Общие положения. 
Исследование защитных свойств экранов из различных материалов от проникающей радиации

При распаде неустойчивых атомных ядер происходит их превращение в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием различных частиц либо электромагнитного волнового излучения (фотонов). Вещество (образец, проба), содержащее радиоактивные атомы, является источником ионизирующего излучения. От источника излучения в окружающее пространство в различных направлениях вылетают частицы или фотоны, обладающие большой кинетической энергией. Энергия этих частиц и фотонов достаточна для того, чтобы разрушить атомы вещества, которые оказываются на пути их движения. Данное вещество, в которое попадают эти частицы и фотоны, называется объектом облучения. Все пространство, окружающее источник ионизирующего излучения, которое пронизывают вылетевшие частицы, называется полем излучения.

Частица взаимодействует (сталкивается) с встречающимися на ее пути атомами среды и передает им часть своей энергии. Как правило, взаимодействие частицы с атомом среды заканчивается разрушением внешних электронных оболочек атомов среды и отрывом от атомов внешних электронов. Такой процесс называется ионизацией, и при этом образуются положительные и отрицательные ионы. Заряд электрона отрицательный, поэтому атом_: потерявший электрон (один или несколько) становится положительным ионом, а атом присоединивший дополнительный электрон, становится отрицательным ионом.

На проведение одного акта ионизации (отрыва внешнего электрона от нейтрального атома) требуется в среднем энергия около 34 эв (электронвольт). Не всякое излучение является ионизирующим. Например, энергия фотонов видимого света недостаточна для проведения актов ионизации, и видимый свет не является ионизирующим излучением.

При движении частицы в поглощающей среде (воздух, твердое тело, мягкая биологическая ткань) частица взаимодействует (сталкивается) с атомами среды и постепенно теряет свою энергию. При этом ее энергия передается поглощаемому веществу среды. Линейная потеря энергии (ЛПЭ) Ї это величина энергии, которую частица передает веществу на каждом сантиметре ее пути. ЛПЭ измеряется в джоулях на сантиметр (Дж/см) либо в электрон-вольтах на миллиметр (эв/мм).

Процесс образования ионов вдоль траектории движения частицы в поглощающей среде описывают понятием ионизирующая способность частицы. Она измеряется количеством пар ионов, создаваемых частицей на 1 см пути в среде. Ионизирующие излучения бывают 2-х типов: корпускулярные и фотонные. К корпускулярным относятся альфаи бета-излучение, а к фотонным гаммаи рентгеновское излучение.

Альфа-частица состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, имеющих большую массу (массы протона и нейтрона примерно равны, массовое число альфа-частицы равно 4), заряд ее равен +2, и вследствие этого она обладает очень высокой ионизирующей способностью. При средней энергии примерно 1 Мэв (мегаэлектронвольт) альфа-частица создает на 1 см своего пути 2000;3000 пар ионов. Обладая большой ионизирующей способностью, альфа-частица быстро теряет свою энергию и поэтому проходит в среде небольшие расстояния. Например, пробег альфа-частицы средней энергии в воздухе составляет 2−5 см (менее 10 см), в мягкой биологической ткани пробег всего несколько микрон (мкм). Альфа-частица не проникает сквозь слой кожи человека. Такое внешнее облучение человека потоком альфа-частиц приводит к ожогу кожи. Пробег альфа-частиц в среде существенно зависит от энергии частиц и от плотности вещества поглощающей среды. При увеличении энергии частиц их пробег возрастает, а при увеличении плотности вещества длина их пробега уменьшается.

Наибольшую опасность для человека представляет попадание альфа-радиоактивных атомов внутрь организма с дыханием и с пищей. При этом вся огромная энергия альфа-частицы непосредственно передается внутренним органам и тканям организма, вызывая их облучение. Лучшим средством защиты от альфа-излучения является респиратор, защищающий органы дыхания от радиоактивной пыли.

К альфа-излучающим изотопам относятся радионуклиды: плутоний-241, 238, 239, радон-220, 222.

Бета-частица (электрон) имеет малую массу и заряд равный -1. Ионизирующая способность бета-частицы при прохождении в среде много меньше, чем у альфа-частицы, и для средних энергий порядка сотен килоэлектронвольт (кэв) составляет несколько десятков пар ионов на 1 см пути. Траектория движения бета-частиц (электронов) в веществе не прямая, а ломаная линия. При взаимодействии первичного электрона с атомами среды образуются так называемые дельта-электроны, оторвавшиеся от внешних электронных оболочек атомов, которые, в свою очередь, тоже обладают достаточной энергией для вторичной ионизации атомов среды. Другой особенностью взаимодействия бета-излучения с веществом является образование тормозного электромагнитного излучения при взаимодействии (торможении) электрона с ядрами атомов среды. Тормозное излучение по своей природе является рентгеновским излучением. (В рентгеновском аппарате для получения рентгеновского излучения используется торможение быстрых высокоэнергетичных электронов на ядрах атомов металлической пластины с большим атомным номером).

Длина пробега бета-частиц в среде зависит от энергии частицы и плотности вещества среды. Электрон средней энергии проходит в воздухе несколько (до десятков) метров, а в мягкой биологической ткани Ї от нескольких сантиметров до нескольких метров. Защищаются от бета-излучения, как правило, экранами из легких (с малым атомным номером) материалов. Часто для этих целей используют оргстекло, содержащее много атомов водорода.

К бета-излучающим изотопам относятся радионуклиды стронций-90, иттрий-90 и др.

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное волновое излучение, которое можно считать состоящим из отдельных гамма-квантов (фотонов). Масса покоя гамма-кванта равна нулю, и движется он со скоростью света. Различают три основных вида взаимодействия гамма-квантов с веществом: 1) фотоэффект, 2) комптон-эффект и 3) эффект образования пар.

Фотоэффект происходит в основном при малых энергиях гамма-квантов и состоит в отрыве электрона с внешней электронной оболочки атома. Комптон-эффект имеет место в основном при средних энергиях гамма-кванта, при этом электрон получает кинетическую энергию и рождается новый гамма-квант с меньшей энергией. Эффект образования пар может иметь место только при высоких значениях энергии гамма-кванта, при этом результатом взаимодействия гамма-кванта с ядром является рождение пары античастиц — электрона и позитрона. Длина пробега гамма-кванта в среде зависит от его энергии и плотности вещества. Длина пробега гамма-квантов в воздухе составляет десятки и сотни метров. В мягкой биологической ткани гамма-излучение проникает на единицы и даже десятки метров. От гамма-излучения защищаются плотными экранами с большим атомным номером (бетон, сталь, свинец). При прохождении излучения сквозь вещество среды поток гамма-квантов уменьшается (ослабляется).

К гамма-излучающим изотопам относятся радионуклиды йод-131, калий-40, цезий-137 и др.

Конечный результат взаимодействия ионизирующего излучения с веществом — ионизация атомов этого вещества, образование свободных ионов, разрыв атомных и молекулярных связей, следствием которых является нарушение нормальной жизнедеятельности клетки живого организма, выражающееся в самых различных последующих биологических эффектах, в нарушении жизнедеятельности отдельных органов и всего организма.

Различают три основных общих способа защиты от ионизирующего излучения (ИИ):

защита расстоянием;

защита временем;

защита экранированием.

1. Способ защиты от ИИ расстоянием основан на том известном факте, что поток частиц или фотонов N, вылетающих из точечного источника (собственные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до него) обратно пропорционально квадрату расстояния до этого источника:

(1).

Это означает, что если расстояние до источника увеличить в 2 раза, то поток частиц (фотонов) уменьшится в 4 раза. Чтобы объект получил меньшую дозу излучения от источника, надо расположить объект на большем расстоянии от источника (защита расстоянием).

2. Способ защиты от ИИ временем состоит в том, что в стационарных условиях мощность дозы радиационного фона Р в данной точке пространства является величиной постоянной. При этом суммарная доза излучения Д, получаемая объектом облучения, прямо пропорциональна времени облучения t и определяется по формуле:

Д = Р t (2).

Чтобы объект получил меньшую суммарную дозу излучения, надо уменьшить время нахождения объекта в поле излучения (защита временем).

3. Способ защиты от ИИ экранированием состоит в том, что при прохождении сквозь среду поток частиц (фотонов) уменьшается (ослабляется) по закону:

N = N₀ e ^— µx, (3)

где: N₀ — начальный поток частиц (фотонов), (част/с);

N -поток частиц (фотонов) (част/с) после прохождения слоя поглощающего вещества толщиной х (см);

µ - линейный коэффициент ослабления излучения (1/см);

х — толщина слоя защитного материала, см.

Чтобы объект получил меньшую дозу, между источником излучения и объектом облучения помещают защитные экраны, стенки и т. п. (защита экранированием).

Если начальный падающий на экран поток излучения имеет величину N₀, а прошедший сквозь экран поток равен N, то величина К:

(4).

называется кратностью ослабления.

Величина потока излучения, поглощаемая 1 мм толщины защитного материала, называется поглощающей способностью дN данного материала и определяется по формуле:

дN =, (5).

где: дN — поток излучения, поглощаемый толщиной защитного экрана, рав ной 1 мм, част/с · мм;

N _{ср. с экраном} — среднее значение потока излучения с экранирующим материалом, част/с;

N _{ср. без экрана} — среднее значение потока излучения без экранирующего материала, част/с;

d — толщина исследуемого защитного материала, мм.

Можно выбрать такую толщину защитного материала d_Ѕ, при прохождении которого поток излучения уменьшается ровно в 2 раза. Такая толщина защитного материала d_Ѕ называется слоем половинного поглощения (ослабления). Формула (6) определяет связь между слоем половинного поглощения d_Ѕ и линейным коэффициентом ослабления излучения µ :

d_Ѕ ==. (6).

Толщина слоя половинного поглощения d_Ѕ и линейный коэффициент ослабления µ зависят от вида материала (его плотности), а также от энергии падающего ионизирующего излучения. При энергии гамма-излучения равной 1,25 Мэв (мегаэлектронвольт) линейный коэффициент ослабления излучения µ:

µбетон = 0,14 1/см.

µсталь = 0,34 1/см.

µсвинец = 0,66 1/см.