защиты. В некоторых случаях для защиты от фотонов высоких энергий более целесообразно использовать вещество с меньшим эффективным атомным номером, чем свинец. Стоимость такой защиты может быть много ниже при несущественном увеличении размеров.

Пример 1. Для рентгеновского излучения с энергией 200 кэВ используется защитный слой из свинца толщиной 4 мм. Найти эквивалентный слой защиты из железа и вес защиты из свинца и железа.

Решение. С помощью номограмм на рис. 12.3 и 12.5 находим, что толщина эквивалентного слоя из железа равна 60 мм. Вес 1 м² защиты из свинца равен 45,4 кг, а вес такого же по площади слоя защиты из железа равен 472 кг, т. е. более чем в 10 раз больше веса свинцовой защиты.

Пример 2. Для тормозного излучения с максимальной энергией Е_тах = 6 МэВ используется защитный слой из свинца толщиной 100 мм. Найти эквивалентный слой защиты из железа и вес защиты из свинца и железа.

Решение. С помощью номограмм на рис. 13.12 и 13.15 находим, что толщина эквивалентного слоя из железа равна 180 мм. Вес 1 м² защиты из свинца равен 1134 кг, а вес такого же по площади слоя защиты из железа равен 1415 кг, т. е. всего примерно на 25% больше веса свинцовой защиты.

В плоских защитных ограждениях от фотонного излучения большой энергии следует заменять свинец более легкими и дешевыми материалами и такая замена не приводит к значительному возрастанию габаритов и массы. Но в защите шаровой формы замена свинца более легкими материалами значительно увеличивает габариты и массу, так как толщина (радиус R) защиты возрастает обратно пропорционально плотности материала защиты. Поэтому объем и масса защиты увеличиваются ~ R, т. е. обратно пропорционально плотности в третьей степени. В этом случае целесообразно делать гетерогенную защиту, например свинец внутри, железо снаружи.

Пример 3. Необходимо изготовить сферический контейнер для защиты от излучения ^№Cs с внутренней воздушной полостью диаметром 20 мм (для размещения источника).

• 1. Если контейнер изготовить полностью из свинца, то толщина защитной стенки контейнера должна равняться 160 мм. Вес такого контейнера равен 230 кг.
• 2. Если для такого же ослабления использовать чугун, то вес контейнера возрастет более чем в 2 раза и составит 500 кг.
• 3. Но если защиту сделать гетерогенной: внутри свинец толщиной 90 мм, а снаружи железо толщиной 127 мм, то при том же ослаблении вес защиты будет 300 кг, но зато свинца потребуется всего 45 кг.

При расчете защиты из какого-либо материала иногда предварительно определяют необходимую толщину свинцовой защиты для заданных условий работы, а затем, используя свинцовый эквивалент, находят эквивалентную толщину защитного слоя из данного материала. Свинцовый эквивалент — толщина свинца в миллиметрах, ослабляющая мощность поглощенной дозы в воздухе так же, как и данный слой защитного материала. С улучшением защитных свойств материала его свинцовый эквивалент растет. Как следует из примеров 1 и 2, свинцовый эквивалент материала растет с увеличением энергии излучения.

Защитные свойства материала и свинца надо сравнивать по кратности ослабления дозы. Принимается, что толщина d_x материала должна ослаблять мощность дозы прямого излучения в той же степени, что и толщина свинца dрь ? ^ учетом факторов накопления условие одинаковой кратности ослабления имеет вид.

где Но — мощность дозы без защиты, В — дозовый фактор накопления. Из равенства (17.1) легко получить.

Если можно пренебречь разницей факторов накопления, то из (2) получаем более простое (но и менее точное) выражение.

Например, по соотношению (17.3) при защите от гамма-излучения ¹³⁷Cs бетонной стене толщиной 400 мм соответствует свинцовая защита толщиной 57 мм. Чем больше свинцовый эквивалент материала, тем больше его защитные свойства.

Для моноэнергетического излучения толщину защитного слоя из различных материалов можно рассчитать также по кратности ослабления с помощью универсальных таблиц Гусева. Для некоторых радионуклидов определить эквивалентные толщины различных материалов можно с помощью номограмм для расчета защиты (см. Л. 8). У рентгеновского излучения для этих целей можно использовать соответствующие номограммы [2, 4]. Кроме этого для рентгеновского и тормозного излучения пересчет эквивалентных толщин можно выполнить с помощью номофамм для расчега защиты (см. Лекции 12 и 13).

Если два вещества имеют примерно одинаковые эффективные атомные номера, но различную плотность (например, бетон, кирпич, штукатурка), то для нахождения толщины защиты из второго вещества (при известной толщине первого) можно использовать условие равенства массовых толщин: d_] р, = d-,р, откуда имеем:

При сооружении защитных офаждений следует уделять внимание тому, чтобы в них нс было отверстий и каналов, которые ослабляют защиту. Технологические каналы необходимо проектировать таким образом, чтобы кратность ослабления излучения в месте их прохождения была не ниже расчетной.

Рассмотрим теперь свойства и особенности применения некоторых материалов в качестве защиты от фотонов.

Свинец (р = 11,34 г/см³). Свинец — один из лучших материалов для ослабления фотонного излучения. Он применяется всегда, когда при надеж;

ной защите требуется минимальная масса и габариты. Свинец применяют в виде полос или листов различной толщины, в виде специальных свинцовых кирпичей. Из свинца легко отливать различные защитные контейнеры. К недостаткам свинца относятся его плохие конструкционные свойства. Этот материал мягкий с высокой ползучестью, особенно при высокой температуре.

Свинцовое стекло (р = 3,4−4,6 г/см³). Свинцовое стекло применяют в тех случаях, когда защита должна быть прозрачна для видимых лучей. Толщина свинцового стекла может быть от 10 до 25 мм. При этом свинцовые эквиваленты стекла равны: 10 мм стекла ~ 2,5 мм РЬ; 15 мм стекла ~ 4 мм РЬ; 20 мм ~ 5 мм РЬ; 25 мм ~ 6,5 мм РЬ.

Свинцовая рента (р = 3,3 — 5,8 г/см³). Свинцовая резина при толщине около 3 мм и плотности 4,5 г/см³ эквивалентна по толщине 1 мм свинца. Следует иметь в виду, что резина со временем дает трещины, поэтому необходимо периодически проверять ее защитные свойства.

Вольфрам (р = 17 -19 г/см³). Вольфрам применяют в виде порошка, пропитанного медью и спеченного при высокой температуре. Плотность при этом снижается до 15−16 г/см³. Количество меди, но весу в таких сплавах составляет обычно до 8 %. Поскольку стоимость вольфрамовых сплавов велика, то их целесообразно применять в портативных передвижных установках. Вольфрамовые сплавы используют для защиты от излучения высокой энергии в особо ответственных установках. Из них изготавливают диафрагмы, радиационные головки, коллиматоры гамма-дефектоскопов и терапевтических установок, использующих ионизирующее излучение.

Черные металлы (сталь р = 7,5 — 7,8 г/см³, чугун р = 7,2 г/см³). Их используют в основном как конструкционный материал в местах, где требуется повышенная прочность: для изготовления подвижных стальных дверей, корпуса установки. Защита из стали от фотонного излучения на 30% тяжелее эквивалентной свинцовой защиты, но это компенсируется гораздо лучшими конструктивными качествами стали.

Барит (р = 2,7−3,2 г/см³) — это минерал с высоким содержанием ВаS0₄. Он входит в состав баритовой штукатурки или баритобстона. Баритобстон — хороший материал для защиты от излучения с энергией меньше 400 кэВ. Недостаток баритобстона состоит в том, что он со временем дает большую усадку и трескается.

Бетон (обычный (портландский) бетон р = 2,1 — 2,4 г/см³). Бетон — наиболее широко распространенный и сравнительно дешевый защитный материал от фотонного излучения. Бетон целесообразно применять для стационарной защиты. Для энергий фотонов более 400 кэВ разница в толщине защиты из баритобетона и обычного бетона невелика, но прочность и надежность сооружений из обычного бетона значительно выше. Защитные свойства бетона ухудшаются при температуре более 100 °C, что связано с выделением связанной цементом воды. Но при высоких температурах используют термостойкие (серпентитовые) бетоны (р = 2,3 г/см³).

Изменяя состав бетона, можно в достаточно широких свойствах менять его защитные свойства. Повышают плотность бетона, заменяя гравий более тяжелыми материалами: железной рудой, стальной дробью, баритом и другими металлическими заполнителями. Такой бетон называют тяжелым бетоном. Плотность тяжелого бетона изменяется от р = Зг/см³ до р = 6г/см³, что значительно увеличивает его защитные свойства, но при этом возрастает и стоимость такого бетона.

Кирпич (р = 1,4−1,9 г/см³). Часто защиту более выгодно делать из строительного кирпича: красного или белого. При этом необходимо, чтобы раствор полностью закрывал зазор между кирпичами и имел плотность не меньше плотности кирпича. Небольшая плотность и трудности, связанные с контролем при строительстве, приводят к тому, что кирпич редко используется в качестве основной защиты.

НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ применять в качестве защитных материалов: шлаковый бетон, гипсолитовые плиты, пенобетон. Эти материалы имеют малую плотность, что приводит к слишком большой толщине защиты.

Как отмечено выше, чем выше энергия излучения, от которой необходимо защищаться, тем выгоднее использовать в качестве защиты более легкие и дешевые материалы. Ориентировочно можно считать, что для устройства стационарной защиты при излучении с энергией до 300. .400 кэВ наиболее выгодным материалом является барит в виде баритовой штукатурки или баритобетона [1]. В этой области энергий стены и перекрытия можно выполнять из баритобетона, а для защиты дверей использовать листовой свинец. Следует отметить, что стены из баритобетона не выдерживают больших нагрузок, а усиление защиты стен с помощью листового свинца нерентабельно, ввиду большой стоимости.

Для энергий более 400 кэВ защитные стационарные сооружения целесообразно изготавливать из обычного железобетона как наиболее надежного и прочного материала. В этой области энергий возникает большая проблема защиты дверных проемов. Для их защиты необходимо использовать стальные или чугунные плиты, а для снижения толщины сооружать лабиринт с бетонными стенами, исключающий попадание первичного и однократно рассеянного излучения в дверной проем.

Контрольные вопросы

• 1. Каким требованиям должны удовлетворять защитные материалы от фотонного излучения?
• 2. Что такое свинцовый эквивалент защитного материала, и как он зависит от защитных свойств материала и от энергии излучения?
• 3. Как надо сравнивать защитные свойства двух материалов?
• 4. Как сравнивают защитные свойства материалов, имеющих примерно равные эффективные атомные номера?
• 5. Перечислите основные защитные материалы от фотонного излучения с указанием их физических свойств.

• 1. Бибергаль А. В., Маргулис У. Я., Воробьев Е. И. Защита от рентгеновских и гамма-лучей. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: МЕДГИЗ, 1960. — 272 с.
• 2. Гусев Н. Г., Климанов В. А., Машкович В. П., Суворов А. П. Защита от ионизирующих излучений. В 2 т. Т. 2: Защита от излучений ядернотехнических установок: учеб, для вузов. — 3-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1990.-352 с.
• 3. Машкович В. П., Кудрявцева А. В. Защита от ионизирующих излучений: справочник. -4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1995. -496 с.
• 4. Радиационная защита при использовании источников внешнего ионизирующего излучения в медицине. Рекомендации МКРЗ. Публикация 33. Пер. с англ. / под ред. А. А. Моисеева — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 69 с.
• 5. Румянцев С. В., Добромыслов В. А., Борисов О. И. Типовые методики радиационной дефектоскопии и защиты. — М.: Атомиздат, 1979. — 200 с.