Какие материалы хорошо ослабляют гамма излучение

Материалы для защиты от гамма-излучения

2.4 Материалы для защиты от гамма-излучения

Гамма-излучение наиболее эффективно ослабляется материалами с большим атомным номером и высокой плотностью (свинец, сталь, бетон, магнетитовые и другие руды, свинцовое стекло).На АЭС в качестве материала для биологической защиты обычно используется бетон, металлические конструкции и вода. Рассмотрим некоторые материалы, получившие широкое применение в качестве защиты от гамма-излучения.

Вода используется не только как замедлитель нейтронов, но и как защитный материал от нейтронного излучения вследствие высокой плотности атомов водорода. 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 снизить, если применить борированную воду. Тепловые нейтроны поглощаются бором по реакции B(n,α)Li, а захватное излучение имеет энергию E = 0,5 МэВ. Конструктивно водяную защиту выполняют в виде заполненных водой секционных баков из стали или других материалов.

Полиэтилен (р = 0,93 г/см 3 , n_н= 7,92 ·10 22 ядер/см 3 ) — термопластичный полимер (C_nH_2n), является лучшим замедлителем, чем вода. Применяют в виде листов, лент, прутков и т.п. на таких участках защиты, где температура tполиэтилена меньше tразмягчения=368К. Необходимо учитывать высокий коэффициент его линейного расширения (в 13 раз больше, чем у железа). С повышением t полиэтилен размягчается, а затем загорается, образуя двуокись углерода и воду. Защитные свойства от γ-излучения примерно такие же, как у воды. Для уменьшения захватного γ-излучения в полиэтилен добавляют борсодержащие вещества.

Из других водородсодержащих веществ используют различные пластмассы (полистирол, полипропилен) и гидриды металлов.

Железо — в виде изделий из стали и чугуна (прокат, поковка, дробь). Сталь (углеродистая и с легирующими элементами) является конструкционным материалом для изготовления узлов реакторных установок (корпус реактора, тепловая и радиационная защита, трубопроводы, различные механизмы, арматура для защиты из других материалов и т.п.). В стали сочетаются конструкционные и защитные свойства. Масса зашиты из стали от γ-излучения на 30% больше массы эквивалентной свинцовой защиты, однако повышенный расход материала компенсируется лучшими конструкционными характеристиками стали. Под действием тепловых нейтронов железо, являющееся основной составной частью стали, активируется с образованием радионуклида 55 Fe (Т_1/2=45,1 сут), излучающего фотоны (E_γ1= 1,1 МэВ; E_γ2=1,29 МэВ). При захвате нейтронов атомами железа возникает захватное γ-излучение (E_γ =7,7 МэВ). При несовершенной конструкции реакторной установки захватное γ-излучение в железных конструкциях тепловой защиты определяет выбор зашиты от излучения. Следует обращать внимание на содержание в стали марганца, тантала и кобальта, так как наведенная γ-активность определяется в основном содержанием этих элементов стали. Сталь, подвергающаяся облучению нейтронами высокой плотности, должна содержать не более 0,2% марганца, а тантал и кобальт могут находиться лишь в виде следов. Захватное γ-излучение и остаточную активность можно в значительной степени уменьшить, если добавить в сталь борное соединение и получить борную сталь. Бор интенсивно поглощает тепловые нейтроны, при этом образуются легко поглощаемое γ-излучение (E =0,5 МэВ) и α-частицы. Борная сталь по механическим свойствам хуже конструкционной стали, очень хрупка и трудно поддается мехобработке.

Свинец используется для защиты в виде отливок (очехлованных стальными листами), листов, дроби. Из имеющихся дешевых материалов свинец обладает наиболее высокими защитными свойствами от γ-излучения. Его целесообразно использовать при необходимости ограничения размеров и массы защиты. Применение свинца ограничивается низкой температурой плавления (600 К). Защитные материалы вольфрам, тантал могут использоваться в горячих зонах, в которых применение свища исключается. Использовать эти металлы для защиты промышленных реакторов нецелесообразно, так как они крайне дороги.

Кадмий хорошо поглощает нейтроны с энергией меньше 0,5 эВ. Листовой кадмий толщиной 0,1 см снижает плотность потока тепловых нейтронов в 10 9 раз. При этом возникает захватное γ-излучение с энергией до 7,5 МэВ. Кадмий не обладает достаточно хорошими механическими свойствами. Поэтому чаще применяют сплав кадмия со свинцом, который наряду с хорошими защитными свойствами от нейтронного и γ-излучений имеет лучшие механические свойства чем свойства чистого кадмия.

Бетон является основным материалом для защиты от излучений, если масса и размер защиты не ограничиваются другими условиями. Он состоит из заполнителей, связанных между собой цементом. В состав цемента входят окислы кальция, кремния, алюминия, железа и легкие ядра, которые интенсивно поглощают γ-излучение и замедляют быстрые нейтроны в результате упругого и неупругого столкновений. Поглощающая способность γ-излучения зависит от плотности бетона, которая может составлять 2,1 — 6,6 т/м 3 . Наибольшая плотность бетона при использовании заполнителя- железного скрапа (стальных шариков, проволоки, обрезков стального лома), наименьшая — при использовании песка и гравия. Конструкция бетонной защиты может быть монолитной (для больших реакторов) или состоять из отдельных блоков (небольших реакторов). Для снижения выхода захватного γ-излучения в бетон вводят вместо заполнителя до 3% B₄C.

Основным показателем защитных свойств материала по отношению к γ-излучению служит линейный коэффициент ослабления плотности (мощности дозы) γ-излучения. Чем выше плотность материала тем больше μ (коэффициент ослабления), тем более высокими защитными свойствами обладает материал. Защитные свойства материалов улучшаются в результате введения в них тяжелого компонента (железа, бария и др.). γ-излучение ослабляется за счет увеличения плотности материала.

Источник

Чем опасно гамма-излучение и способы защиты от него

Среди многообразия электромагнитных излучений, рядом с рентгеновскими лучами нашли себе «приют» очень короткие электромагнитные волны — это гамма-излучение. Имея ту же природу, что и свет, оно распространяется в пространстве с такой же скоростью 300 000 км/сек.

Однако ввиду его особых свойств, гамма-излучение оказывает сильнейшее отравляющее и травмирующее действие на живые организмы. Давайте выясним, что такое гамма-излучение, чем оно опасно и как защититься от него.

Защита от внешнего гамма-излучения

Источниками внешнего радиационного опасного излучения выступают:

• радиоактивные вещества;
• ядерные реакторы;
• рентгеновское оборудование и т. д.

Использование источников радиации предполагает соблюдение специализированных необходимых мер защиты. Допустимые уровни облучения прописаны в нормах радиационной безопасности, которые обязательно должен знать рабочий персон и не превышать указанных данных.

Обычно для защиты от гамма-излучения целесообразно применять защитные сооружения, которые экономически выгодны и обеспечат значительное ослабление радиационного воздействия. Мощность точечного источника радиации прямо пропорциональна активности облучения, поэтому ее удается ограничить путем меньшего использования и на большем удалении.

Такой вариант защиты предусматривает возможность выполнения работ в определенный промежуток времени, который не позволит получить большую дозу облучения, так как первое свойство ионизирующего излучения — это накопление. Следовательно, чем меньше времени человек находится в зоне повышенного радиационного фона, тем меньший вред это нанесет его здоровью.

Следующий способ защиты от внешнего гамма-излучения выступает снижение его мощности при увеличении расстояния между источником изучения и объекта. Четкие указания по допустимому промежутку времени для нахождения вблизи источника излучения предъявляются рабочему персоналу, по истечению которого люди должны выводиться в безопасную зону.

При работе с источниками повышенной радиационной активности необходимо применение специализированных многослойных экранов, позволяющих существенно снизить интенсивность проникновения опасного излучения.

Отличной защитой от гамма-излучения являются материалы с большим атомным номером и высокой плотностью:

В зависимости от мощности гамма-лучей подбирается необходимый материал для повышенной защиты здоровья людей.

Альфа излучение

Некоторые радионуклиды с высокой атомной массой (Ra226, U238, Pu239) распадаются под действием излучения альфа-частиц. Эти альфа-частицы представляют собой тесно связанные единицы из двух нейтронов и двух протонов в каждой (ядро He4) и имеют положительный заряд. Эмиссия альфа-частицы из ядра приводит к уменьшению двух единиц атомного номера (Z) и четырех единиц массового числа (A). Альфа-частицы испускаются с дискретными энергиями, характерными для конкретного преобразования, из которого они происходят. Все альфа-частицы от конкретного преобразования радионуклидов будут иметь одинаковые энергии.

Защита от гамма-излучения: свинец

Для защиты от гамма-излучения применяют чаще всего свинцовый лист. Металл способен задерживать заряженные крупные и мелкие радиационные частицы, а также комбинированные излучения.

Используется свинцовые изделия в медицине, научных институтах, лабораториях для защиты от гамма-лучей, рентгеновского излучения от специализированных приборов в поликлиниках.

Помещения для диагностики организма при помощи рентген аппаратов обязательно должны быть экранированы свинцовыми пластинами во избежание избыточного облучения как медицинского персонала, так и пациентов.

Для защиты от гамма-излучения целесообразно использовать специализированную одежду со свинцовыми прокладками:

Свинцовое стекло используется при проведении опытов с радиоактивными веществами, оно необходимо для установки в специализированном оборудовании в качестве смотрового окна.

Свинец выступает тяжелым металлом, который не взаимодействует с бета- и гамма-лучами, радиоактивными изотопами, поэтому станет эффективным для них препятствием.

Как это работает?

Суть механизма разрушающего воздействия гамма-квантов:

• На своем пути кванты оставляют за собой ионы, которые, в свою очередь, становятся источником ионизации.
• Проходя через клетки живого организма, часть молекул разрушается и превращается в яд.
• Это излучение является сильнейшим мутагеном, который вызывает изменения на всех уровнях генетического материала.

Наиболее подвержены повреждениям те клетки организма, которые быстро делятся. Мутации передаются последующим поколениям клеток, усугубляя положение. Так, первыми страдают система образования клеток крови, лимфатические узлы, репродуктивные клетки, пищеварительные органы и волосяные сумки.

Способы защиты от гамма-излучения внутри зданий

Для защиты от внутреннего облучения проводятся мероприятия по уменьшению накопления опасной радиоактивной пыли — это специализированная облицовка стен, пола, потолка, проведение регулярной влажной уборки помещений, обустройство эффективной вытяжной вентиляции.

Дополнительно требуется тщательная личная гигиена персонала, применение индивидуальных средств защиты от альфа излучения (это комбинезоны, шапочки, очки, резиновые перчатки, сапоги, респираторы либо шланговые противогазы). При надевании и снятии СИЗ, чтобы не загрязнить одежду и кожные покровы, окружающие предметы необходимо четко следовать инструкции, проводить контроль мощности дозы рентгеновского и прочего излучения.

Биологическая противолучевая защита

Биологическая противолучевая защита — способ повышения радиорезистентности с помощью лекарственных средств, усиливающих общую сопротивляемость организма. В отличие от радиопротекторов (см.) они оказывают защитное действие в том случае, когда вводятся многократно за несколько дней или недель до облучения. Такие лекарственные средства или их комплексы оказывают защитное действие при кратковременном (однократном), пролонгированном (протяженном), фракционированном и хроническом облучении (см.). Они способствуют повышению эффективности схем комплексной терапии лучевой болезни, возникшей вследствие внешнего или внутреннего облучения. Эти препараты обладают большой широтой терапевтического действия, для них нет противопоказаний, и они могут быть использованы в любых условиях.

К числу наиболее эффективных относятся препараты из группы адаптогенов (жидкие экстракты и настойки элеутерококка колючего, женьшеня, лимонника китайского, лагохилуса), витамины, гормоны, коферменты, витаминно-аминокислотные комплексы, некоторые микроэлементы и антибиотики, особенно в сочетании с витаминно-аминокислотными комплексами, биостимуляторы.

Действие средств биологической П. з. является неспецифическим. Оно проявляется только на фоне воздействия экстремальных факторов, вызывающих напряжение жизненно важных физиологических систем организма. Механизм действия адаптогенов при лучевом поражении связывают с тем, что они тонизирующе действуют на ц. н. с. и стимулируют систему кроветворения. Повышение радиорезистентности с помощью витаминов, гормонов и коферментов осуществляется различными путями. Напр., многократное введение витамина Р с аскорбиновой к-той повышает устойчивость стенок кровеносных сосудов, уменьшает проявления геморрагического синдрома; глюкокортикоиды способствуют повышению выделения адренергических веществ надпочечниками, что приводит к повышению радиорезистентности организма.

Расчет защиты от гамма-излучения

Когда рентгеновские лучи проходят через вещество, они не полностью поглощаются материалом, а ослабляются, то есть уменьшается их интенсивность.

Величина ослабления может быть описана математическим соотношением: линейный коэффициент ослабления зависит от следующих данных:

• типа защитного материала;
• энергии падающего рентгеновского излучения.

Определить максимальную длину пробега гамма-излучения необходимо с учетом атомной массы, плотности поглощающего вещества.

Мощность дозы источников гамма-излучения может быть измерена соответствующими приборами или подсчитана математически.

После измерения мощности радиационных лучей получится правильно подобрать методы защиты от гамма-излучения, чтобы обезопасить пребывание людей вблизи с источником радиации.

Физическая защита (экранирование) [ править | править код ]

Толщина слоя заданного материала, уменьшающая уровень радиации в два раза, называется слоем половинного ослабления

. Соотношение уровня радиации до и после защиты называется коэффициентом защиты.

С увеличением толщины слоя противорадиационной защиты количество пропущенной радиации падает экспоненциально. Так, если слой половинного ослабления слежавшегося грунта составляет для гамма-излучения осколков деления 9,1 см, то насыпь толщиной 91 см (типичная насыпь над противорадиационным убежищем) уменьшит количество радиации в 2 10 , или 1024 раза.

Показатель поглощения (стоящий в экспоненте), зависит от энергии. Например, слой половинного ослабления для излучения цезия-137 в разы меньше, чем для излучения кобальта-60.

В таблице ниже указаны характеристики слоя половинного ослабления гамма-излучения осколков деления некоторых материалов (в единицах системы СГС) [1] :

Материал защиты	Слой половинного ослабления, см	Плотность, г/см³	Масса 1 см² слоя половинного ослабления, г
Свинец	1,8	11,3	20
Бетон	6,1	3,33	20
Сталь	2,5	7,86	20
Слежавшийся грунт	9,1	1,99	18
Вода	18	1,00	18
Древесина	29	0,56	16
Обеднённый уран	0,2	19,1	3,9
Воздух	15000	0,0012	18

Как уменьшить опасность избытка излучения в квартире

И всё-таки какое излучение является самым опасным для человека?

Бесспорно, что гамма-излучение весьма «недружественно» относится к человеческому организму. Но и более низкочастотные электромагнитные волны способны причинить вред здоровью. Аварийное или плановое отключение электроэнергии дезорганизует наш быт и привычную работу. Вся электронная «начинка» наших квартир становится бесполезной, а мы, лишившись интернета, сотовой связи, телевидения оказываемся отрезанными от мира.

Весь арсенал электробытовых приборов в той или иной мере является источником электромагнитных излучений, снижающий иммунитет и ухудшающий функционирование эндокринной системы.

Была установлена связь между удалённостью места проживания человека от линий высоковольтных передач и возникновением злокачественных опухолей. В том числе и детской лейкемии. Эти печальные факты можно продолжать до бесконечности. Важнее выработать определённые навыки в их эксплуатации:

• при работе большинства бытовых электроприборов старайтесь выдерживать расстояние от 1 до 1,5 метра;
• располагайте их в разных частях квартиры;
• помните, что электробритва, безобидный блендер, фен, электрическая зубная щётка — создают достаточно сильное электромагнитное поле, опасное своей близостью к голове.

Сила облучения

Что касается единицы амбиентного экивалента дозы, то это особая биологическая доза нейтронного излучения гамма частиц. Эквивалентной считается нормируемая величина ущерба, который наносит гамма-излучение. К огромному сожалению, ее невозможно измерить, поэтому в практике принято использовать особые величины дозиметрические, которые можно приблизит к нормируемым. Основная величина – амбиентный эквивалент дозы.

Эквивалент амбиентный – это эквивалент дозы, созданный в фантоме шаровом на определенной глубине от поверхности, учитывая отношение к диаметру, который направлен параллельно излучению. Эквивалент рассматривают в поле излучения, идентичное флюенсу, распределению энергетическому и составу. Подобный эквивалент способен выявить дозировку облучения, его мощность, которую может получить человек. Единица такого эквивалента – зиверт. Следует отметить, что единица измерения коллективной дозировки считается человеко-зиверт, если же единица внесистемная, то человеко-бэр.

Интенсивность, мощность подобного облучения показывает приращение дозы под влиянием излучения за конкретную единицу времени. Размерность дозировки принято делить на единицу времени. Можно использовать разные единицы – 3в/час, м3в/год и прочее. Простыми словами, мощность эквивалентной дозы можно характеризовать дозировкой, которая была получена благодаря единице времени.

Мощность измеряют разнообразными приборами, у которых имеются химические системы, камеры ионизационные, а также те камеры, которые содержат люминесцирующее вещество. Мощность измеряется на высоте одного метра от поверхности земли.

Источник