Краткие сведения по ядерной физике и дозиметрии

1. Мельчайшими частицами вещества являются атомы, которые состоят из положительно заряженных ядер и движущихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. В ядрах сосредоточена почти вся масса атома.

Атомные ядра состоят из элементарных частиц двух видов: нейтронов и протонов, которые имеют почти одинаковую массу. Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона. Нейтрон не обладает электрическим зарядом, а протон обладает положительным зарядом, равным по абсолютной величине отрицательному электрическому заряду электрона. Размеры атомов и ядер очень малы: их радиусы составляют соответственно около 10^{-8 см и 10-13 см. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра.}

2. В природе встречаются как стабильные, так и нестабильные ядра. Нестабильные ядра обладают способностью самопроизвольно превращаться в другие ядра или переходить из возбужденного состояния в нормальное. Этот процесс называется радиоактивным распадом. Он сопровождается излучением альфа-частиц, бета-частиц, нейтронов и гамма-квантов.

Радиоактивность по своей природе может быть естественная и искусственная. Искусственная радиоактивность может быть наведенная и осколочная.

Естественные радиоактивные атомы широко распространены в небольших концентрациях в воздухе, в горных породах и в воде.

Всего известно свыше 230 естественных радиоактивных атомов. Наиболее распространены радиоактивные уран, торий, радий, калий. Излучение естественных радиоактивных изотопов, содержащихся в горных породах и в воде, а также космическое излучение определяют радиационный фон местности, мощность экспозиционной дозы излучения которого равна от 4 до 20 мкР/ч в зависимости от местности.

Наведенная радиоактивность возникает в результате взаимодействия ядер атомов с нейтронами. Для того чтобы была достаточно высокая вероятность такого взаимодействия, необходимы большие потоки нейтронов. Образование радиоактивных ядер происходит, в частности, в энергетических ядерных реакторах, где имеются большие плотности потоков нейтронов.

Примерами образования наведенной активности на БАЭС могут служить: активация аргона, натрия, продуктов коррозии, содержащихся в теплоносителе, оборудования и деталей, находившихся в работающем реакторе.

Осколочная радиоактивность - радиоактивность ядер, образующихся в тепловыделяющих элементах в процессе деления ядер в активной зоне реакторов. При делении таких ядер образуется более 200 радиоактивных изотопов, значительная часть которых находится в газообразном состоянии.

Осколочная радиоактивность является наиболее высокой и поэтому все операции с ОТВС выполняются дистанционно. Наибольшую опасность представляют твэлы с разрушенными оболочками, так как при этом радиоактивные изотопы могут попасть в производственные помещения и вызвать значительные загрязнения воздуха и поверхностей.

3. Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия. Заряд альфа-частиц положительный и равен двум элементарным зарядам. Масса альфа-частиц приблизительно в 7000 раз больше массы электрона. Большая масса альфа-частиц определяет прямолинейную траекторию прохождения через электронные оболочки атомов. В биологической ткани проникающая способность альфа-частиц незначительная и составляет несколько десятков микрон. Толщина поверхностного рогового слоя кожи практически поглощает все падающие на тело альфа-частицы. Тонкий лист бумаги или удаление от источника на расстоянии 10-15 см служат хорошей защитой от альфа-частиц. Однако, чрезвычайно опасно попадание альфа-активных веществ внутрь организма, так как слизистые оболочки внутренних органов очень тонкие и подвержены более сильному воздействию альфа-частиц, чем кожа.

4. Бета-частицы с отрицательным зарядом называются электронами, а с положительным - позитронами. При прохождении через вещество бета-частицы взаимодействуют с орбитальными электронами атомов и производят ионизацию или возбуждение. При этом происходит значительное рассеяние бета-частиц, так как масса их мала. Траектория бета-частиц представляет собой ломаную линию. Максимальные пробеги бета-частиц с энергией 1 МэВ составляют в воздухе около 4 м, в воде - 4,4 мм, в алюминии - 2 мм.

Для защиты от бета-излучения применяются только легкие материалы (алюминий, органическое стекло и др.), так как в случае применения тяжелых материалов возникает интенсивное тормозное (вторичное) рентгеновское излучение, которое обладает большой проникающей способностью.

5. Гамма-излучение представляет собой электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. Как правило, проникающая способность гамма-излучения возрастает с увеличением их энергии и уменьшением плотности вещества.

Для защиты от гамма-излучений наиболее часто применяются следующие материалы: свинец, свинцовое стекло, бетон, сталь, железо, вода и т.д.

Для быстрого расчета защиты от гамма-излучения можно использовать приближенное значение слоя половинного ослабления. Так, например, для энергии гамма-излучения в 1 МэВ значения слоя половинного ослабления будут равны: свинец - 1,3 см, железо - 3,3 см, бетон - 12,9 см, вода - 28 см. 2 слоя половинного ослабления ослабляют в 4 раза (каждый слой в 2 раза), 3 слоя в 2³ = 8 раз, n - слоев в 2ⁿ раз. При известной кратности ослабления (К) можно определить число слоев половинного ослабления (n) и, следовательно, толщину защиты по формуле

К = 2ⁿ

6. Нейтронное излучение возникает в результате ядерных реакций. Основными источниками нейтронов являются ядерные реакторы. Кроме этого, нейтроны получают при ядерных реакциях (типа альфа-частица, нейтрон) и (гамма-квант, нейтрон) в источниках, которые часто применяются для градуировки приборов.

Быстрые нейтроны, нейтроны больших энергий, в основном испытывают упругие и неупругие рассеяния, а тепловые нейтроны, нейтроны малых энергий, в основном, захватываются ядрами и атомами. Поэтому защита от нейтронов сооружается с целью замедления быстрых нейтронов до тепловых, а затем поглощения тепловых нейтронов ядрами.

Для защиты от нейтронов применяются комбинации материалов, обладающих высокой замедляющей способностью (вода, парафин, полиэтилен, графит, бетон) и высокой поглощающей способностью (бор, кадмий, железо и т.д.).

7. Характеристикой устойчивости ядер радионуклидов (радиоактивных атомов) служит период полураспада (Т_1/2). Период полураспада - это время, в течение которого распадается половина имеющихся первоначально ядер радионуклида. Периоды полураспада различных радионуклидов имеют значения от миллионных долей секунд до нескольких миллиардов лет.

Радионуклиды, имеющие период полураспада менее суток, принято называть короткоживущими, более суток - долгоживущими.

Активность (А) - мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, равная числу радиоактивных распадов в единицу времени. Чем больше распадов в единицу времени, тем выше активность радионуклида. Единицей активности является беккерель (Бк), равная 1 распаду в 1 сек. Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности Кюри (Ки) составляет 3,7´10¹⁰ Бк.

Для количественной характеристики гамма-активности источника применяется гамма-эквивалент радия (М). Гамма-эквивалент источника - условная масса источника радия-226, создающего на данном расстоянии такую же мощность экспозиционной дозы, как данный источник.

Специальной единицей гамма-эквивалента является килограмм-эквивалент радия: 1 кг-экв. радия на расстоянии 1 см в воздухе от источника создает мощность экспозиционной дозы 8,4´10⁶ Р/ч, соответственно 1 мг-экв. радия - 8,4 Р/ч.

Кроме единиц активности радиоактивные излучения характеризуются плотностью потока, т.е. числом частиц, проходящих в единицу времени через поверхность с единичной площадью. Размерность: частиц/(см²´с).

8. Количественная оценка воздействия, производимого ионизирующими излучениями, выполняется путем измерения дозы излучения. Исторически существуют несколько способов измерения дозы излучения:

- еще при открытии рентгеновского излучения (электромагнитное излучение, как и гамма-излучение) было обнаружено, что оно, проходя через воздух, ионизирует его. Ионизация тем больше, чем сильнее излучение. Поэтому о величине активности судили по ионизации, легко измеряемой электрическим прибором. Условились, что единицей измерения дозы является величина измеренного электрическим прибором заряда, который образуется при ионизации определенного количества воздуха при прохождении через него излучения. Дозу, измеренную подобным образом, назвали «экспозиционной» дозой. Единицей измерения экспозиционной дозы является кулон на килограмм, специальной единицей экспозиционной дозы является рентген (Р);

- однако не все виды излучения ионизируют воздух. В тоже время, чем сильнее излучение, тем большую энергию оно несет и тем большую энергию передаст телу, на которое направлено излучение. Энергию, переданную излучением веществу, можно измерить посредством измерения количества тепла (Дж), образовавшегося при взаимодействии излучения с веществом определенной массы (кг) (калориметрический метод). Дозу, измеренную таким способом, назвали «поглощенной» дозой. Единицей поглощенной дозы является Грэй (Гр) = Дж/кг;

- впоследствии выяснилось, что одна и та же доза разного вида излучения (альфа-, бета-, гамма-, нейтронного излучения) приводят к разным повреждениям живой ткани. Например, поглощенная доза нейтронного излучения величиной 1 Гр повреждает живую ткань в 5 - 20 раз (в зависимости от энергии излучения) сильнее, чем поглощенная доза гамма-излучения такой же величины. Поэтому было введено понятие «эквивалентная» доза, за единицу которой приняли 1 Зиверт (Зв) - величина дозы излучения, при которой происходит определенное количество повреждений живой клетки. Таким образом, каждому виду излучения определили взвешивающие коэффициенты для расчета эквивалентной дозы;

- в настоящее время оказалось, что не только вид излучения влияет на повреждение живой ткани, но и вид самой ткани. Например, если печень и легкие облучить одной и той же эквивалентной дозой, то легкие повредятся в 2,4 раза сильнее, чем печень. Поэтому действие излучения характеризуется «эффективной» дозой, учитывающей как вид излучения, так и то, на какой живой орган она действует. Единицей эффективной дозы, как и эквивалентной, является Зиверт (Зв). Эквивалентная и эффективная дозы являются расчетными величинами. Коэффициенты, характеризующие вид излучения для перехода от поглощенной дозы к эквивалентной и коэффициенты, характеризующие вид живой ткани для перехода от эквивалентной дозы к эффективной приведены в НРБ-99/2009.

Приложение 2

Поиск по сайту: