Глава 10. Защита от гамма-излучения

10.1. Геометрия широкого пучка. Фактор накопления
γ-излучения

Предположим, что у нас есть изотропный источник S моноэнергетических γ-квантов и детектор D, регистрирующий попадающие в него γ-кванты.

Под геометрией узкого пучка подразумевается такая геометрия измерений, при которой регистрируется только нерассеянное излучение. Геометрию узкого пучка можно достичь с использованием поглотителя А, выполненного в виде тонкого цилиндра (рис. 10.1). Те γ-кванты, которые попадают в цилиндр и проходят его без взаимодействий, будут регистрироваться детектором. Если γ-квант при прохождении цилиндра испытает взаимодействие, то это будет либо поглощение (за счет фотоэффекта или эффекта образования пар), либо рассеяние.

Рис. 10.1. Распространение g-квантов в условиях «хорошей» геометрии: S – источник; D – детектор; A – поглотитель

Если взять   диаметр поглотителя очень малым, то рассеянные γ-кванты с большой вероятностью будут выходить за пределы цилиндра и никогда не попадут в детектор. Таким образом, в этом случае детектором будут регистрировать только нерассеянные g-кванты, т.е. не претерпевшие взаимодействий при прохождении цилиндра. Рассмотренная геометрия эксперимента называется «хорошей» геометрией.

Закон ослабления в геометрии узкого пучка g-квантов с энергией e при прохождении защиты толщиной d (в направлении от источника к детектору) можно записать в виде

,

(10.1)

где  и – мощности дозиметрической величины в точке детектирования за защитой и в отсутствие защиты соответ-ственно; m(Z, e) – линейный коэффициент ослабления g-квантов с энергией ε в веществе с атомным номером Z.

Под геометрией широкого пучка («плохая» геометрия) подразумевается такая геометрия измерений, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучение (рис. 10.2).

 

S

D

Рис. 10.2. Геометрия широкого пучка и типичные траектории частиц (S - источник, D – детектор): 1 - непровзаимодействовавшие со средой частицы; 2 - однократно рассеянные; 3 - многократно рассеянные; 4 - частицы, поглотившиеся в защите и не достигшие детектора; 5 - частицы, вылетевшие из защиты и не попавшие в детектор

 

 

Вклад рассеянного излучения учитывается сомножителем, который называется фактором накопления. Если G _нр и G _р – некоторые характеристики поля излучения (в зависимости от регистрируемого эффекта), характеризующие нерассеянный и рассеянный компоненты поля соответственно, то фактор накопления можно определить как

.

(10.2)

Следовательно, можно сказать, что фактор накопления показывает, во сколько раз данная характеристика поля для нерассеянного и рассеянного излучения больше характеристики поля только для нерассеянного излучения. Можно также сказать, что фактор накопления – это отношение показания детектора в геометрии широкого пучка к показанию детектора в геометрии узкого пучка.

Закон ослабления в геометрии широкого пучка g-излучения с энергией e при прохождении защиты толщиной d в бесконечной геометрии измерений будет иметь вид

,

(10.3)

где   B (m d, Z, e) – фактор накопления дозиметрической величины  материала защиты для точечного изотропного источника.

В реальных задачах всегда наряду с нерассеян­ным излучением регистрируется и много­кратно рассеянное в защите излучение. Бывает, что вклад в мощность дозы от рассеянного излучения может многократно (иногда в несколько тысяч раз) превосходить вклад от нерас­сеянного.

Для регистрируемых характеристик поля излучения различают факторы накопления: числовой (для плотности потока g-квантов), энергетический (для плотности потока энергии g-квантов), дозовый (для экспозиционной дозы и поглощенной дозы в воздухе), поглощенной энергии (для погло­щенной в среде энергии), кермы в данной среде.

В общем виде выражение этих факторов накопления можно записать как

(10.4)

где индекс i относится к виду фактора накопления по регистри-руемому эффекту; φ(ε, μ d) – плотность потока нерассеянных и рассеянных γ-квантов; φ₀(ε, μ d) – плотность потока нерассеян-ных γ-квантов; δ _i (ε) – коэффициент для перевода плотности потока в регистрируемую величину.

Для числового фактора накопления δ_ч = 1 (измеряется плотность потока частиц)

.

(10.5)

Для энергетического фактора накопления δ_э = ε_γ (измеряется интенсивность излучения I)

.

(10.6)

Для дозового фактора накопления  (измеряется поглощенная доза в воздух   D ^В или экспозиционная доза   Х)[49]

.

(10.7)

Для фактора накопления керм ы δ _K = ε_γ·  (измеряется керма в среде)

.

(10.8)

Фактор накопления зависит от всех параметров и условий задачи: характеристик источника (энергетического спектра и углового распределения, геометрии), характеристик защиты (атомного номера и плотности материала среды, геометрии и толщины защиты, компоновки защиты), взаимного расположения источника, защиты и детектора и т.д.

В различных справочниках по защите от ионизирующих излучений приводятся численные значения факторов накопления для различных характеристик поля излучения и материалов в бесконечной геометрии. Фрагмент таблицы, содержащий значения факторов накопления для энергий фотонов 0,1 и 3 МэВ и для различных сред, приведен в табл. 10.1. Значения факторов накопления, приводимые в таблицах, рассчитаны для бесконечной среды, в которой расположены источник и детектор. Однако на практике наиболее часто приходится иметь дело с барьерной защитой (см. рис. 9.1 г).

Таблица 10.1

Дозовые факторы накопления В (e₀, m d) для точечного изотропного источника в бесконечной среде [3]

e0, МэВ	m d
	2	3	4	5	6	7	8
Вода
0,1	11,8	23,8	41,3	65,2	96,7	137	187
3,0	2,46	3,23	4,00	4,80	5,61	6,43	7,27
Железо
0,1	1,61	1,78	1,94	2,07	2,20	2,31	2,41
3,0	2,28	2,96	3,68	4,45	5,25	6,09	6,96
Свинец
0,1	3,55	5,72	9,33	15,6	26,6	46,3	81,8
3,0	1,73	2,09	2,46	2,86	3,29	3,76	4,25

Если нельзя считать защиту бесконечной, то следует вводить поправку на барьерность в виде множителя к факто­ру накопления в бесконечной среде. Поправочные коэффициенты на барьерность для точечного изотропного источника представляют собой отношение дозового фактора накопления в барьерной геометрии к дозовому фактору накопления в бесконечной среде для точечного изотропного источника:

.

(10.9)

Таблица 10.2

Значения поправки на барьерность  для различных материалов для точечного изотропного источника фотонов при измерении дозы в бесконечной среде [3]

Энергия γ-кванта, МэВ	Вода	Железо	Свинец
0,5	0,750	0,869	0,983
1,0	0,797	0,903	0,986
3,0	0,924	0,943	0,990
10,0	0,974	0,987	0,996

Поскольку фактор накопления (вклад рассеянного излучения) в бесконечной среде всегда больше, чем в любой другой геометрии, понятно, что поправка на барьерность всегда будет меньше единицы (табл. 10.2.)