Приложение 2. Защита от гамма-излучения

Приложение 2

Защита от гамма-излучения

Проектирование защиты установки производится исходя из величины мощности экспозиционной дозы гамма-излучения поверхности защиты (таблица 2.1).

Таблица 2.1

Значения , используемые при проектировании защиты от гамма-излучения, мР/ч

Категория облучения	Назначение помещений	Проектная мощность дозы (мР/ч) при:
		t = 36 ч	t = 41 ч
Категория А	Помещения постоянного пребывания персонала	1,4	1,2
	Помещения, в которых персонал пребывает не более 18 ч в неделю	2,8	2,4
	Необслуживаемые помещения*	28	24
	Любые другие помещения учреждения	0,1	0,1
Категория Б	Любые помещения и территория в пределах наблюдаемой зоны	0,03	0,03

______________________________

* Под термином "необслуживаемые помещения" понимаются помещения, в которых персонал может находиться только при проведении ремонтно-профилактических работ.

А. Расчет толщины защиты

Толщину защиты от гамма-излучения и можно рассчитать, используя данные таблицы 2.2., которые получены интерполяцией по энергии данных универсальных таблиц для расчета защиты, разработанных на основании теории ослабления широкого пучка гамма-излучения точечного источника. Входным аргументом в таблицу 2.2. является кратность ослабления (К), определяемая как отношение рассчитанной по формуле (2.2) мощности экспозиционной дозы излучения к величине :

(2.1).

Таблица 2.2

Толщина защиты (см) в зависимости от кратности ослабления гамма-излучения и

К
	свинец	железо	бетон	вода	свинец	железо	бетон	вода
2	1,55	3,5	13,5	26,5	0,75	2,7	12,5	27,5
5	3,35	7,0	25	51,5	1,7	5,4	21,5	47
10	4,6	9,8	32,5	67	2,35	7,0	27,5	59
20	5,8	11,3	39,5	81	2,95	8,6	32,5	70
50	7,3	14,0	48,5	99	3,8	10,7	39,5	83,5
	8,5	16,0	55	113	4,4	12,2	44,5	94
	9,7	18,0	61,5	126	5,05	13,7	49,5	104
	11,3	20,7	70	143	5,85	15,6	56	117,5
	12,5	22,6	76	156	6,45	17,1	61	127
	13,7	24,5	82,5	168	7,1	18,5	66	137
	15,2	27,1	91	184	7,9	20,2	72	150
	16,4	28,9	97	196	8,45	21,6	76,5	159,5
	17,5	30,8	103	209	9,05	22,9	81	168,5
	19,0	33,3	111,5	225	9,8	24,6	87	181
	20,2	35,2	118	237	10,4	26,0	91,5	190
	21,3	37,0	124	250	10,95	27,3	96	199
	22,8	39,5	132,5	266	11,7	29,1	102	211
	24,0	41,4	138,5	278	12,3	30,4	106,5	220
	25,1	43,2	145	290	12,85	31,8	111	229
	26,6	45,7	153	307	13,6	33,5	117	241
	27,8	47,6	159,5	319	14,2	34,9	121,5	250
	28,9	49,5	166	331	14,8	36,2	126	259
	30,4	52,0	174	348	15,55	38,0	132	271
	31,6	53,9	180,5	360	16,1	39,4	136,5	280
	32,7	55,8	187	372	16,7	40,7	141	289
	34,3	58,3	195	389	17,45	42,5	147	301
	35,4	60,2	201,5	401	18,05	43,9	151,5	310
	36,6	62,1	207,5	414	18,6	45,2	156	319
	38,1	64,6	216	430	19,35	47,0	162	331
	39,3	66,5	222,5	443	19,95	48,4	166,5	340

Таблица составлена для следующих значений плотностей материалов:

- свинец,

- железо,

- бетон,

- вода.

Связь между мощностью экспозиционной дозы (дозой) гамма-излучения и активностью источников определяется следующими формулами:

(мР/ч); (мР/ч) (2.2)

где:

Q - активность источника, кюри;

- постоянная изотопа, ;

R - расстояние от источника до точки, для которой рассчитывается доза (мощность дозы) гамма-излучения, м;

t - время, ч;

P - мощность дозы излучения, мР/ч;

Д - доза излучения, мР.

Сведения о спектральном составе излучения и величинах изотопов и , использованные при составлении таблицы 2.2., приведены в таблице 2.3.

ГАРАНТ:

Нумерация разделов приводится в соответствии с источником

5. Пример расчета защиты

Рассчитать необходимую толщину бетонной защиты (d) от гамма-излучения (облучатель активностью кюри). Расстояние от облучателя до наружной поверхности стены R = 4 м. Допустимая мощность дозы излучения для помещений, в которых персонал пребывает не более 18 часов в неделю при 36 часовой рабочей неделе, мР/ч (категория облучения А).

Решение. По формуле (2.2) имеем, что: , мР/ч, по формуле (2.1) определяем:

Используя данные таблицы 2.2., получаем d = 164 см.

Таблица 2.3

Основные характеристики радиоактивных изотопов и

Изотоп	Период полураспада, , год	Энергия гамма-квантов E, МэВ	Выход гамма-квантов на 100 распадов	Гамма-постоянная ,	Полная гамма-постоянная ,
	5,27	1,172	99	6,11	12,93
		1,333	100	6,82
		2,158		-
	26,6	0,661	82,5	3,10	3,10

Б. Расчет и проектирование лабиринтной защиты

Типовые схемы лабиринтных защит. При проектировании и разработке мощных гамма-установок необходимо решать вопросы защиты в совокупности с обеспечением непрерывной подачи объектов облучения к облучателю и отбора их после облучения. Лабиринтные входы в рабочие камеры целесообразно использовать для уменьшения дозы гамма-излучения у входной двери в лабиринт, осуществления конвейерной подачи объектов к облучателю, подведения всевозможных коммуникаций и т.п.

На рис. 2.1. приведены типовые схемы лабиринтных защит, применяемые в практике мощного радиационного аппаратостроения и технологии.

В некоторых случаях с целью экономии производственной площади целесообразно сооружение защитной поворотной двери с отверстием по диаметру ее для входа в рабочую камеру. Подача объектов на облучение, подводка всевозможных коммуникаций и т.п. может осуществляться также по технологическим каналам различной геометрии.

Методика проектирования лабиринтов в защите

Количество секций лабиринта и их длина определяются следующим образом. Если известны (из требований технологического процесса на установке) приближенные значения параметров канала: W - ширина, м; H - высота, м; - угол между "(i-1)"-ой и "i"-ой секциями, град; r - расстояние от облучателя до выхода из канала (определяет размеры строительной площадки, см. рис. 2.2); - расстояние от центра облучателя до центра входа в канал, м (в дальнейшем принимается за длину первой секции канала); Q - активность облучателя, Ки; - энергия гамма-излучения облучателя, МэВ, и - мощность экспозиционной дозы излучения на выходе из канала, мР/ч.

Число секций канала (N) и их длину определяют следующим образом:

1. Находят ориентировочное число n секций канала (округляя до ближайшего целого числа N) по формуле:

, (2.3);

где ; - коэффициент, учитывающий ухудшение защитных свойств канала при угле изгиба между секциями . Для значений . Для значения находят по формуле:

(2.4)

Значения приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Значения

, град	90	75	70	65	60	55	50	45	40	35	30
	1,0	1,3	1,55	1,75	2,0	2,35	3,0	4,2	5,6	8,0	12

2. По известным значениям N, W, и r проектируют канал с учетом конкретных условий. При этом определяются длины каждой секции канала , которые должны удовлетворять условию:

(2.5)

3. Для данных значений и вычисляют коэффициент ослабления гамма-излучения в защите с каналом по формуле:

, (2.6)

где . Сравнивают величину с требуемым коэффициентом ослабления k, определяемым по формуле: (2.7)

Если , то проектирование канала в защите закончено.

Если , то корректируют параметры W, H, и r. Для новых значений и по формуле (2.6) вычисляют значение . Расчет проводят до тех пор, пока не получат .

4. Оценивают толщины защитных выступов, разделяющих секции канала. Размеры каждого выступа должны быть такими, чтобы мощность дозы прямого излучения в конце каждой секции канала не превышала 0,1 мощности дозы отраженного излучения в той же точке, рассчитанной по формуле (2.6).

Пример. Спроектировать входной лабиринт, если известны значения следующих величин: W = 0,9 м; H = 2,2 м; ; r = 5,65 м, м; Ки, источник , мР/ч, материал лабиринта - бетон.

Решение: 1. Находим ориентировочное число секций канала:

Округляем до ближайшего целого числа - N = 6.

2. Для известных значений N, W, и r проектируем канал с привязкой к конкретным условиям (см. рис. 2.2.). Получим следующие значения длин секций и углов между ними:

м; м; м; м; м;

; , которые удовлетворяют условию (2.5)

3. Вычисляем коэффициент ослабления излучения для спроектированного лабиринта:

и сравниваем его с требуемым коэффициентом ослабления:

4. Оцениваем толщины защитных выступов. Так, первый выступ должен ослабить прямое излучение не менее чем в раз , что соответствует толщине защиты, равной ~ 85 см (имеем 140 см). Оба выступа должны иметь коэффициент ослабления , что соответствует толщине ~ 130 см (имеем 230 см).

Расчет мощности экспозиционной дозы гамма-излучений в лабиринте

Мощность дозы гамма-излучения в любой точке лабиринта определяется из следующего выражения:

, (2.8)

где

- прямое излучение, прошедшее сквозь выступы лабиринта, вычисляемое по универсальным таблицам (приложение 2);

- мощность дозы, создаваемая отраженным гамма-излучением.

На рис. 2.2 показана схема расчета дозы гамма-излучения в лабиринте.

При проектировании и расчетах обычно выбирают главные рассеивающие площадки, которые определяются максимальной "видимостью" облучателя, минимальными расстояниями между рассеивающими поверхностями и точкой детектирования. В этом случае мощность дозы отраженного гамма-излучения будет определяться из выражения:

(2.9)

При i = 1, при i > 1, E = 100 кэВ.

В точку детектирования, расположенную после первого, второго и т.д. поворота лабиринта, приходит многократно отраженное гамма-излучение, которое довольно трудно учесть.

В том случае, если выступы лабиринта не ослабляют прямое излучение до допустимых величин или близких к ним, при расчете необходимо учитывать гамма-излучение, прошедшее сквозь выступы лабиринта и претерпевшее отражение от поверхности бетонной защиты. Суммарная мощность дозы в лабиринте в общем виде может быть определена из выражения

(2.10)

где

- угол падения гамма-излучения (угол между нормалью к площадке и направлением P);

- расстояние от центра облучения до центра площадки , см;

- дозовое альбедо гамма-квантов с энергией E для угла падения ;

- главные рассеивающие площадки, ;

- линейный коэффициент ослабления узкого пучка гамма-лучей, ;

- дозовый фактор накопления гамма-излучения для бетона;

d - толщина защиты, см;

R - расстояние от центра облучателя до точки детектирования, см;

- энергия первичного гамма-излучения, МэВ;

E - энергия отраженного гамма-излучения, равная 100 кэВ.

Индекс у альбедо и угла означает кратность отражения.

Принимается, что интенсивность отраженного гамма-излучения уменьшается пропорционально .

Значения для различных значений E и для бетона приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5

Дозовое альбедо гамма-излучения для бетона

	E, МэВ
	0,1	0,661	1,25
0	0,52	0,38	0,32
0,1	0,45	0,29	0,24
0,2	0,37	0,23	0,18
0,3	0,33	0,19	0,14
0,4	0,29	0,16	0,11
0,5	0,27	0,13	0,08
0,6	0,23	0,11	0,08
0,7	0,22	0,09	0,05
0,8	0,2	0,08	0,05
0,9	0,18	0,07	0,04
1,0	0,17	0,06	0,04

Расчет бетонной лабиринтной защиты может быть выполнен также с помощью эмпирических формул (2.11) и (2.12):

(2.11)

где

- эмпирические коэффициенты, равные ; ; для первого, второго и третьего поворота лабиринта соответственно;

L - расстояние от центра облучателя до центра площадки , см;

- расстояние между рассеивающими площадками (или до расчетной точки), см;

(2.12)

где - расстояние вдоль оси 1-го, 2-го и т.д. звена лабиринта, см;

W - ширина лабиринта, см;

, где: H - высота лабиринта, см;

- константа для данной энергии и материала защиты.

На рис. 2.3 показана энергетическая зависимость константы для бетона.

После второго поворота лабиринта величина принимается равной при E = 0,1 МэВ.

Максимально относительные ошибки расчета по отношению к экспериментальным данным не превышают +50%.

Пример. Определить P, создаваемую отраженным гамма-излучением на входе в лабиринт в точке Д (рис. 2.2), и необходимую толщину защитной двери (материал - железо), если облучатель собран из источников суммарной активностью Ки, высота лабиринта H = 2,2 м, материал лабиринта - бетон, мР/ч.

Решение. Мощность дозы в точке Д создается трехкратно отраженным гамма-излучением, приходящим с площадок и . Вклад в полную мощность дозы в т. Д от излучения, отраженного от пола и потолка лабиринта, учитывается с помощью коэффициента q = 2.

По рис. 2.2 м; м; м; м; м; м; ; ; ; ; ; ; ; .

Величины в зависимости от энергии гамма-излучения, падающего на площадку, и косинусов углов падения определяем по табл. 2.5.

Так как МэВ и МэВ, то ; ; и . Полученные данные подставляем в формулу (2.9) и получаем, что мР/ч. С учетом коэффициента мР/ч. Доза, создаваемая в точке Д прямым излучением и рассчитанная с помощью данных раздела "А" настоящего приложения, пренебрежительно мала.

Определяем толщину защитной двери при мР/ч: необходимая кратность ослабления , из универсальных таблиц для К = 30 и МэВ находим толщину защиты из железа d = 2,4 см.

При проектировании защитных поворотных дверей следует учитывать прострел рассеянных гамма-квантов вдоль щелей, образующихся между дверью и защитными стенами. Ширина этих щелей изменяется от 30 до 150 мм в зависимости от конструкции дверей, точности их монтажа, строительных дефектов и т.д. Для типовых защитных дверей (диаметры дверей 1700 и 2800 мм, ширина входного проема - 900 и 1600 мм соответственно) кратность ослабления излучения, прошедшего через такие щели, составляет . В отдельных случаях снизить величину мощности дозы гамма-излучения, выходящего из щелей, до допустимого уровня можно путем уменьшения ширины щелей (наваривание на грани дверей или обечайки листовой стали, покрытие их свинцом). Покрытие участков стенок щелей (на выходе из них) свинцом толщиной 3-5 мм позволяет в ~10 раз уменьшить интенсивность выходящего из щелей излучения.