Osłony - Home - Faculty of Physics University of Warsawszef/Ochr Rad II/2_oslony.pdf(aluminium,...

Osłony

OCHRONA RADIOLOGICZNA 2

Jakub Ośko

2

Osłabianie promieniowania

elektromagnetycznego

3

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

• droga, jaką przebywają fotony w danym materiale jest różna (nawet jeśli mają taką samą energią)

• nie można określić do jakiej głębokości dotrze dany foton – można określić prawdopodobieństwo, że w danej warstwie materiału dojdzie do oddziaływania fotonu z materią – im większa grubość materiału, tym większe prawdopodobieństwo

4



I0 I=I0exp(-µd)

d

5


elektromagmetycznego Dla wiązki monoenergetycznej: I – natężenie wiązki fotonów, która przeszła przez warstwę materiału; I0 – początkowe natężenie wiązki przed wejściem do materiału; µ – liniowy współczynnik osłabienia, wyrażany najczęściej w cm-1; d – grubość warstwy materiału (musi być wyrażona w tych samych

jednostkach długości co współczynnik µ, jeśli µ jest w cm-1, to d musi być wyrażone w cm)

deII 0

6



Wartość współczynnika osłabienia µ zależy od energii promieniowania i od gęstości materiału, przez który przechodzi promieniowanie oraz w mniejszym stopniu od jego rodzaju.

7



ρ – gęstość materiału. µ/ρ – masowy współczynnik osłabienia, ρd – masa powierzchniowa Ten sam pod względem składu atomowego materiał może mieć różną gęstość (np. woda w postaci cieczy i pary wodnej). Wartość µ zależy też od energii promieniowania i liczby atomowej Z materiału. W przybliżeniu: im Z jest większe tym dany materiał jest mniej przenikliwy dla promieniowania elektromagnetycznego.

d

eII

0

8


elektromagmetycznego • Masowy współczynnik osłabienia µ/ρ jest

sumą masowego współczynnika pochłaniania (absorpcji) µa/ρ oraz masowego współczynnika rozpraszania µs/ρ.

sa

9



• Współczynnik absorpcji obejmuje zjawiska, w których zachodzi konwersja energii padającego fotonu na energię kinetyczną wtórnych cząstek naładowanych.

• Współczynnik rozpraszania obejmuje zjawiska, w których foton zostaje usunięty z wiązki wskutek rozproszenia (zmiany kierunku ruchu).

10



W przypadku substancji złożonej z różnych atomów lub mieszaniny różnych substancji, masowy współczynnik osłabienia jest w przybliżeniu równy sumie ważonej wartości odpowiednich współczynników dla poszczególnych składowych.

wi – wagowy udział danego pierwiastka w składzie rozpatrywanej substancji, i/ – masowy współczynnik osłabienia dla tego pierwiastka.

i

i

iw

11



Przy opisie detektorów i osłon często podawane są grubości ścianek w g/cm2. Należy w takich przypadkach przyjąć, że chodzi o iloczyn ρd.

12


elektromagmetycznego • Fotony nie ulegają spowolnieniu (zawsze poruszają się z

prędkością światła). • Fotony po przejściu przez ośrodek mają jednakową energię

jak fotony padające. • Współczynnik osłabienia maleje wraz ze wzrostem energii

promieniowania. • Promieniowanie o wyższej energii jest bardziej przenikliwe. • Jeśli wiązka zawiera fotony o różnych energiach, po przejściu

warstwy materiału jej skład ulegnie zmianie – fotony o niższej energii zostaną silniej wycięte z wiązki i średnia energia promieniowania wzrośnie – potocznie mówi się, że promieniowanie stanie się „twardsze”.

13



Warstwa półchłonna (warstwa połowicznego osłabienia) d½

ang. HVL (half value layer)

warstwa materiału, która powoduje zmniejszenie intensywności wiązki do połowy pierwotnej wartości

14



Przy przechodzeniu wiązki monoenergetycznej przez kolejne warstwy materiału o grubości d½ jej natężenie będzie spadać o 50% po każdej z nich.

693,02ln1/2d

15



W przypadku wiązki zawierającej fotony o różnych energiach warstwę półchłonną wyznacza się zgodnie z podaną definicją.

Po przejściu takiej warstwy promieniowanie staje się twardsze, a więc każda następna warstwa d½ będzie grubsza od poprzedniej. Może to być istotne przy obliczaniu osłon.

16

Warstwa półchłonna

Energia promieniowa

nia gamma

Grubość warstwy wody [cm] (o gęstości 1,0 g /cm3)

dla krotności osłabienia

Grubość warstwy ołowiu [cm] (o gęstości 11,7 g/cm3) dla krotności osłabienia

k = 2 k = 100 k = 2 k = 100

20 keV 0,86 5,69 0,00071 0,00470

60 keV 3,37 22,37 0,0122 0,081

100 keV 4,06 26,98 0,0110 0,073

150 keV 4,61 30,60 0,0303 0,201

300 keV 5,84 38,83 0,152 1,01

600 keV 7,74 51,42 0,49 3,25

1 MeV 9,80 65,12 0,86 5,71

1,25 MeV 10,96 72,83 1,04 6,91

3 MeV 17,46 116,03 1,44 9,58

17

Osłabianie promieniowania

cząstek naładowanych

18

Spowalnianie cząstek naładowanych

Cząstki naładowane oddziałują na swojej drodze z elektronami atomów ośrodka, przez który przechodzą.

W każdym zderzeniu z elektronem cząstka może stracić część swojej energii i w ciągły sposób ulega spowolnieniu, aż do pełnego zatrzymania się.

19


Cząstki naładowane:

– ciężkie (wszystkie oprócz elektronów)

– elektrony.

Najlżejsza z ciężkich cząstek naładowanych, czyli proton, jest ok. 1000 razy cięższa od elektronu (pomijając miony).

20


W kolejnych zderzeniach z pojedynczymi elektronami ciężkie cząstki naładowane tracą małą część swojej energii nie zmieniając kierunku swojego ruchu.

Praktycznie wszystkie cząstki z równoległej wiązki cząstek monoenergetycznych docierają w danym materiale praktycznie do tej samej głębokości, po czym ulegają zatrzymaniu.

21


Cząstki naładowane mają określony zasięg,

czyli graniczną odległość, powyżej której nie mogą penetrować dalszych warstw danego materiału.

Zasięg zależy od rodzaju i energii cząstki oraz właściwości materiału.

22


Elektrony emitowane ze źródeł promieniowania β,

• szerokie widmo energii elektronów

• elektrony o niskich energiach są szybko zatrzymywane, w minimalnej odległości od źródła

• pozostałe są hamowane w stopniu zależnym od swojej energii

23


Zanik wiązki :

µβ – liniowy współczynnik osłabienia dla danego izotopu promieniowania β i danego materiału.

deNN 0

24

Zasięg promieniowania Rodzaj

promieniowania

Energia [MeV]

Zasięg w powietrzu

[cm]

Zasięg w wodzie [cm]

elektrony 1

2

5

10

320

750

1995

6065

0,4

0.9

2,5

5,2

promieniowanie β

60Co 40K

0,306

1,325

65

465

0,08

0,58

promieniowanie alfa

3

5

8

1,57

3,15

7,09

Poniżej 0,01

25

Zastosowanie osłon

• Ochrona pracowników przed narażeniem

• Osłona badanej próbki

26

Osłony ochrona pracowników

27

Cel – obniżenie dawki otrzymywanej przez osobę

pracującą ze źródłami promieniotwórczymi

- osłona ustawiona na drodze promieniowania

pochłonie całkowicie lub częściowo promieniowanie

emitowane ze źródła.

Ochrona pracowników

28

stałe:

wszelkiego typu konstrukcje budowlane lub instalacje,

których z racji ich wymiarów nie można przesuwać lub

przemieszczać - ściany, mury, wbudowane płyty itp.

ruchome:

wszelkiego typu pojemniki osłonne, cegły ołowiane itp.

Rodzaj osłony zależy głównie od typu promieniowania, przed którym ma ona

chronić.

Rodzaje osłon

29

Promieniowanie gamma i X

• oddziaływanie głównie z elektronami atomów ośrodka

• niski liniowy przekaz energii (LET)

• zasięg (teoretycznie) nieograniczony

• każdy materiał powoduje osłabienie promieniowania γ w stopniu zależnym od jego grubości

• najbardziej efektywne są materiały ciężkie (ołów, zubożony uran)

• z przyczyn technicznych i ekonomicznych stosuje się osłony betonowe (często z dodatkiem ciężkich kruszyw)

30

Promieniowanie beta

- zasięg w powietrzu wynosi kilka-kilkanaście m

- elektrony o niskich energiach są pochłaniane w lekkich materiałach

(aluminium, pleksi)

- elektrony o wysokich energiach emitują promieniowanie hamowania

- rodzaj oddziaływania zależy od Z ośrodka

(prawdopodobieństwo emisji promieniowania hamowania rośnie z Z2)

- dla źródeł emitujących promieniowanie β oraz γ często rezygnuje się z

oddzielnej osłony przed promieniowaniem β

31

Promieniowanie alfa

wysoki liniowy przekaz energii (LET)

- zasięg w powietrzu wynosi kilka-kilkanaście cm

Osłony przed promieniowaniem α

- zachowywanie odpowiedniej odległości od źródła

- użycie manipulatorów

- użycie rękawic (zasięg w lateksie wynosi ok. 1 mm)

32

Promieniowanie neutronowe

osłony dwuwarstwowe:

- warstwa materiału o dużej zawartości wodoru, spowalniająca neutrony

(woda, tworzywa sztuczne)

- warstwa materiału o dużym przekroju czynnym na reakcję z neutronami

(bor, kadm)

potrzebna jest też dodatkowa osłona przed promieniowaniem γ, wyemitowanym w wyniku reakcji neutronów z materiałem osłon

33

Osłony zabezpieczenie mierzonej próbki

34

Źródła promieniowania wokół

detektora

• promieniowanie naturalne materiałów detektora

• promieniowanie naturalne dodatkowej aparatury

• promieniowanie naturalne osłon w sąsiedztwie detektora

• radionuklidy w powietrzu

• pierwotne i wtórne produkty promieniowania kosmicznego

35

Promieniotwórczość materiałów

• Zanieczyszczenia

– potas

– tor

– uran

– długożyciowe produkty rozpadu toru i uranu

36


Materiał Aktywność [Bq/g] 232Th 238U 40K

Aluminium 0,08-0,42 do 0,04 do 0,56

Stal nierdzewna < 0,006 < 0,007 < 0,06

Magnez do 0,06 Do 0,04 do 0,1

Stop Be-Cu < 0,02 < 0,06 <0,2

Miedź < 0,05 < 0,06 <0,2

Pyrex 0,45 0,27 3,8

Kwarc < 0,018 < 0,018 < 0,07

Neopren <0,008 <0,01 0,36

Guma 0,12 1,0 2,0

37


Materiał Aktywność [Bq/g] 232Th 238U 40K

Apiezon Q (smar mineralny

4,5 4,5 2,7

Taśma 3M < 0,04 < 0,06 < 0,1

Cement 0,25 1,3 4,5

Epoksyd 0,006 0,01 0,19

Lakier 0,002 0,005 0,04

Źródło: Camp at al. Nucl. Instrum, Meth. 117, 189 (1974)

38

Radionuklidy w powietrzu

Radon 222Rn i toron 220Rn

• krótkożyciowe gazy

• produkty rozpadu uranu i toru

• koncentracja w powietrzu zależy od pory dnia i warunków meteorologicznych

39


• promieniowanie kosmiczne

• radon

• toron

40


Eliminacja:

• szczelna obudowa detektora wypełniona gazem nie zawierającym radonu

• detektory germanowe: otoczenie ciekłym azotem

• wymiana powietrza w pomieszczeniu pomiarowym

41

Osłony spektrometrów gamma

• Podziemne laboratoria

• Ołowiana osłona detektora

42

Osłony spektrometrów gamma

• Promieniowanie gamma może powodować emisję dodatkowego promieniowania z materiału osłony

– efekt fotoelektryczny,

– efekt Comptona,

– tworzenie par

• Dodanie do osłony ołowianej warstwy materiału o niskim Z (miedź, kadm), która absorbuje charakterystyczne promieniowanie X.

43

Materiały osłonne

OŁÓW

W przypadku szerokiej wiązki.

44 44

Materiały osłonne

skolimowana wiązka

a – grubość osłonny [cm]

μ – liniowy współczynnik osłabienia [cm-1]

aek

45

Materiały osłonne

OŁÓW

• gęstość 11340 kg m–3

• 210Pb, T1/2 = 20,4 lat

• zanieczyszczenia z opadu atmosferycznego

• radionuklidy z szeregu torowego

46

Materiały osłonne

BETON

47

Materiały osłonne

BETON

• gęstość 2100 do 2350 kg m–3

• z dodatkiem wypełniaczy (hematyt, baryt, stal) – od 3400 do 3500 kg m–3

• niski koszt

• 40K

• uran

• produkty opadu atmosferycznego

48

Materiały osłonne

STAL

• gęstość 7900 kg m–3

• tańsza niż ołów

• większe wymiary

• danieczyszczenia radioaktywne zależą od roku produkcji (do lat 50-tych czyste)

49

Materiały osłonne

WOLFRAM

• Z = 74

• gęstość 19 g/cm3

• małe osłony

• kolimatory

50

Osłony detektorów gazowych

• Rejestrowane tło promieniowania zależy

od minimalnej jonizacji potrzebnej do

rejestracji impulsu

• Dla licznika G-M to jedna para jonów

• Największy wpływ na rejestrowane tło ma

promieniowanie alfa emitowane przez

elementy detektora

51

Promieniowanie alfa

Materiał Cząstki alfa / cm2 / godz

100 keV 250 keV 1 MeV

miedź 0,09

mosiądz 0,2 0,05 0,13

stal nierdzewna 0,05 0,03 0,01-0,03

aluminium 0,2 0,31 0,27

cyna 28

nikiel 0,03

ołów 60

powietrze 320 / dm3 / h

52

Osłony detektorów neutronowych

• Tło naturalne (wtórne produkty oddziaływania promieniowania kosmicznego)

• Promieniowanie wytwarzane sztucznie

• Osłony dwuwastwowe

53

Układ antykoincydencji

źródło osłona

Detektor podstawowy

detektor zewnętrzny

Układ rejestruje impuls z detektora podstawowego tylko wtedy, gdy nie towarzyszy mu impuls z detektora zewnętrznego.

54

Dziękuję za uwagę

Osłony - Home - Faculty of Physics University of Warsawszef/Ochr Rad II/2_oslony.pdf(aluminium,...

Documents

Transcript of Osłony - Home - Faculty of Physics University of Warsawszef/Ochr Rad II/2_oslony.pdf(aluminium,...