В чем опасность нейтронного излучения. Виды радиоактивных излучений и их опасность. Что такое радиация

Cевастопольский Национальный Университет ядерной энергии и промышленности

Контрольная работа по дисциплине

Радиационная безопасность

Тема: Природа, источники, механизм взаимодействия с веществом, особенности воздействия на организм человека нейтронного излучения

Выполнил:

Студент заочного отделения

Факультета ЯХТ

Бурак Л.А.

Севастополь

Введение

Нейтрон был открыт в 1932 году. Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Так как нейтроны лишены заряда, то они без препятствия проникают в атомные ядра и вызывают их превращения. Итальянский физик Ферми, который первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами, обнаружил, что ядерные превращения вызываются даже медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями. Практическое использование внутриядерной энергии оказалось возможным благодаря тому, что фундаментальным фактом ядерного деления является испускание в процессе деления двух-трёх нейтронов. Энергия освобождённых в процессе деления нейтронов имеет различное значение- от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.Только в ядрах нейтрон за счёт взаимодействия с другими нуклонами приобретает стабильность. Свободный же нейтрон живёт в среднем 16 мин. Это было экспериментально доказано лишь после того, как были построены ядерные реакторы, дающие мощные пучки нейтронов.

Радиоактивность способность радионуклидов спонтанно превращаться в атомы других элементов, вследствие перехода ядра с одного энергетического состояния в другое, что сопровождается ионизирующим излучением. В нормальном состоянии соотношение между количеством нейтронов и протонов в ядре строго определенное. Расстояние между ними, их энергия связи минимальные, ядро устойчивое. В результате облучения нейтронами (или другими частицами), ядро переходит в возбужденное состояние. Через промежуток времени оно переходит в устойчивое состояние, а избыточная энергия превращается в радиоактивное излучение ядра. Процесс перехода ядер из неустойчивого в устойчивое состояние с излучением избыточной энергии называется радиоактивным распадом.

1. Природа, источники, механизм взаимодействия с веществом, особенности воздействия на организм человека нейтронного излучения

1.1 Нейтронное излучение

Основными видами радиоактивных излучений при распаде ядер являются:

гамма излучение;
бета излучение;
альфа излучение;
нейтронное излучение.

Нейтронное излучение . Нейтроны излучаются ядрами при ядерных реакциях, когда полученная извне ядром энергия бывает достаточная для разрушения связи нейтрона с ядром, в результате деления ядер урана. Не имея заряда, нейтроны не взаимодействуют с электрическими полями электронов и ядер при прохождении через вещество и беспрепятственно движутся до столкновения с ядром. А так как размеры ядер неизмеримо меньше самих атомов, то столкновения очень редки и длина свободного пробега даже в твердых телах достигает несколько сантиметров (в воздухе сотни метров).

Рассматривают три вида взаимодействия нейтронов с веществом:

упругое рассеяние на ядрах когда часть энергии нейтрона передается ядру, другая часть остается у рассеянного нейтрона. При упругом рассеянии внутренняя энергия ядра не изменяется, она лишь приобретает кинетическую энергию;
неупругое рассеяние на ядрах когда внутренняя энергия отдачи изменяется. Ядро становится возбужденным и возвращаясь в нормальное состояние может испустить гамма-квант;
захват нейтронов ядрами при захвате нейтронов ядрами образуется сильно возбужденное ядро, которое, возвращаясь в нормальное состояние, может испустить различные частицы.

По энергии нейтроны делятся на тепловые, промежуточные и быстрые. Для защиты от нейтронного излучения применяются материалы, обладающие высокой замедляющей и поглощающей способностью вода, парафин, графиты, бор, кадмий и т.д.

Основным источником нейтронов является работающий реактор. Под действием нейтронов в реакторе происходит активация теплоносителя, конструкционных материалов, а также продуктов коррозии оборудования и трубопроводов. Образующиеся при этом радиоактивные изотопы являются источниками гамма- и бета излучений. При делении урана в реакторе образуются осколочные продукты деления обладающие, в основном, гамма- и бета- активностью, а также газообразные продукты деления.

1.2 Источники излучений на АЭС

Вне зависимости от типа реактора, установленного на АЭС, и ее технологической схемы основными источниками излучения на АЭС являются активная зона реактора, трубопроводы и оборудование технологического контура, бассейны выдержки с отработанным ядерным топливом, системы спецводоочистки и их оборудование, сама защита реактора.

Рис.1 Источники нейтронов.

Источники нейтронов в активной зоне работающего реактора можно подразделить на четыре группы:

мгновенные нейтроны, т.е. нейтроны, сопровождающие процесс деления ядер горючего;
запаздывающие нейтроны испускаются сильно возбужденными ядрами осколков деления;
нейтроны активации испускаются при радиоактивном распаде продуктов некоторых ядерных реакций;
фотонейтроны образуются в результате (γ, n)-реакций на некоторых ядрах.

Наибольший вклад в дозу облучения, при работе реактора на мощности, вносят мгновенные нейтроны.

Источники нейтронов. Мгновенные нейтроны образуются практически одновременно с делением ядра. Среднее число мгновенных нейтронов при делении 235U, 233U, 239Pu равно 2,5 0,03, 2,47 0,03 и 2,9 0,04 соответственно. Запаздывающие нейтроны образуются в количестве, существенно меньшем (0,002 0,007 нейтр./деление), и испускаются некоторыми продуктами деления с периодами полураспада 0,18 54,5 с.

Энергетическое распределение мгновенных и запаздывающих нейтронов описывается различными эмпирическими формулами, но чаще формулой:

где S(En) количество нейтронов.

En энергия нейтронов, МэВ.

В области энергий от 4 до 12 МэВ наиболее важной с точки зрения радиационной зашитыспектр нейтронов деления можно описать простой экспонентой:

S(En) = 1,75 ехр (0,776 En),(2)

погрешность этого соотношения не более 15%.

Для целей радиационной защиты необходимо иметь интегральный спектр нейтронов деления, то есть количество нейтронов в спектре нейтронов деления (1) с энергией, превышающей En:

Для профилактической работы спектр нейтронов деления (рис. 6.2) и интегральный спектр нейтронов деления (рис. 6.3) представляют в виде таблиц, в которых S(En) и χ(Εn) нормированы на единицу. Наиболее вероятная энергия нейтронов деления 0,6 0,8 МэВ, а средняя 2 МэВ, максимальная принимается равной 12 МэВ.

В результате взаимодействия нейтронов, образовавшихся при делении с ядрами элементов, входящих в состав активной зоны (упругое и неупругое рассеяние, поглощение, деление), спектр нейтронов деления (рис. 6.2) деформируется и приобретает вид, показанный на рис. 4. В области энергий, соответствующих группе быстрых нейтронов, он практически не отличается от спектра нейтронов деления, в промежуточной области энергий это спектр замедляющихся нейтронов, то есть 1/En спектр, а в тепловой и надтепловой областях энергии спектр Максвелла. Естественно, что на рис.4 показан принципиальный вид спектра, реальный зависит от состава активной зоны, и информацию о нем, так же как и о спектре нейтронов утечки из активной зоны и их количестве (плотности потока нейтронов на поверхности активной зоны), можно получить из результатов расчета физических характеристик активной зоны.

Рис. 4. Спектр нейтронов в активной зоне ядерного реактора.

1.3 Защитные свойства материалов от нейтронного излучения

Защитные свойства материалов от нейтронного излучения определяются их замедляющей и поглощающей способностью, степенью активации. Быстрые нейтроны наиболее эффективно замедляются веществами с малым атомным номером, такими как графит и водородсодержащие вещества (легкая и тяжелая вода, пластмассы, полиэтилен, парафин). Для эффективного поглощения тепловых нейтронов применяются материалы, имеющие большое сечение поглощения: соединения с бором борная сталь, бораль, борный графит, карбид бора, а также кадмий и бетон (на лимонитовых и других рудах, содержащих связанную воду).

Вода используется не только как замедлитель нейтронов, но и как защитный материал от нейтронного излучения вследствие высокой плотности атомов водорода. После столкновений с атомами водорода быстрый нейтрон замедляется до тепловой энергии, а затем поглощается средой. При поглощении тепловых нейтронов ядрами водорода по реакции H(n,γ)D, возникает захватное γ-излучение с энергией E =2,23 МэВ. Захватное γ-излучение можно значительно снизить, если применить борированную воду. В этом случае тепловые нейтроны поглощаются бором по реакции B(n,α)Li, а захватное излучение имеет энергию E = 0,5 МэВ. Водяную защиту выполняют в виде заполненных водой секционных баков из стали или других материалов.

Кадмий хорошо поглощает нейтроны с энергией меньше 0,5 эВ. Листовой кадмий толщиной 0,1 см снижае

Радиоактивное излучение является мощным воздействием на человеческий организм, способным вызвать необратимые процессы, ведущие к трагическим последствиям. В зависимости от мощности различные виды радиоактивных излучений могут вызвать тяжелые заболевания, а могут, наоборот, лечить человека. Некоторые из них используются в диагностических целях. Другими словами, все зависит от контролируемости процесса, т.е. его интенсивности и продолжительности воздействия на биологические ткани.

Сущность явления

В общем случае под понятием радиация подразумевается высвобождение частиц и их распространение в виде волн. Радиоактивность подразумевает самопроизвольный распад ядер атомов некоторых веществ с появлением потока заряженных частиц большой мощности. Вещества, способные на такое явление, получили название радионуклидов.

Так что такое радиоактивное излучение? Обычно под этим термином отмечаются как радиоактивные, так и радиационные излучения. По своей сути, это направленный поток элементарных частиц значительной мощности, вызывающих ионизацию любой среды, попадающей на их пути: воздух, жидкости, металлы, минералы и другие вещества, а также биологические ткани. Ионизация любого материала ведет к изменению его структуры и основных свойств. Биологические ткани, в т.ч. человеческого организма, подвергаются изменениям, которые не совместимы с их жизнедеятельностью.

Различные типы радиоактивного излучения имеют разную проникающую и ионизирующую способность. Поражающие свойства зависят от следующих основных характеристик радионуклеидов: вид радиации, мощность потока, период полураспада. Ионизирующая способность оценивается по удельному показателю: количеству ионов ионизируемого вещества, формируемых на расстоянии в 10 мм по пути проникновения излучения.

Негативное воздействие на человека

Радиационное облучение человека приводит к структурным изменениям в тканях организма. В результате ионизации в них появляются свободные радикалы, которые представляют собой активные в химическом плане молекулы, поражающие и убивающие клетки. Первыми и наиболее сильно страдают желудочно-кишечная, мочеполовая и кроветворная системы. Появляются выраженные симптомы их дисфункции: тошнота и рвота, повышенная температура, нарушение стула.

Достаточно типичной является лучевая катаракта, вызванная воздействием излучения на глазные ткани. Наблюдаются и другие серьезные последствия радиационного облучения: сосудистый склероз, резкое снижение иммунитета, гематогенные проблемы. Особую опасность представляет повреждение генетического механизма. Возникающие активные радикалы способны изменить структуру главного носителя генетической информации — ДНК. Такие нарушения могут приводить к непрогнозируемым мутациям, отражающимся на следующих поколениях.

Степень поражения человеческого организма зависит от того, какие виды радиоактивного излучения имели место, какова интенсивность и индивидуальная восприимчивость организма. Главный показатель — доза облучения, показывающая, какое количество радиации проникло в организм. Установлено, что разовая большая доза значительно опаснее, чем накопление такой дозы при длительном облучении маломощным излучением. Поглощенное организмом количество радиации измеряется в эйвертах (Эв).

Любая жизненная среда имеет определенный уровень радиации. Нормальным считается радиационный фон не выше 0,18-0,2 мЭв/ч или 20 микрорентгенов. Критический уровень, ведущий к летальному исходу, оценивается в 5,5-6,5 Эв.

Разновидности излучения

Как отмечалось, радиоактивное излучение и его виды могут по-разному воздействовать на человеческий организм. Можно выделить следующие основные разновидности радиации.

Излучения корпускулярного типа, представляющие собой потоки частиц:

Альфа-излучение. Это поток, составленный из альфа-частиц, имеющих огромную ионизирующую способность, но глубина проникновения небольшая. Даже листок плотной бумаги способен остановить такие частицы. Одежда человека достаточно эффективно исполняет роль защиты.
Бета-излучение обусловлено потоком бета-частиц, летящих со скоростью, близкой к скорости света. Из-за огромной скорости эти частицы имеют повышенную проникающую способность, но ионизирующие возможности у них ниже, чем в предыдущем варианте. В качестве экрана от данного излучения могут служить оконные окна или металлический лист толщиной 8-10 мм. Для человека оно очень опасно при прямом попадании на кожу.
Нейтронное излучение состоит из нейтронов и обладает наибольшим поражающим воздействием. Достаточная защита от них обеспечивается материалами, в структуре которых есть водород: вода, парафин, полиэтилен и т.п.

Волновое излучение, представляющее собой лучевое распространение энергии:

Гамма-излучение является, по своей сути, электромагнитным полем, создающимся при радиоактивных превращениях в атомах. Волны испускаются в виде квантов, импульсами. Излучение имеет очень высокую проницаемость, но низкую ионизирующую способность. Для защиты от таких лучей нужны экраны из тяжелых металлов.
Рентгеновское излучение, или Х-лучи. Эти квантовые лучи во многом аналогичны гамма-излучению, но проникающие возможности несколько занижены. Такой тип волны вырабатывается в вакуумных рентгеновских установках за счет удара электронами о специальную мишень. Общеизвестно диагностическое назначение данного излучения. Однако следует помнить, что продолжительное действие его способно нанести человеческому организму серьезный вред.

Как может облучиться человек

Человек получает радиоактивное облучение при условии проникновения радиации в его организм. Оно может происходить 2 способами: внешнее и внутреннее воздействие. В первом случае источник радиоактивного излучения находится снаружи, а человек по разным причинам попадает в поле его деятельности без надлежащей защиты. Внутреннее воздействие осуществляется при проникновении радионуклида внутрь организма. Это может произойти при употреблении облученных продуктов или жидкостей, с пылью и газами, при дыхании зараженным воздухом и т.д.

Внешние источники радиации можно подразделить на 3 категории:

Естественные источники: тяжелые химические элементы и радиоактивные изотопы.
Искусственные источники: технические устройства, обеспечивающие излучение при соответствующих ядерных реакциях.
Наведенная радиация: различные среды после воздействия на них интенсивного ионизирующего излучения сами становятся источником радиации.

К наиболее опасным объектам в части возможного радиационного облучения можно отнести следующие источники радиации:

Производства, связанные с добычей, переработкой, обогащением радионуклидов, изготовлением ядерного топлива для реакторов, в частности урановая промышленность.
Ядерные реакторы любого типа, в т.ч. на электростанциях и кораблях.
Радиохимические предприятия, занимающиеся регенерацией ядерного топлива.
Места хранения (захоронения) отходов радиоактивных веществ, а также предприятия по их переработке.
При использовании радиационных излучений в разных отраслях: медицина, геология, сельское хозяйство, промышленность и т.п.
Испытание ядерного оружия, ядерные взрывы в мирных целях.

Проявление поражения организма

Характеристика радиоактивных излучений играет решающую роль в степени поражения человеческого организма. В результате воздействия развивается лучевая болезнь, которая может иметь 2 направления: соматическое и генетическое поражение. По времени проявления выделяется ранний и отдаленный эффект.

Ранний эффект выявляет характерные симптомы в период от 1 часа до 2 месяцев. Типичными считаются такие признаки: кожная краснота и шелушение, мутность глазного хрусталика, нарушение кроветворного процесса. Крайний вариант при большой дозе облучения — летальный исход. Локальное поражение характеризуются такими признаками, как лучевой ожог кожного покрова и слизистой оболочки.

Отдаленные проявления выявляются через 3-5 месяцев, а то и через несколько лет. В этом случае отмечаются устойчивые кожные поражения, злокачественные опухоли различной локализации, резкое ухудшение иммунитета, изменение состава крови (значительное снижение уровня эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов). В результате этого часто развиваются различные инфекционные болезни, существенно снижается продолжительность жизни.

Для предотвращения облучения человека ионизирующим излучением применяются различные виды защиты, которые зависят от типа радиации. Кроме того, регламентируются жесткие нормы по максимальной продолжительности пребывания человека в зоне облучения, минимальному расстоянию до источника радиации, использованию индивидуальных средств защиты и установке защитных экранов.

Врач-пульмонолог, Терапевт, Кардиолог, Врач функциональной диагностики. Врач высшей категории. Опыт работы: 9 лет. Закончила Хабаровский государственный мединститут, клиническая ординатура по специальности «терапия». Занимаюсь диагностикой, лечением и профилактикой заболеваний внутренних органов, также провожу профосмотры. Лечу заболевания органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупрутах взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как ич заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов большая.

Нейтронное излучение - это поток нейтронов. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они свободно взаимодействуют с ядрами атомов, вызывая ядерные реакции. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которыми они взаимодействуют.

Известно, что радиоактивное излучение, взаимодействуя с облучаемой средой, образует электрические заряды разных знаков (ионы). Этот процесс называется ионизацией и обусловлен действием на облучаемую среду ядер атомов гелия (а-частицы), электронов, позитронов (р-частицы), заряженных и незаряженных частиц (корпускулярное и нейтронное излучение), электромагнитного (у-излучение) ", фотонного (характеристическое, тормозное и рентгеновское) и другого излучений 2. Ни один из этих видов радиоактивного излучения не воспринимается органами чувств человека. Глубина проникновения и степень воздействия каждого из них и всех вместе на организм, состояние здоровья человека зависят от следующих факторов:

Нейтронное излучение является потоком электронейтральных частиц ядра. Так называемое вторичное излучение нейтрона, когда он сталкивается с каким-либо ядром или электроном, оказывает сильное ионизирующее воздействие. Ослабление нейтронного излучения эффективно осуществляется на ядрах легких элементов, особенно водорода, а также на материалах, содержащих такие ядра - воде, парафине, полиэтилене и др.

Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

Нейтронное излучение преде?авляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (п), являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

В качестве защитного материала часто используют парафин, толщина которого для Ро -Be- и Ро -В-источников нейтронов будет примерно в 1,2 раза меньше, чем толщина водной защиты, определенная по приведенным на рис. 5 и 6 номограммам. Следует отметить, что нейтронное излучение радиоизотопных источников часто сопровождается у-излучением, поэтому необходимо проверять, обеспечивает ли защита от нейтронов также защиту от Y-излучения. Если не обеспечивает, то необходимо вводить в защиту компоненты с высоким атомным номером (железо, свинец).

При внешнем облучении основную роль играют гамма- и нейтронное излучение. Альфа- и бета-частицы составляют главный поражающий фактор радиоактивных облаков, образуемых продуктами деления, остатками расщепляющегося материала и вторично активированными веществами при ядерном взрыве, однако эти частицы легко поглощаются одеждой и поверхностными слоями кожи. Под действием медленных нейтронов в организме создается наведенная радиоактивность, которая была обнаружена в костях и других тканях многих людей, умерших в Японии от лучевой болезни.

Судя по опубликованным данным, нейтронная бомба отличается от «классических» видов ядерного оружия - атомной и водородной бомб - прежде всего мощТолщина слоя половинного ослабления для нейтронного излучения определяется по справочным данным, для гамма-излучения может быть вычислена по плотности материала: rfno;, 23/р, где р - плотность материала, г"см"; 23 см - слой воды (плотность 1 г/см3), ослабляющей гамиа-излучеиие ядерного взрыва в два раза.

Защитные сооружения ГО надежно обеспечивают защиту людей от проникающей радиации. Расчет защитных свойств этих сооружений производится но гамма-излучению, так как доза гамма-излучения значительно выше дозы нейтронного излучения, а слои половинного ослабления для строительных материалов приблизительно одинаковы.

Комплект ИД-1 предназначен для измерения поглощенных доз гамма-нейтронного излучения. Он состоит из индивидуальных дозиметров ИД-1 и зарядного устройства ЗД-6. Принцип работы дозиметра ИД-1 аналогичен принципу работы дозиметров для измерения экспозиционных доз гамма-излучения (например, ДКП-50А).

Д л я определен и я и а л и ч и я наведенной а к-т и в н о с т и техники, подвергшейся воздействию нейтронного излучения, производят два измерения - снаоужп и внутри техники. Если результаты измерений близки между собой, это означает, что техника имеет наведенную активность.

Из таблицы следует, что слой половинного ослабления легких материалов для нейтронного излучения в несколько раз меньше, чем для тяжелых. И наоборот, тяжелые материалы, например металлы, хуже ослабляют нейтронное излучение, чем гамма-излучение.

Все защитные сооружения, выполненные из неметаллических материалов, прекрасно защищают от гамма-нейтронного излучения. Их эффективность защиты от нейтронного излучения может быть повышена путем применения прокладок из легких материалов-(полиэтилена, стеклопластика и др.).

Наиболее чувствительными к воздействию проникающей радиации являются фото-, полупроводниковые и органические материалы. Тг к, фотопленка засвечивается при облучении экспозиционной дозой в несколько рентген. Большой радиационной стойкостью обладают неорганические материалы и металлы. В табл. П.6 15] даны ориентировочные сведения по стойкости различных материалов к воздействию гамма- и нейтронного излучения. Они сгруппированы по стойкости, определенной по изменению электрических и механических параметров. Под максимально допустимыми потоком и экспозиционной дозой понимаются такие потоки и дозы, при которых характеристики материалов ухудшаются на 25%.

Защита от нейтронного излучения. Пространственное распределение плотности потока (мощности дозы) нейтронов в большинстве случаев можно описать экспериментальной зависимостью ср = срое8*. В расчетах вместо линейного коэффициента ослабления 5 часто используют массовый коэффициент ослабления 5„ = 5/р, где р-плотность защитной среды. Тогда произведение 5Л может быть представлено в виде 5Л = 8, (ря) = 5,/и, где т„ - поверхностная плотность экрана. С учетом этого

При проектировании защиты от нейтронного излучения необходимо учитывать, что процесс поглощения эффективен для тепловых, медленных и резонансных нейтронов, поэтому быстрые нейтроны должны быть предварительно замедлены. Тяжелые материалы хорошо ослабляют быстрые нейтроны. Промежуточные нейтроны эффективнее ослаблять йодородосодержащими веществами. Это означает, что следует искать такую комбинацию тяжелых и водородосодержащих веществ, которые давали бы наибольшую эффективность (например, используют комбинации Н2О + Fe, Н2О + РЬ).

Большое практическое значение имеет проблема комбинированного влияния ионизирующего излучения и химического фактора в окружающей среде. Особенно злободневны два аспекта этой проблемы: первый - уменьшить разрушающее действие радиации с помощью вредного вещества, используя явление антагонизма. Например, установлено, что острое воздействие ядов, вызывающее в организме гипоксию (снижение кислорода в тканях) и одновременное и последовательное действие ионизирующей радиации, сопровождается ослаблением тяжести радиационного поражения, т. е. способствует большей радиационной устойчивости организма. Такие вещества называют радиопротекторами. Этот эффект замечен для оксида углерода, анилина, цианидов и др. Защитное действие гипоксии и некоторых веществ наиболее выражено при воздействии гамма, рентгеновского и нейтронного излучения, а также при облучении тяжелыми ядрами.

Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водоро-досодержащие материалы, т. е. имеющие в своей химической формуле атомы водорода. Обычно применяют воду, парафин, полиэтилен. Кроме того, нейтронное излучение хорошо поглощается бором, бериллием, кадмием, графитом. Поскольку нейтронные излучения сопровождаются гамма-излучениями, необходимо применять многослойные экраны из различных материалов: свинец-полиэтилен, сталь - вода и т. д. В ряде случаев для одновременного поглощения нейтронного и гамма-излучений применяют водные растворы гидроксидов тяжелых металлов, например, гидроксид железа Fe(OH)3.

Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Бета-излучения

Бета-частицы – поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Электрон (b – -частица) имеет массу m e = 9,109´10 -31 кг и отрицательный заряд e = 1,6´10 -19 Кл. Позитрон (b + -частица) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону . Массы электрона и позитрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время (доли секунды) из-за аннигиляции с электронами.

Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется природой бета-распада радиоактивных ядер, при котором образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, бета-частицей и нейтрино в различных соотношениях. Таким образом, энергетический спектр бета-частиц сложный и непрерывный. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,018 до 13,5 МэВ. Бета-распад может происходить не только на основной уровень, но и на возбужденные уровни дочернего ядра. Поток бета-частиц называется бета-излучением. В результате электронного бета-распада исходное ядро превращается в новое ядро, масса которого остается прежней, а заряд увеличивается на единицу, при этом появляется частица – антинейтрино:

Позитронный бета-распад приводит к образованию ядра с прежней массой и зарядом, уменьшенным на единицу, при этом образуется нейтрино:

Нейтрино от антинейтрино отличается направлением спина по отношению к импульсу.

К бета-распаду относится еще один вид превращения ядер – электронный захват , при котором ядро притягивает к себе один из электронов, расположенных на внутренних орбитах атома (чаще К-слоя):

;

Место захваченного электрона сразу же заполняется электроном с более высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение. Ядро же такого атома остается неизменным по массе, превращается в новое ядро с зарядом, уменьшенным на единицу.

Часто один и тот же радионуклид подвергается одновременно нескольким типам распада. Например, К-40 претерпевает электронный распад и электронный захват (К-захват).

Таким образом, при всех видах бета-распада массовое число ядра остается без изменения, а зарядовое число изменяется на единицу.

При взаимодействии бета-частиц с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов, при этом бета-частицы передают атомам свою кинетическую энергию и рассеиваются. Потеря бета-частицей энергии при каждом акте взаимодействия с веществом сопровождается уменьшением ее скорости до тепловой скорости движения вещества. Отрицательная бета-частица при этом либо остается в виде свободного электрона, либо присоединяется к нейтральному атому или положительному иону, превращая первый в отрицательный ион, а второй – в нейтральный атом. Положительная бета-частица (позитрон) в конце своего пути, сталкиваясь с электроном, соединяется с ним и аннигилирует.

Многократные изменения направления бета-частицы при ее взаимодействии с веществом приводят к тому, что глубина проникновения ее в вещество – длина пробега – оказывается значительно меньше истиной длины пути бета-частицы в веществе, а ионизация носит объемный характер.

Средняя величина удельной ионизации – линейная плотность ионизации – в воздухе зависит от энергии бета-частиц и составляет 100–300 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег в воздухе достигает нескольких метров, в биологической ткани – сантиметры, в металлах – десятки мкм. Скорость движения бета-частиц в воздухе близка к скорости света (250000–270000 км/с).

Для защиты от бета-излучения используются: стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером.

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение бета-частиц, соответствует максимальной длине пробега – длине пробега бета-частиц, имеющих наибольшую энергию в данном спектре, может быть определена по формуле

где R max – максимальная длина пробега (толщина слоя), см; E max – максимальная энергия бета-частиц в спектре, МэВ; r – плотность вещества, г/см 3 .

Потеря энергии бета-частицами и рассеяние их в веществе приводят к постепенному ослаблению потока бета-частиц, которое выражается экспоненциальной зависимостью

, (3.4)

где N – число бета-частиц, прошедших слой вещества толщиной R в единицу времени; N 0 – начальное число бета-частиц, падающих в единицу времени на поглощающий слой; m л – линейный коэффициент поглощения, см -1 ; R – толщина поглощающего слоя, см.

Нейтронные излучения

Свободные нейтроны образуются в процессе спонтанного деления ядра, под которым понимается его расщепление, т.е. распад на два осколка, сумма масс которых примерно равна массе исходного ядра. Возникающие в процессе деления ядер нейтроны имеют энергию около 2 МэВ.

235 92 U + 1 0 n – 56 144 Ва + 89 36 Кr + 2 0 1 n + Q

Нейтрон (n) – элементарная, электрически нейтральная частица с массой m n = 1,6748´10 -27 кг. Нейтрон в свободном состоянии нестабилен, он самопроизвольно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино: 1 0 ; время жизни нейтронов составляет около 16 мин.

Около 1 % нейтронов испускаются возбужденными осколками деления исходного ядра. При этом изменяется энергетическое состояние ядра-осколка с уменьшением массового числа на единицу:

Такие превращения происходят после завершения процесса деления ядра за время от долей до десятков секунд. Нейтроны, испускаемые спустя период времени порядка секунды после акта деления, называются запаздывающими . Энергия запаздывающих нейтронов – около 0,5 МэВ.

Нейтроны, взаимодействуя с веществом, либо рассеиваются, либо захватываются ядрами атомов вещества. Различаются рассеяние упругое и неупругое и радиационный захват с испусканием заряженных частиц.

Упругим называется такое рассеяние, при котором нейтрон, столкнувшись с ядром атома, передает ему часть кинетической энергии и отскакивает от ядра, изменив направление своего движения, с уменьшенной энергией. При столкновениях переданная нейтроном ядру энергия превращается в кинетическую энергию ядра, которое приходит в движение и называется ядром отдачи (рис.7) . Ядра отдачи, получившие от нейтрона достаточно большую энергию, могут оказаться выбитыми из атомов и будут взаимодействовать с веществом как заряженные частицы, производя ионизацию.

Наибольшую энергию нейтрон теряет при взаимодействии с ядрами, равными или близкими ему по массе. Так как при этом происходит замедление нейтронов, то особенно эффективными замедлителями являются легкие элементы (водород, бериллий, графит). Вероятность упругого рассеяния растет с уменьшением энергии нейтрона и заряда ядра.

Рис. 7. Упругое столкновение нейтрона с ядром

Неупругим рассеянием называется такое взаимодействие нейтрона с ядром, когда нейтрон проникает в него, выбивая из него один из нейтронов меньшей энергии и другого направления, чем первоначальный, и переводит ядро в возбужденное состояние, из которого оно очень быстро переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта (рис. 8).

Неупругое рассеяние характерно для взаимодействия нейтронов достаточно больших энергий с ядрами тяжелых элементов.

Рис. 8. Неупругое столкновение нейтрона с ядром

Явление, при котором нейтрон, проникая в ядро, образует более тяжелый изотоп взаимодействующего с ним ядра, называется захватом нейтронов . Ядро, захватившее нейтрон, переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в основное состояние, испускает один или несколько гамма-квантов с энергией порядка мегаэлектронвольт или заряженные частицы (рис. 9).

Захват нейтрона ядром сопровождается с испусканием гамма-квантов по следующей схеме:

0 1 n + 13 27 Al – 13 28 Al *

13 28 Al * –– 13 28 Al +гамма-квант

Захват нейтронов ядрами становится возможен благодаря тому, что не имея заряда и не испытывая вследствие этого отталкивающего электрического воздействия со стороны ядра, нейтрон способен приблизиться к нему на такие небольшие расстояния, на которых сказываются ядерные силы притяжения. Вероятность захвата возрастает для нейтронов малых энергий вследствие большего времени нахождения нейтрона вблизи ядра.

Рис. 9. Захват нейтрона ядром

Основной качественной характеристикой нейтронного излучения является энергетический спектр – распределение нейтронов по энергиям. При этом различают следующие энергетические спектры нейтронов: медленные с энергией до 0,5 эВ, промежуточные – с энергией от 0,5 эВ до 200 кэВ, быстрые – с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ и сверхбыстрые – с энергией свыше 20 МэВ.

Нейтронное излучение является косвенно ионизирующим, это объясняется тем, что нейтроны практически не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и непосредственно не ионизируют атомы. Нейтроны движутся в веществе без потери энергии, пока не встретятся с ядрами.

Проникающая способность нейтронов в воздухе сотни метров и сравнима с проникающей способностью гамма-излучений, или даже больше ее. В воздухе нейтрон проходит около 300 метров между двумя последовательными столкновениями, а в более плотных жидких и твердых веществах – около 1 см.

Гамма-излучения

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами. Гамма-излучение наблюдается при радиоактивном распаде атомных ядер и ядерных реакциях. Испускание гамма–лучей не приводит к превращениям элементов и поэтому не считается видом радиоактивных превращений. Гамма-излучение лишь сопровождает некоторые радиоактивные превращения, в которых ядра образуются в возбужденных состояниях. Возбужденные ядра в течение 10 -12 с переходят в основное состояние, испуская избыток энергии в виде гамма-кванта. Иногда ядро последовательно испускает ряд гамма-квантов, переходя каждый раз в менее возбужденное состояние, пока не станет стабильным. Это явление получило название каскадного излучения .

Гамма-кванты не обладают ни зарядом, ни массой покоя. Их испускание не приводит к образованию ядер новых элементов. Возбужденное и стабильное ядро одного элемента отличается только энергией, т.е. при гамма-переходах изменение заряда Z и массового числа А не происходит. Излучение гамма-кванта является процессом, самопроизвольно происходящим в ядрах и характеризующим свойства ядер.

Если значком * обозначить возбужденное состояние ядра, то процесс излучения гамма-кванта hn можно записать так:

где h – постоянная Планка (h = 6,626´10 –34 Дж×с); n – частота электромагнитных волн.

Излученные ядром гамма-кванты характеризуются большой энергией, каждый из них может быть обнаружен и зарегистрирован приборами. При радиоактивном распаде ядер обычно наблюдаются гамма-кванты с энергией от 10 кэВ до 5 МэВ, при ядерных реакциях встречаются гамма-кванты с энергиями до 20 МэВ. В современных ускорителях получают гамма-кванты с энергией до 20 ГэВ.

Гамма-излучение ядерного взрыва образуется непосредственно в процессе деления ядер U или Pu. Его источником являются также осколки деления, испускающие гамма-квант при переходе из возбужденного состояния в основное.

Среди процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом наибольшую вероятность имеют: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пары электрон-позитрон.

Процесс взаимодействия гамма-кванта с веществом, при котором гамма-квант полностью поглощается атомом вещества и выбивает из атома электрон, называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом). Фотоэффект чаще происходит при малых значениях энергии гамма-квантов и резко уменьшается с ее увеличением.

При энергии гамма-квантов от 0,2 до 1 МэВ наиболее вероятным становится процесс взаимодействия гамма-кванта с одним из внешних электронов. В процессе этого взаимодействия гамма-квант передает электрону часть своей энергии, которая переходит в кинетическую энергию электрона (Е е) и расходуется вторичным электроном на ионизацию атомов вещества. Соответственно уменьшается энергия гамма-кванта (Е g), при этом изменяется направление его движения. Процесс уменьшения энергии гамма-квантов и рассеяния их электронами получил название Комптон-эффекта (неупругое рассеяние) (рис.11).

При взаимодействии гамма-квантов с электромагнитным полем ядра он может прекратить свое существование как гамма-квант и превратиться в две частицы: электрон и позитрон. Такой процесс взаимодействия гамма-квантов с веществом называется образованием пар электрон-позитрон . Такое взаимодействие возможно, если гамма-квант имеет энергию, равную или большую 1,02 МэВ. Это объясняется тем, что энергия покоя электрона и позитрона соответственно равна 0,51 МэВ, то на их образование расходуется 1,02 МэВ.

Рис.10. Фотоэффект Рис. 11. Эффект Комптона

Вся избыточная энергия, которой обладает гамма-квант сверх 1,02 МэВ, сообщается поровну в виде кинетической энергии электрону и позитрону. Возникающие при образовании пары электрон и позитрон расходуют свою кинетическую энергию на ионизацию среды, после чего позитрон аннигилирует, соединяясь с одним из имеющихся в среде свободных электронов (рис. 12).

В отличие от альфа- и бета-частиц, непосредственно ионизирующих атомы, гамма-кванты во всех случаях, взаимодействуя с веществом, вызывают появление в нем свободных вторичных электронов и позитронов, которые производят ионизацию.

Рис. 12. Образование электронно-позитронной пары

Для гамма-излучения характерна очень низкая вероятность взаимодействия с веществом. Это означает, что фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар при прохождении гамма-излучения через вещество проходят достаточно редко.

Ионизирующая способность гамма-квантов при одинаковой энергии гамма-квантов и заряженных частиц и при одинаковой взаимодействующей среде в тысячи раз меньше, чем ионизирующая способность заряженных частиц.

В воздухе линейная плотность ионизации гамма-квантов составляет 2-3 пары ионов на 1 см пути. Проникающая способность гамма-квантов в воздухе сотни метров.

Ослабление (поглощение) интенсивности гамма-излучения в веществе определяется по закону Бугера:

, (3.5)

где I – интенсивность гамма-излучения на глубине R в веществе; I 0 – интенсивность гамма-излучения при входе в вещество; m – линейный коэффициент ослабления.

Коэффициент m состоит из коэффициента поглощения при фотоэффекте m ф, коэффициента ослабления при комптон-эффекте m к и коэффициента поглощения при образовании электронно-позитронных пар m пар:

. (3.6)

Коэффициент m зависит не только от энергии гамма-квантов, но и от плотности и среднего атомного номера вещества среды. Поэтому поглощение гамма-квантов веществом удобнее выражать через массовый коэффициент ослабления m m = m/r. Тогда получим

. (3.7)

. Доза излучения – это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы облучаемой среды. Различают поглощенную, экспозиционную и эквивалентную дозы излучения.

Поглощенной дозой излучения (D) называется количество энергии любого вида ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы любого вещества:

, (3.8)

где dЕ – поглощенная энергия излучения; dm – масса облучаемого вещества.

Эта величина позволяет дать количественную оценку действия различных видов излучения в различных средах. Она не зависит от объема и массы облучаемого вещества и определяется главным образом ионизирующей способностью и энергией излучений, свойствами поглощающего вещества и продолжительностью облучения.

При определении дозы в биологическом объекте нужно учитывать внешнее и внутреннее облучение, так как радиоактивные вещества могут попасть в организм с пищей, водой и вдыхаемым воздухом. В этом случае облучение внутренних органов происходит не только гамма-, но также альфа- и бета-излучением.

Поглощенная доза является количественной мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество. За единицу измерения поглощенной дозы принят грей (Гр) - поглощенная доза излучения, соответствующая энергии 1 джоуль ионизирующего излучения любого вида, переданной облученному веществу массой 1 кг: 1 Гр = 1 Дж/кг.

На практике применяется внесистемная единица – рад (Rad – по первым буквам английского словосочетания "radiation absorbet dose"). Доза в 1 рад означает, что в каждом грамме вещества, подвергшегося облучению, поглощено 100 эрг энергии. 1 рад = 100 эрг/г = = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр, т.е. 1 Гр = 100 рад (1 эрг = 10 Дж).

Поглощенная доза излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. Для заряженных частиц (альфа -, бета-частиц, протонов) небольших энергий, быстрых нейтронов и некоторых других излучений, когда основными процессами их взаимодействия с веществом является непосредственная ионизация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной характеристикой ионизирующего излучения по его взаимодействию со средой. Это связано с тем, что между параметрами, характеризующими ионизирующую способность излучения в среде, и поглощенной дозой, можно установить адекватные прямые зависимости.

Для рентгеновского и гамма-излучений таких зависимостей не наблюдается, т.к. эти виды излучений косвенно ионизирующие. Следовательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучений по их воздействию на среду.