Защита от внешнего облучения

Защита от внешнего облучения осуществляется путем: а) сокращения времени пребывания в зоне облучения, б) уменьшения активности источника излучения, в) увели­чения расстояния от источника, г) применения поглощаю­щих экранов.

2.1. Защита без применения экрана. Как указывалось, чем меньше время облучения, тем меньше накопленная до­за излучения. Сокращение времени облучения предполага­ет рациональное планирование работы с радиоактивными веществами. Время пребывания в зоне облучения не долж­но превышать допустимого значения t₀, определяемого фор­мулами (2.10)— (2.12).

При работе с точечными γ-источниками без экранирова­ния экспозиционную дозу D_экс (Р) вычисляют по форму­лам (1.24а) или (1.246), из которых видно, что дозу мож­но уменьшить, не только сокращая время облучения, но и уменьшая активность источника (гамма-эквивалент) или увеличивая расстояние от него. Задаваясь допустимым уровнем D_экс,0 можно выбрать такие значения А, М, r или t, при которых будет обеспечена радиационная безо­пасность.

Полагая в (1.246) D_экс,0 = 0,1Р в неделю и выражая расстояние от источника не в сантиметрах, а в метрах, най­дем простое соотношение для определения допустимых ус­ловий работы с у-источником без защитного экрана:

Mt/R² = 120 (2.14)

где М — гамма-эквивалент источника, мг-экв Ra;

R — расстояние от источника, м;

t — время работы, часов в неделю.

Зная любые две из этих величин, по формуле (2.14) находят третью величину, которая в этом случае является допустимой и обозначается индексом «о».

Пример 2. Рассчитать допустимое время работы без защитного экрана, если гамма-эквивалент источника М = 100 мг-экв Ra, а расстояние от источника R = 2 м.

Из (2.14) t_o = l20 · R²/M = 120·4:100=4,8 ч в неделю (240 ч в год).

Увеличение расстояния от источника сущест­венно уменьшает дозу, так как плотность потока частиц и, следовательно, мощность дозы изменяются обратно пропор­ционально квадрату расстояния. Эта зависимость выпол­няется для точечных γ-источников в том случае, когда мож­но пренебречь поглощением и рассеянием излучения на пу­ти от источника к облучаемому объекту. На практике законом обратных квадратов широко пользуются при защи­те от γ-излучения источников.

Пусть r ₁и r ₂ — расстояния от точечного γ-источника до точки измерения; р ₁, р ₂и D ₁, D₂ — соответствующие значения мощности, экспозиционной дозы и экспозиционной дозы(время накопления доз D₁ и D ₂одинаковое). Тогда

(2.15)

Отсюда можно найти допустимое минимальное расстоя­ние r ₀, на котором можно работать без защитного экрана. Если время работы стандартное (36 ч в неделю), то поль­зуются соотношением

(2.16)

где p_{экс, о} — средняя допустимая мощность экспозиционной дозы, см. (2.9).

Если время облучения может отличаться от стандарт­ного, то удобнее пользоваться формулой

(2.17)

где D_экс — экспозиционная доза на расстоянии rза ре­альное время облучения t (ч внеделю);

D_экс,0 — допустимая недельная экспозиционная доза для персонала — см. (2.6).

Пример 3. Во сколько раз нужно увеличить расстоя­ние от γ-источника, если измеренная мощность экспозици­онной дозы на расстоянии r составляет P_{экс, 1} = 45 мР/ч и работа должна проводиться в течение t = 20 ч в неделю (в остальное время недели облучение отсутствует)?

Экспозиционная доза на данном расстоянии D_экс = 45·20 = 900 мР в неделю. По (2.17) r₀/r = 3, т. е. нужно увеличить расстояние в 3 раза.

Для выполнения на большом расстоянии необходимых операций с источниками применяют захваты, дистанцион­ные инструменты и манипуляторы.

На практике часто возникает потребность определить максимальную активность точечного источника β-излучения, с которым нужно работать без защитного экрана. Ес­ли пренебречь самопоглощением β-частиц в источнике (пре­парате) и их поглощением в воздухе и считать, что в каждом распаде ядра испускается 1 β-частица, то допустимую активность А₀ можно оценить по формуле (Бк)

(2.18)

где r — расстояние от источника, см;

ДПП_А,_β — допустимая плотность потока β-частиц, со­ответствующая времени работы t (ч в неделю) и выражен­ная в β-част./(см²·с).

2.2. Защита при помощи поглощающих экранов. По­глощение ионизирующих излучений в веществе широко ис­пользуется для защиты от внешнего облучения. Выбор ма­териала и толщина защитного экрана зависят от типа и энергии излучения, его проникающей способности.

Защита от α- и β-излучений. Проникающая способность α- и β-частиц характеризуется величиной их пробега в ве­ществе (табл. 2.4). Из табл. 2.4 видно, что пробег α-частиц очень мал, и защита от 'внешних потоков α-излучения не представляет проблемы. Слой в 10 см воздуха, тонкая фольга, лист пластиката или стекла, хирургические перчат­ки, одежда полностью экранируют α-частицы.

Экранирование β-излучения необходимо, особенно в тех случаях, когда плотность потока или мощность дозы β-час­тиц превышает допустимые значения. Бета-источник с ак­тивностью порядка милликюри нельзя брать руками. Даже на значительном расстоянии от источника жесткое β-излучение может вызвать лучевое поражение кожи. Например, неэкранированный β-источник ³²Р активностью 10 мКи на расстоянии 1 м создает мощность эквивалентной дозы в коже ~84 мбэр/ч, или 3 бэр за 36-часовую неделю (!).

Для защиты от β-излучения применяются широкие экраны из плексигласа, стекла, алюминия или латуни. Тол­щину защитного экрана из любого вещества d (см) легко определить по соотношению d = R_м/ρ,где ρ — плотность ма­териала, г/см³;. R_м— максимальный пробег β-частиц, вы­раженный в массовых единицах, г/см². Зависимость R_м от максимальной энергии β-спектра приведена в Практикуме, вып. II (1973 г.) [10].

Плексигласовый экран толщиной 8 — 10 мм полно­стью поглощает β-излучение большинства радионуклидов и позволяет наблюдать за источником (исследуемым объ­ектом). Преимущество легких материалов (пластиков) со­стоит в том, что тормозное рентгеновское излучение, возни­кающее в экране при поглощении β-частиц с Е_макс<3 МэВ, имеет ничтожную интенсивность и не требует дополнитель­ной защиты. При работе с источниками β-излучения при­меняются также средства индивидуальной защиты — очки и щитки из оргстекла для защиты глаз, перчатки, спец­одежда.

Таблица 1

Пробеги α-частиц R_α и максимальные пробеги β-частиц R_β в воздухе, мягкой биологической ткани и алюминии [14]

α-частицы, Rα	β-частицы Rβ
Eα­, МэВ	Воздух, см	Ткань, мкм	Алюминий, мкм	Емакс МэВ	Воздух, см	Ткань, мм	Алюминий, мм
4,0 4,5 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0	2,5 3,0 3,5 4,6 5,9 7,4 8,9 10,6			0,1 0,3 0,6 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0		0,14 0,84 2,27 4,38 7,12 9,84 15,30 20,60	0,07 0,40 1,07 2,06 3,30 4,52 7,74 9,84

Вопросы защиты от нейтронов при помощи замед­ляющих и поглощающих материалов здесь не излагаются, они подробно рассмотрены в [6].

Защита от γ-излучения. Работа с γ-источниками в боль­шинстве случаев требует применений защитных экранов. Специальные меры защиты можно не применять, если гам­ма-эквивалент источника не превышает 0,1 мг-экв Ra или если мощность эквивалентной дозы на расстоянии 0,1 м от поверхности закрытого источника не превышает 0,001 мЗв/ ч (0,1 мбэр/ч) [5].

Для защиты от γ-излучения применяются экраны из свинца, свинцового стекла, железа, бетона, воды и других материалов. Толщину защитного экрана рассчитывают на основании законов ослабления γ-излучения в веществе.

Ослабление интенсивности J узкого пучка моноэнергети­ческого γ-излученияпроисходит по экспоненциальному за­кону. Аналогичный закон имеет место и для мощности экс­позиционной дозы от узкого пучка γ-фотонов:

(2.19)

где p₁и р₂ — соответственно мощности экспозиционной до­ны на поверхности и на глубине х поглощающего слоя;

(х — линейный коэффициент ослабления γ-излучения данной энергии в данном веществе (см. табл. 1.3). На ос­новании этой зависимости можно определить толщину х слоя защиты из данного материала, снижающую мощность экспозиционной дозы р­_экс до допустимой величины р_{экс, 0},

(2.20)

где х — в см, μ — в см^-1, k — кратность ослабления (от­ношение действующей мощности дозы к допустимой).

Пример 4. Найти толщину защитного экрана из свин­ца, если мощность экспозиционной дозы от узкого пучка γ-излучения ⁶⁰Со (Е_γ =1,25 МэВ) составляет 700 мР/ч.

Необходимая кратность ослабления k = p_экс/p_экс,0 = 700: 2,8 = 250. Из табл. 1.3 находим для свинца μ = 0,67 ом-¹. Искомая толщина экрана х = 1п 250/0,67 = 5,52: 0,67 = 8,2 см свинца.

На практике часто приходится иметь дело с широкими (расходящимися) пучками γ-излучения. В этих случаях к γ-фотонам, прошедшим через экран (барьер) и не испы­тавшим в нем поглощения и рассеяния, добавляются рас­сеянные экраном γ-фотоны с измененным спектром энергии.

Для широкого пучка γ-излучения от точечного моно­энергетического изотропного источника зависимость между мощностью экспозиционной дозы за экраном р_экс (d) и тол­щиной защиты d определяется следующей формулой:

где р_экс (0) — мощность экспозиционной дозы в точке детектирования в отсутствие защиты (вычисляется по фор­мулам 1.18, 1.20),

μ — линейный коэффициент ослабления γ-излучения, см^-1;

В — дозовый фактор накопления, зависящий от энер­гии γ-излучения, материала и толщины защитного барьера.

Вычисление фактора накопления В представляет слож­ную задачу. Поэтому расчет защиты от γ-излучения точеч­ных источников выполняют при помощи универсальных таб­лиц, состав ленных Н. Г. Гусевым для различных веществ [6].

Табл. 2.5 является одной из таких таблиц; она позво­ляет определить толщину защиты d (мм) из свинца для широкого пучка γ-излучения Входными параметрами таб­лицы являются энергия γ-излучения Е γ (МэВ) и расчет­ная кратность ослабления k.

Толщина защиты d должна обеспечивать радиационную безопасность, т. е. условие р_экс (d) = р_экс,₀. Следовательно, необходимая кратность ослабления

Табл. 2.5 позволяет решить и обратную задачу — по заданной толщине защиты найти кратность ослабления и, следовательно, допустимое время работы, допустимую ак­тивность γ-источника и т. п. С небольшой погрешностью универсальные таблицы можно применять и для оценки защиты от протяженных γ-источников.

Таблица 2

Толщина защиты из свинца (в мм) в зависимости от кратности ослабления и энергии гамма-излучения (широкий пучок от точечного источника)

Кратность ослабления k	Энергия гамма-излучения Eγ, МэВ
0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,25	1,5	1,75	2,0	2,2	3,0
1,5 1·104 2·104 5·104 1·105	0,5 1,0 3,5 4,5 4,5 6,5 8,5 10,5 11,5 11,5	5,5 8,5 12,5 23,5	1,5 11,5 14,5 15,5 31,5	19,5 20,5 21,5 45,5 48,5		19,5 32,5 34,5 38,5 73,5	23,5 32,5 36,5 39,5 69,5	30,5 38,5 49,5	11,5 49,5		9,5 68,5 84,5 96,5	96,5	18,5 52,5

Примеры пользования таблицей 2:

Пример 5. Найти толщину d свинца, если требуется уменьшить мощность экспозиционной дозы широкого пуч­ка γ-излучения ⁶⁰Со в 250 раз (то же условие, что.и в пре­дыдущем примере). По табл. 2.5 для k = 250 и Е γ = 1,25 МэВ находим d ≈ 100 мм = 10 см свинца (здесь про­ведена интерполяция между значениями k, равными 200 и 500). Следовательно, необходимая толщина свинца для ос­лабления широкого пучка γ -излучения больше, чем в случае узкого пучка (8,2 см).

Пример 6. Найти толщину свинцовой защиты от γ -излучения ⁶⁰Co (Е γ = 1,25 МэВ), если гамма-эквивалент источника М = 200 мг-экв Ra, расстояние от источника r = 100 см, а время работы в течение недели t = 36 ч.

Из формулы (1.24) имеем D_экс = 8,4 Mt/r² = 8,4·200·36:10⁴ = 6, Р = 6000 мР. Необходимая кратность ослабления дозы k = 6000/100=60. По табл. 2,5 находим d = 75 мм Pb.

Пример 7. На данном расстоянии от γ -источника ⁶⁵Zn (принять Е γ ≈ 1 МэВ) прибор показал р_{экс, 1} = 700 мкР/с (1,8·10^-7 А/кг). Сколько времени (ч в неделю) можно ра­ботать на этом расстоянии, если применить свинцовый эк­ран толщиной 60 мм? Какая потребуется толщина защиты, если активность источника нужно увеличить в 10 раз, а время работы — до 36 ч в неделю?

Решение. Для энергии Е γ = 1 МэВ и d = 60 мм Рв из табл. 2.5 находим k_i = 50, т. е. экран снижает мощность экспозиционной дозы до величины p₂ = p₁/k₁ = 700:50 = 14 мкР/с = 50,4 мР/ч. В этих условиях можно работать t₀ = 100/р₂ = 2 ч в неделю (см. формулу 2.11). Новые условия требуют ослабить излучение еще в раз, т. е. k₂ = 50·10·18 = 9000, что соответствует увеличению защиты до ≈ 132 мм Рв.

2.3. В Санитарных правилах ООП-72/80 [б] указы­вается, что при проектировании • капитальной защиты от внешнего облучения необходимо вводить в расчет коэффи­циент запаса по мощности эквивалентной дозы, учитываю­щий возможные неточности и изменения в исходных дан­ных и равный 2. При этом допустимая проектная мощ­ность эквивалентной дозы на поверхности защиты для по­мещений постоянного пребывания персонала принимается равной

р_экв =ПДД/2t = 1,4 мбэр/ч = 0,014 мЗв/ч.

Нормативы для других помещений и для категории Б указаны в п. 1.10 Санитарных правил.

При решении задач на проектирование капитальной за­щиты от широкого лучика γ -излучения рекомендуется расчет­ную кратность ослабления умножить на 2, т. е. опериро­вать величиной k' = 2k.

УПРАЖНЕНИЕ

Задача 1. Стаж профессиональной работы сотрудника радиоизотопной лаборатории 16 лет. Какая наибольшая эквивалентная доза на организм может быть получена им за этот период?

Задача 2. Равновесная активность ¹³⁷Cs в организме q = 7,4·10⁵ Бк. Определить эквивалентную дозу внутренне­го облучения на все тело, если масса тела m = 7·10⁴ г, до­ля нуклида в критическом органе f = 1, эффективная энер­гия, поглощенная в организме на 1 акт распада, E_эфф = 0,59 МэВ/распад, t = 7 суток. Превышает ли доза допус­тимую недельную дозу для персонала?

Задача 3. В радиобиологических опытах с растениями аспирант подвергается внешнему облучению в течение 250 ч ежегодно. Какова допустимая мощность эквивалент­ной дозы на организм?

Задача 4. При помощи дозиметра установлено, что сотрудник лаборатории (категория А) за 2 ч получает эк­вивалентную дозу 25 мбэр. Сколько времени в течение не­дели и в течение года допускается работать в этих усло­виях?

Задача 5. Сколько часов в неделю можно работать с γ-источником ⁶⁰Со активностью 5 мКи (185 МБк) на рас­стоянии r = 150 см без защитного экрана?

Задача 6. При работе с ³²Р без экрана β-излучение по­падает на кожный покров изотропно (в угле 2π) с плотно­стью потока 180 част./(см²·с). Сколько часов еженедельно может работать персонал в этих условиях? Указание: при пользовании табл. 2.3 принять Е_макс = 1,5 МэВ и учесть ко­эффициент изотропности I.

Задача 7. На каком минимальном расстоянии r (см) можно находиться от незащищенного γ-источника ¹³⁷Cs ак­тивностью 4 мКи (148 МБк), чтобы мощность экспозици­онной дозы не превышала среднюю допустимую?

Задача 8. Дано: расстояние от точечного γ –источника R = 1 м, время работы с источником t = 36 ч в неделю. Най­ти наибольшее значение гамма-эквивалента М_о любого γ -источника, с которым можно работать без защиты.

Задача 9. Работа с γ -источником ведется регулярно по 12 ч в неделю. Рассчитать безопасное расстояние R_o (м) от источника, если его гамма-эквивалент М = 1г-экв Ra. Можно ли проводить работу без защитного экрана?

Задача 10. На расстоянии r = 10 см от точечного γ -ис точника за 20 мин создается экспозиционная доза 40 мР. На каком минимальном расстоянии r₀ можно работать про­фессионалу без защиты в течение 30 ч в неделю?

Задача 11. Оценить допустимую максимальную актив­ность точечного β-источника ³²Р, если с ним предлагается работать без экрана на расстоянии 100 см в течение 36 ч в неделю. Указания: поглощением β-излучения в воздухе пренебречь; при пользовании табл. 2.3 принять Е_макс = 1,5 МэВ и I =1,2.

Задача 12. Свинцовый коллиматор выделяет узкий параллельный пучок γ-фотонов ¹³⁷Cs (E γ= 0,66 МэВ). Мощность экспозиционной дозы от пучка фотонов р_экс = 1 Р/ч. Определить толщину свинцового экрана, обеспечи­вающего безопасность персонала при 36-часовой рабочей неделе. Указание: коэффициент μ для свинца взять из табл. 1.3.

Задача 13. Для перевозки автомашиной γ-источника ⁶⁰Со активностью 4 Ки (148 ГБк) требуется 4 суток езды. Экспедитор находится не ближе 1 м от источника и кругло­суточно подвергается облучению, а остальные трое суток в неделю отдыхает. Найти толщину стен свинцового кон­тейнера, обеспечивающую защиту экспедитора (категория А) от широкого пучка γ-излучения (Е γ = 1,25 МзВ). Указание: воспользоваться табл. 1.4и 2.5.

Задача 14. Точечный γ-источник ²⁰³Hg (Е γ ≈ 0,3 МэВ) хранится за свинцовой стенкой толщиной 11 мм. Расчет показывает, что рядом со стенкой можно находиться не бо­лее 25 мин в неделю. Сколько времени в неделю можно работать у защитной стенки, если ее толщину увеличить втрое? Указание: воспользоваться данными табл. 2.5.

Задача 15. Требуется спроектировать капитальную за­щиту от широкого лучка γ -излучения для следующих ори­ентировочных проектных данных: М = 10 г-экв Ra; Е γ = 2 МэВ; t = 36 ч в неделю; r = 200 см. Определить необхо­димую толщину свинцовой защиты, учитывая: а) возмож­ность облучения лиц, относящихся к категории Б; б) двух­кратный дополнительный запас на неопределенность исход­ных данных (k' = 2k).