Защитные свойства материалов от нейтронного излучения. Излучение нейтронное Нейтральное излучение

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы - ионы. Различают несколько видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, а также нейтронное излучение.

Альфа-излучение

В формировании положительно заряженных альфа-частиц принимают участие 2 протона и 2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия. Альфа-частицы образуются при распаде ядра атома и могут иметь начальную кинетическую энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными особенностями альфа-излучения являются высокая ионизирующая и малая проникающая способности. При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей. В целом, внешнее облучение альфа-частицами, если не брать в расчет высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья., поскольку альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией. В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

Бета-излучение

Заряженные бета-частицы, скорость которых близка к скорости света, образуются в результате бета-распада. Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи - они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки. В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

Фотонное излучение: гамма-излучение и рентгеновское излучение

Фотонное излучение включает в себя два вида излучений: рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и гамма-излучение.

Наиболее распространенным видом фотонного излучения являются обладающие очень высокой энергией при ультракороткой длине волны гамма-частицы, которые представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих зарядом фотонов. В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и обладают значительно большей проникающей способностью. В определенных количествах и при определенной продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать лучевую болезнь, привести к возникновению различных онкологических заболеваний. Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут только такие тяжелые химические элементы, как, например, свинец, обедненный уран и вольфрам.

Нейтронное излучение

Источником возникновения нейтронного излучения могут быть ядерные взрывы, ядерные реакторы, лабораторные и промышленные установки. Сами нейтроны представляют собой электрически нейтральные, нестабильные (период полураспада свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы, которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд, отличаются большой проникающей способностью при слабой степени взаимодействия с веществом. Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты от него используют ряд специальных, в основном водородосодержащих, материалов. Лучше всего нейтронное излучение поглощается обычной водой, полиэтиленом, парафином, а также растворами гидроксидов тяжелых металлов.

Как ионизирующие излучения воздействуют на вещества?

Все виды ионизирующих излучений в той или иной степени оказывают воздействие на различные вещества, но сильнее всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов. Так, при длительном воздействии они могут существенно изменить свойства различных материалов, изменить химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и оказывать разрушительный эффект на биологические ткани. Естественный радиационный фон не принесет человеку особого вреда, однако при обращении с искусственными источниками ионизирующих излучений стоит быть очень осторожными и предпринимать все необходимые меры, чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения на организм.

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 снижает плотность потока тепловых нейтронов в 109 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 по сравнению с чистым кадмием.

Бетон является основным материалом для защиты от излучений, если масса и размер защиты не ограничиваются другими условиями. Бетон, применяющийся для защиты от излучений, состоит из заполнителей, связанных между собой цементом. В состав цемента в основном входят окислы кальция, кремния, алюминия, железа и легкие ядра, которые интенсивно поглощают γ-излучение и замедляют быстрые нейтроны в результате упругого и неупругого столкновений. Ослабление плотности потока нейтронов в бетоне зависит от содержания воды в материале защиты, которое определяется в основном типом используемого бетона. Поглощение нейтронов бетонной защитой может быть значительно увеличено введением соединения бора в состав материала защиты. Конструкция бетонной защиты может быть монолитной (для больших реакторов) или состоять из отдельных блоков (небольших реакторов).

Дозиметрия нейтронного излучения

Процессы взаимодействия нейтронов с веществом определяются энергией нейтронов и атомным составом поглощающей среды. Для регистрации нейтронов используют различные виды вторичных излучений, возникающих в результате ядерных реакций или рассеяния нейтронов на ядрах с передачей им энергии. Тепловые и надтепловые нейтроны регистрируют с использованием реакций 10В(n, α)7Li, 6Li(n, α)3Н, 3Не(n, р)3Н, а также деления тяжелых ядер 235U и 239Pu.

Пропорциональные счетчики. Если реакция с бором происходит внутри пропорционального счетчика, то результирующие ядра 4He и 7Li, разлетающиеся с энергией соответственно 1,6 и 0,9 МэВ, могут быть легко зарегистрированы. Обычно нейтронные пропорциональные счетчики имеют достаточно толстые стенки, счетчики могут заполняться газом BF3, в котором 10B входит в молекулу. Тонкий слой твердого вещества B4C может наноситься на внутреннюю поверхность стенки счетчика(в этом случае в ионизации участвует только одна из частиц, так как другая поглощается стенкой). Поэтому камеры с газовым заполнением BF3 более эффективны, чем камеры с твердым слоем B4C.Отметим, что вероятность захвата быстрых нейтронов ядром 10B очень мала. Только тепловые нейтроны захватываются с высокой вероятностью. С другой стороны быстрые нейтроны становятся тепловыми при замедлении. Детектор тепловых нейтронов можно превратить в детектор быстрых, окружив его слоем замедлителя нейтронов, веществом с большим содержанием водорода (например, парафин). Такие"всеволновые" детекторы выполняются из 2- 3 водородсодержащих коаксиальных цилиндрических слоев с внутренним расположением борного счетчика или из нескольких полиэтиленовых шаров различных диаметров - замедлителей, надеваемых на детектор так, чтобы он находился в центре шара.

Рис5 Всеволновой счетчик

Конструкция всеволнового счетчика, который может регистрировать нейтроны в диапазоне от 0,1 до 5 МэВ с постоянной эффективностью, показана на рис5. Счетчик состоит из двух цилиндрических парафиновых блоков (1), вставленных один в другой (диаметр 380 и 200 мм, длина 500 и 350 мм соответственно), между которыми находится экран (2), состоящий из слоя B2O3. Экран и внешний цилиндрический парафиновый блок предназначены для уменьшения чувствительности всеволнового счетчика к рассеянным нейтронам, поступающим не с правого торца счетчика. Внутри парафиновых блоков устанавливают пропорциональный борный счетчик (4), который с правого торца закрывается кадмиевым колпачком (5) для экранировки от прямого пучка тепловых нейтронов. Для увеличения эффективности регистрации медленных нейтронов в торцевой части парафина по окружности высверлено несколько отверстий (3). Быстрые нейтроны проникают в парафин, где они замедляются и регистрируются счетчиком. При плотности потока нейтронов1 нейгр /(см2·с) скорость счета всеволнового счетчика достигает 200отсч /мин Эффективность борного счетчика h, зависящую от длины рабочего объема l, энергиинейтронов En и давления газа p, можно определить по формуле:

η = 1 - ехр(-0,07 р l/En1/2) (4)

При p = 0,1 МПа, l = 20см, En = 0,0253 эВ, η = 0,9

Камеры деления. Для регистрации нейтронов любых энергий можно использовать деление тяжелых ядер в камерах деления, например 235U и 239Pu. Сечения деления для них изменяются незначительно в большом диапазоне энергий нейтронов и имеют наибольшие значения по сравнению с сечениями деления для других радионуклидов. Во избежание самопоглощения продуктов деления, делящееся вещество наносится тонким слоем (0,02 - 2 мг/см2) на электроды ионизационной камеры, заполненной аргоном(0,5 - 1,0 МПа).

Рис. 6. Камера деления с высокой эффективностью.

По сравнению с борными счетчиками камеры деления более долговечны и могут работать при высокой температуре. Эффективность камер деления с 235U равна 0,6%, те значительно ниже, чем для борных счетчиков. Для увеличения чувствительности камер деления к нейтронному излучению необходимо увеличить поверхность электродов камеры. Камера деления с высокой эффективностью имеющая четыре концентрических алюминиевых электрода показана на рис6.

Нейтронное излучение возникает при ядерных реакциях (в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах). Свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица с временем жизни около 15 минут (880.1 ± 1.1 секунд ).

При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов .

При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов очень велика по причине отсутствия заряда и, как следствие, слабого взаимодействия с веществом. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которыми они взаимодействуют. Слой половинного ослабления лёгких материалов для нейтронного излучения в несколько раз меньше, чем для тяжёлых. Тяжёлые материалы, например металлы, хуже ослабляют нейтронное излучение, чем гамма-излучение. 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.

Защита

Быстрые нейтроны плохо поглощаются любыми ядрами, поэтому для защиты от нейтронного излучения применяют комбинацию замедлитель-поглотитель. Наилучшие замедлители - водородсодержащие материалы. Обычно применяют воду, парафин , полиэтилен . Также в качестве замедлителей применяют бериллий и графит . Замедленные нейтроны хорошо поглощается ядрами бора , кадмия .

Поскольку поглощение нейтронного излучения сопровождается гамма-излучением, 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 тяжёлых металлов, например железа Fe(OH) 3 .

Радиоактивное излучение, взаимодействуя с облучаемой средой, образует ионы разных знаков. Этот процесс называется ионизацией и обусловлен действием на облучаемую среду ядер атомов гелия (α-частицы), электронов и позитронов (β-частицы), а также незаряженных частиц (корпускулярное и нейтронное излучение), электромагнитного (γ-излучение), фотонного (характеристическое, тормозное и рентгеновское) и другого излучений. Ни один из этих видов радиоактивного излучения не воспринимается органами чувств человека.

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 лёгких элементов, особенно водорода, а также на материалах, содержащих такие ядра - воде, парафине, полиэтилене 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. Следует отметить, что нейтронное излучение радиоизотопных источников часто сопровождается γ-излучением, поэтому необходимо проверять, обеспечивает ли защита от нейтронов также защиту от γ-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 создаётся наведенная радиоактивность , которая была обнаружена в костях и других тканях многих людей, умерших в Японии от лучевой болезни.

Нейтронная бомба

Нейтронная бомба отличается от «классических» видов ядерного оружия - атомной и водородной бомб - прежде всего мощностью. Она имеет мощность около 1 кт ТНТ, что в 20 раз меньше мощности бомбы, сброшенной на Хиросиму, и примерно в 1000 раз меньше больших (мегатонных) водородных бомб. Ударная волна и тепловое излучение, возникающие при взрыве нейтронной бомбы, в 10 раз слабее, чем при воздушном взрыве атомной бомбы типа «Хиросима». Так, взрыв нейтронной бомбы на высоте 100 м над землёй, вызовет разрушения только в радиусе 200-300 м. Губительное для всего живого действие оказывает излучение быстрых нейтронов, плотность потока которых при взрыве нейтронной бомбы в 14 раз выше, чем при взрыве «классических» ядерных бомб. Нейтроны убивают всё живое в радиусе 2,5 км. Поскольку нейтронное излучение создаёт короткоживущие радиоизотопы , к эпицентру взрыва нейтронной бомбы можно «безопасно» приблизиться - по утверждению её создателей - уже через 12 ч. Для сравнения укажем, что водородная бомба надолго заражает радиоактивными веществами территорию радиусом около 7 км.

Напишите отзыв о статье "Нейтронное излучение"

Примечания

Литература

Амиров Я. С. Безопасность жизнедеятельности. Кн2. Ч2, 1998, 270 с.
Атаманюк В. Г. Гражданская оборона, 1987, 288 с.
Белов С. В. Безопасность жизнедеятельности 2000, 2000, 345 с.
Кушелев В. П. Охрана труда в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности (нет 87-88, 157-158 стр.), 1983, 472 с.
Панов Г. Е. Охрана труда при разработке нефтяных и газовых месторождений, 1982, 248 с.
Еремин В. Г. Методы и средства обеспечения безопасности труда в машиностроении, 2000, 328 с.
Карпов Б. Д. Справочник по гигиене труда, 1976, 536 с.
Кокорев Н. П. Гигиена труда на производстве Изд.2, 1973, 160 с.
Патолин О. Ф. Радиационная безопасность при промышленной дефектоскопии, 1977, 136 с.
Тёльдеши Ю.N. Радиация - угроза и надежда, 1979, 416 с.
Белов С. В. Средства защиты в машиностроении Расчет и проектирование Справочник, 1989, 366 с.
Шрага М. Х. Основы токсикологи (для инженерных специальностей), 2003, 211 с.
Гринин А. С. Безопасность жизнедеятельности, 2002, 288 с.
Ушаков К. З. Безопасность жизнедеятельности - Учебник для вузов, 2000, 427 с.
Починок А. П. Энциклопедия по безопасности и гигиене труда Т2, 2001, 926 с.
Кушелев В. П. Охрана труда в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, 1983, 472 с.
Макаров Г. В. Охрана труда в химической промышленности, 568 с.

Отрывок, характеризующий Нейтронное излучение

– Вы очень пылки, Бельяр, – сказал Наполеон, опять подходя к подъехавшему генералу. – Легко ошибиться в пылу огня. Поезжайте и посмотрите, и тогда приезжайте ко мне.
Не успел еще Бельяр скрыться из вида, как с другой стороны прискакал новый посланный с поля сражения.
– Eh bien, qu"est ce qu"il y a? [Ну, что еще?] – сказал Наполеон тоном человека, раздраженного беспрестанными помехами.
– Sire, le prince… [Государь, герцог…] – начал адъютант.
– Просит подкрепления? – с гневным жестом проговорил Наполеон. Адъютант утвердительно наклонил голову и стал докладывать; но император отвернулся от него, сделав два шага, остановился, вернулся назад и подозвал Бертье. – Надо дать резервы, – сказал он, слегка разводя руками. – Кого послать туда, как вы думаете? – обратился он к Бертье, к этому oison que j"ai fait aigle [гусенку, которого я сделал орлом], как он впоследствии называл его.
– Государь, послать дивизию Клапареда? – сказал Бертье, помнивший наизусть все дивизии, полки и батальоны.
Наполеон утвердительно кивнул головой.
Адъютант поскакал к дивизии Клапареда. И чрез несколько минут молодая гвардия, стоявшая позади кургана, тронулась с своего места. Наполеон молча смотрел по этому направлению.
– Нет, – обратился он вдруг к Бертье, – я не могу послать Клапареда. Пошлите дивизию Фриана, – сказал он.
Хотя не было никакого преимущества в том, чтобы вместо Клапареда посылать дивизию Фриана, и даже было очевидное неудобство и замедление в том, чтобы остановить теперь Клапареда и посылать Фриана, но приказание было с точностью исполнено. Наполеон не видел того, что он в отношении своих войск играл роль доктора, который мешает своими лекарствами, – роль, которую он так верно понимал и осуждал.
Дивизия Фриана, так же как и другие, скрылась в дыму поля сражения. С разных сторон продолжали прискакивать адъютанты, и все, как бы сговорившись, говорили одно и то же. Все просили подкреплений, все говорили, что русские держатся на своих местах и производят un feu d"enfer [адский огонь], от которого тает французское войско.
Наполеон сидел в задумчивости на складном стуле.
Проголодавшийся с утра m r de Beausset, любивший путешествовать, подошел к императору и осмелился почтительно предложить его величеству позавтракать.
– Я надеюсь, что теперь уже я могу поздравить ваше величество с победой, – сказал он.
Наполеон молча отрицательно покачал головой. Полагая, что отрицание относится к победе, а не к завтраку, m r de Beausset позволил себе игриво почтительно заметить, что нет в мире причин, которые могли бы помешать завтракать, когда можно это сделать.
– Allez vous… [Убирайтесь к…] – вдруг мрачно сказал Наполеон и отвернулся. Блаженная улыбка сожаления, раскаяния и восторга просияла на лице господина Боссе, и он плывущим шагом отошел к другим генералам.
Наполеон испытывал тяжелое чувство, подобное тому, которое испытывает всегда счастливый игрок, безумно кидавший свои деньги, всегда выигрывавший и вдруг, именно тогда, когда он рассчитал все случайности игры, чувствующий, что чем более обдуман его ход, тем вернее он проигрывает.
Войска были те же, генералы те же, те же были приготовления, та же диспозиция, та же proclamation courte et energique [прокламация короткая и энергическая], он сам был тот же, он это знал, он знал, что он был даже гораздо опытнее и искуснее теперь, чем он был прежде, даже враг был тот же, как под Аустерлицем и Фридландом; но страшный размах руки падал волшебно бессильно.
Все те прежние приемы, бывало, неизменно увенчиваемые успехом: и сосредоточение батарей на один пункт, и атака резервов для прорвания линии, и атака кавалерии des hommes de fer [железных людей], – все эти приемы уже были употреблены, и не только не было победы, но со всех сторон приходили одни и те же известия об убитых и раненых генералах, о необходимости подкреплений, о невозможности сбить русских и о расстройстве войск.
Прежде после двух трех распоряжений, двух трех фраз скакали с поздравлениями и веселыми лицами маршалы и адъютанты, объявляя трофеями корпуса пленных, des faisceaux de drapeaux et d"aigles ennemis, [пуки неприятельских орлов и знамен,] и пушки, и обозы, и Мюрат просил только позволения пускать кавалерию для забрания обозов. Так было под Лоди, Маренго, Арколем, Иеной, Аустерлицем, Ваграмом и так далее, и так далее. Теперь же что то странное происходило с его войсками.
Несмотря на известие о взятии флешей, Наполеон видел, что это было не то, совсем не то, что было во всех его прежних сражениях. Он видел, что то же чувство, которое испытывал он, испытывали и все его окружающие люди, опытные в деле сражений. Все лица были печальны, все глаза избегали друг друга. Только один Боссе не мог понимать значения того, что совершалось. Наполеон же после своего долгого опыта войны знал хорошо, что значило в продолжение восьми часов, после всех употрсбленных усилий, невыигранное атакующим сражение. Он знал, что это было почти проигранное сражение и что малейшая случайность могла теперь – на той натянутой точке колебания, на которой стояло сражение, – погубить его и его войска.
Когда он перебирал в воображении всю эту странную русскую кампанию, в которой не было выиграно ни одного сраженья, в которой в два месяца не взято ни знамен, ни пушек, ни корпусов войск, когда глядел на скрытно печальные лица окружающих и слушал донесения о том, что русские всё стоят, – страшное чувство, подобное чувству, испытываемому в сновидениях, охватывало его, и ему приходили в голову все несчастные случайности, могущие погубить его. Русские могли напасть на его левое крыло, могли разорвать его середину, шальное ядро могло убить его самого. Все это было возможно. В прежних сражениях своих он обдумывал только случайности успеха, теперь же бесчисленное количество несчастных случайностей представлялось ему, и он ожидал их всех. Да, это было как во сне, когда человеку представляется наступающий на него злодей, и человек во сне размахнулся и ударил своего злодея с тем страшным усилием, которое, он знает, должно уничтожить его, и чувствует, что рука его, бессильная и мягкая, падает, как тряпка, и ужас неотразимой погибели обхватывает беспомощного человека.

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.

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.