Файл: Федюшин Б.К. Ядерные излучения тел различной формы. Основы теории.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 27.06.2024

Просмотров: 107

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ния приводит к отражению частиц от экрана без изменения их энергии. Поэтому ослабление широкого параллельного пучка моноэнергетических частиц в рассматриваемом случае обусловлено поглощением и отражением частиц от экрана, так что (1.41) необходимо переделать с учетом влияния отраже­ ния частиц. Строгая теория вопроса показывает*, что обе указанные причины ослабления действуют только при наличии

когерентного изотропного рассеяния

и

поглощения.

 

Если широкий параллельный

пучок

частиц

падает слева

(рис. 2) на плоский экран, то во

всех

точках внутри

сущест­

вует движение частиц не только

слева

направо,

но и

справа

налево. Очевидно, движение частиц.слева направо происходит

потому,

что рассматриваемый

пучок

падает

на

экран

слева,

и потому, что имеет место

прямое рассеяние частиц, а дви­

жение

частиц

справа

налево

 

происходит

только

потому,

что

существует обратное рассеяние частиц. Таким образом,

на глу­

бине X

плотность потока

частиц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J=J+i

—

—•

 

 

 

 

 

 

(1.42)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

/ +

— величина

плотности

потока

 

частиц

на

глубине

х

в направлении слева направо (по оси

ОХ);

 

/ _ — величина

плотности

потока частиц

на

глубине х

в

направлении

справа

налево (против оси ОХ). Для

/ +

и У_ справедливы

граничные

условия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J+\x=Q — Л>+=

>А>>

J+\x=li =

Jh,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J- (д-=о = Ja -,

 

 

J~ \x=h = 0,

 

 

 

 

 

где

 

Л — величина

начальной

плотности

потока

падающих

частиц;

Jh — величина

плотности

потока

частиц

на

выходе

из экрана. Если ввести коэффициент

отражения частиц от пло­

ского

экрана,

или его

альбедо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 =

4 ^ = ^ F " .

 

 

 

 

 

 

(1-44)

 

 

 

 

 

 

 

 

Л>+

 

 

•'о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то

J0

— J0 _ =

(l — ß) JQ

представляет

собой

число

падающих

на

1 см2

левой стороны

экрана

за

I сек

частиц, которые, войдя

в экран,

или

пройдут

через

 

него без рассеяния, или погло­

тятся

в

нем,

или вылетят с

правой

стороны экрана, претерпев

в нем однократное прямое или многократное рассеяние. Заме­

тим,

что альбедо

плоского экрана зависит как от рода и энер­

гии

падающих частиц, так и от вещества и толщины

экрана.

Поэтому

закон

ослабления широкого параллельного

пучка

*

Глава

пятая, §

45.

 

21

моноэнергетических частиц в плоском однородном экране вследствие когерентного рассеяния и поглощения будет

 

 

 

Л = Л ( і - Ѳ ) < г 3 Л

 

 

 

 

 

 

 

/ A =

/ 0 ( l - P ) e _ ï « A ,

 

 

 

(1.45)

где І0

и Ih

— интенсивности

рассматриваемого

пучка

на

входе

и .на

выходе из

экрана;

ß — альбедо

плоского однородного

экрана

толщины

h. При Еа = 0 все

неотраженные

частицы

проходят

через

экран,

как и

должно

быть.

Формулы

(1.45)

при [3 = 0

переходят в

(1.41)

при x =

h.

 

 

 

Проанализируем теперь последний случай, когда есть рас­ сеяние, изменяющее энергию частиц, и поглощение. Этот случай встречается на практике наиболее часто и поэтому является самым важным. При наличии рассеяния (§ 2), изме­ няющего энергию частиц, широкий параллельный пучок моно­

энергетических

частиц превращается внутри экрана в широкий

непараллельный

пучок

полиэнергетических

частиц,

так

что

из экрана будут

выходить частицы

различных энергий, а отра­

женные частицы

тоже

будут иметь

различные

энергии.

Если

Е0 — энергия

падающих

на экран

частиц, то

энергия

рассеян­

ных частиц

Е < Е0, так как при

некогерентном

упругом

или

неупругом рассеянии энергия частиц уменьшается.

Уменьше­

ние энергии частиц вследствие рассеяния ведет к увеличению

поглощения

частиц,

так как поперечное

сечение

поглощения

практически

всегда

возрастает

с уменьшением энергии

частиц.

На

входе

в

экран

I0 = J0E0,

а внутри

экрана

и на

выходе

из

него /

и J не связаны соотношением

/ =^-JE0

из-за

поли-

энергетичности частиц. Таким образом, в рассматриваемом случае энергия частиц внутри экрана уменьшается вследствие рассеяния, что приводит к изменению поперечных сечений рассеяния и поглощения с глубиной и, следовательно, к непри­ менимости элементарной теории ослабления. Отсюда и про­ истекает основная трудность проблемы расчета защитных экранов от ядерных излучений.

Если все-таки применить элементарную теорию ослабления к широкому параллельному пучку моноэнергетических частиц при наличии рассеяния, изменяющего энергию частиц, и погло­ щения, то законы (1.22) и (1.23) будут учитывать только про­

хождение падающих

частиц,

но не будут учитывать прохож­

дения рассеянных

частиц.

Поэтому Jh

и / й , вычисленные

с помощью (1.22)

и

(1.23), будут меньше истинных, что делает

недопустимым на

практике

применение

элементарной теории

ослабления. Однако

прежде,

чем рассматривать общую теорию

ослабления широкого параллельного пучка моноэнергетиче­

ских

частиц в плоском

однородном

экране, остановимся

кратко

на вопросе о дозе

для ядерных

излучений.

• N

22

§ 8. Доза для ядерных излучений [1, 3, 5—12]

Все ядерные излучения оказывают вредное биологическое действие на живые организмы, именно поэтому и необходима биологическая защита. Для характеристики вредного биоло­ гического воздействия ядерных излучений на отдельные живые ткани и на живые организмы в целом вводится особая физи­ ческая (точнее, биофизическая) величина, называемая биоло­ гической дозой, или дозой Д. Всякое ядерное излучение в некоторой степени поглощается в веществе. Поэтому погло­ щенная в веществе, в частности в живой ткани, энергия ядерного излучения определяет его воздействие на вещество. Отсюда и возникает понятие так называемой поглощенной

дозы Да.

Поглощенной дозой ядерного излучения называется ска­ лярная физическая величина, характеризующая воздействие ядерного излучения на вещество и пропорциональная энергии

ядерного

излучения,

поглощенной

в единице массы

вещества

за

время

облучения. Если Еа

— энергия ядерного

излучения,

поглощенная в объеме V вещества за время t,

и

р — плот­

ность вещества, то

 

 

 

 

 

 

 

 

a рѵ '

 

 

(1.46)

 

 

 

 

 

 

где

М = рѴ— масса

вещества;

Ка

— коэффициент

пропорцио­

нальности, зависящей от выбора единиц. Мощность и средняя мощность поглощенной дозы

За единицу

поглощенной дозы принимается 1 рад.

Назва­

ние „рад"

происходит

от

начальных

букв

английской

фразы

„radiation

absorbed

dose" — поглощенная

доза

излучения.

1 рад соответствует

поглощению в 1 г любого вещества 100 эрг

энергии

любого

ядерного

излучения. В (1.46) Л"а = 0,01 ^ ^ г , •

если Еа

в эрг, M в г и Да

в рад. Если

считать

справедливой

элементарную

теорию

ослабления,

то

на

основании

(1.40)

и (1.23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е,

(1.48)

 

 

о

так что

 

 

(1.49)

 

о

23

и

Pa = K a ^ I ,

(1.50)

где /—интенсивность параллельного пучка моноэнергетиче­ ского ядерного излучения на глубине х в плоском однород­ ном слое вещества; Еа — макроскопическое сечение поглощения ядерного излучения в веществе. Формула (1.50) имеет боль­ шое практическое значение, так как связывает мощность поглощенной дозы с интенсивностью для любого ядерного излучения.

Однако понятия поглощенной дозы недостаточно для харак­ теристики вредного действия ядерных излучений на живые ткани. Если живая ткань облучается, например, гамма-излу­ чением низких энергий, то его вредное действие обусловлено только ионизацией атомов живой ткани вследствие фотоэф­ фекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитрон-

ных пар. Если же живая

ткань

облучается,

например,

ней­

тронным излучением низких

энергий, то его вредное действие

обусловлено

возникновением

положительных

ионов отдачи

при упругом

или неупругом

рассеянии на ядрах, а также

воз­

никновением

наведенной

радиоактивности при поглощении.

Таким образом, при одной

и той же поглощенной

дозе

вред­

ное действие

ядерных излучений

на живую

ткань

различно.

Биологической дозой, или дозой ядерного излучения, назы­ вается скалярная физическая величина, характеризующая степень разрушения живой ткани под воздействием ядерного излучения и пропорциональная поглощенной дозе, т. е.

 

 

 

Д=\К0ЪЭІДа,

 

 

 

(1-51)

где

коэффициент

пропорциональности

зависит

как от

рода

ядерного излучения, так и от его энергии. Этот

коэффициент

называется

коэффициентом

относительной

 

биологической

эффективности. Для гамма-излучения низких

энергий,

вызы­

вающего только ионизацию атомов живой ткани, принимается,

что

/ < О Б Э = 1 .

Поэтому АТОБЭ

показывает,

во сколько раз сте­

пень

разрушения

живой ткани под действием

рассматриваемого

ядерного излучения больше степени разрушения

живой

ткани

под

действием гамма-излучения низких

энергий при

одной

и той же поглощенной дозе.

 

 

 

 

 

За единицу биологической дозы принимается 1 бэр — био­ логический эквивалент рада. 1 бэр соответствует поглощенной дозе любого ядерного излучения, вызывающей ту же степень разрушения живой ткани, что и 1 рад гамма-излучения низких энергий. Подчеркнем, что на практике чаще всего нужна именно биологическая, а не поглощенная доза.

Формулы (1.49) и (1 .50) справедливы в рамках элементар­ ной теории ослабления и носят общий характер в том смысле,

24

что в

них может быть

подставлена любая

из

интенсивностей,

характеризующих

узкий

или

широкий

параллельный

пучок

моноэнергетического

ядерного

излучения,

распространяю­

щийся

в плоском

однородном

экране.

Дозовые

детекторы

в зависимости от своего

устройства и расположения

по

отно­

шению к экрану измеряют дозы, пропорциональные различным

интенсивностям. Так, например,

если

дозовый детектор нахо­

дится перед экраном, то

в зависимости

от своего

устройства

и расположения

по отношению

к экрану

он может

измерить

дозы Д0+=Д0,

Д0-

и (Д0++До-),

соответственно пропорцио­

нальные

интенсивностям

І0+

— І0, І0

и

( 7 0 + + / 0 _ ) .

Если

же

дозовый

детектор

находится

за

экраном, то он может изме­

рить только дозу Д,„ пропорциональную интенсивности

Ih.

Поэтому

в рамках

элементарной

теории

ослабления

на осно­

вании (1.51), (1.49) и (1.24) можно написать для плоского

однородного экрана

толщины

h,

что

 

 

 

 

 

* О Б Э * 0 2AM І *> <"

 

 

 

 

 

 

Дп =

ѴPmт

О

е-* " =Д0е~х

л .

(1.52)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

E a m

— макроскопическое

сечение

поглощения

ядерного

излучения в живой

ткани;

р„,= 1 г/см3

— ее

плотность, прини­

маемая

равной плотности

воды;

Е — полное

макроскопическое

сечение

ядерного

излучения

в

веществе

экрана.

Выраже­

ние

(1.52) можно назвать

элементарным законом

ослабления

дозы

ядерного излучения

в плоском однородном экране.

Понятие биологической дозы для ядерных излучений исто­ рически сложилось так. Сначала понятие „дозы" было создано для рентгеновского и гамма-излучения низких энергий, кото­ рые вызывают только ионизацию вещества, в частности, иони­ зацию воздуха. Дозой гамма-излучения называется скалярная физическая величина, характеризующая степень или уровень ионизации воздуха под действием гамма-излучения. Эта доза пропорциональна энергии гамма-излучения, поглощенной в еди­ нице объема воздуха за время облучения. Для рентгеновского излучения доза определяется аналогично. Если Еат — энергия гамма-излучения, поглощенная в объеме V воздуха за вре­ мя t, 10

Д 7 = К , - % Ц

(1.53)

где /Cf — коэффициент пропорциональности, зависящий от вы­ бора единиц. Мощность и средняя - мощность дозы гаммаизлучения

Смотрите также файлы