3.3. Предельно допустимые дозы облучения

Предельно допустимая доза облучения (ПДД) для персонала, непосредственно работающего с источниками ионизирующего излучения, установлена равной 5 бэр в течение одного года. Это соответствует недельной дозе 0,1 бэр и дневной дозе (при шестичасовом рабочем дне) 0,017 бэр. Кисти рук могут получать дозу в 5 раз больше при условии, что тело получает не более предельно допустимой. Общая доза облучения всего организма для персонала не должна превышать дозу, определенную по формуле

D = 5(N – 18)

где D – доза, бэр; N – возраст, года. Во всех случаях доза, накопленная за 30 лет, не должна превышать 60 бэр.

Санитарные правила устанавливают верхние пределы облучения персонала - и - частицами, нейтронами и -лучами, соответствующие нормы приведены в табл.2.

Таблица 2.

Виды излучения	Предельная норма облучения
 - частицы	10  - частиц/(см2.с)
 - частицы	20  - частиц/(см2.с)
 - лучи	0,8 мкР/с
Нейтроны (Еп  20 МэВ)	750 нейтронов/(см2.с)
Нейтроны (Еп  20 МэВ)	20 нейтронов/(см2.с)

Загрязненность воздуха, согласно санитарным правилам, не должна превышать

10^-11 Ки/л (радиоактивные газы).

Гамма излучение может сопровождаться как  , так и  - распадом. Ядро – продукт, образовавшийся в результате  или  - распада, часто оказывается в возбужденном состоянии. Энергия, высвобождающаяся при переходе ядра в более низкие состояния, испускается в виде электромагнитного излучения, называемого  - излучением.

Спектр  -квантов, сопровождающих распад естественных радиоактивных элементов, простирается примерно до 3 МэВ. Гамма-излучение относится к сильно проникающему излучению, для практически полного поглощения которого требуется слой горных пород (или других близких по плотности веществ) толщиной в несколько десятков сантиметров.

Хотя - кванты испытывают большое число различных типов взаимодействия, однако вероятность большинства из них мала и ослабление потока  -квантов в веществе практически происходит лишь за счет процессов фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар. Полное сечение взаимодействия (линейный коэффициент ослабления)  -квантов с веществом (макроскопическое сечение которого для  -квантов принято обозначать ) является, таким образом, суммой сечения перечисленных процессов:

 = _ф + _к + _п

 = _ф + _к + _п

Фотоэффектом (фотоэлектрическим поглощением) называется такое взаимодействие, при котором  -квант поглощается, причем энергия расходуется частично на отрыв от атома одного из электронов, частично же передается последнему в виде кинетической энергии.

Сечение взаимодействия растет с увеличением атомного номера z вещества и наиболее вероятно взаимодействие с электронами К- и L-оболочек, ближайших к ядру. Разумеется взаимодействие может происходить лишь к случаю, когда энергия  -кванта больше энергии связи электрона. Это обуславливает наличие скачков на графике зависимости _ф(_) при значениях _, близких к энергии связи электронов (и т.п.) , соответствующих оболочек. Так, если, Е_L  _  Е_к , то фотоэффект возможен во всех оболочках, кроме К – оболочки. При _  Е_к фотоэффект происходит и на К – оболочке, вследствие чего _ф и _ф в случае _ = Е_к увеличиваются скачком. Вероятность (сечение) фотоэффекта резко уменьшается с ростом энергии кванта.

Зависимость _ф от энергии кванта и атомного номера среды (при _к _m_ес² = 0,5 МэВ, где m_e – масса покоя электрона; с – скорость света) можно описать следующей приближенной формулой

Комптон-эффект заключается в рассеянии -кванта электроном. В области, где комптон- эффект является преобладающим (для наиболее распространенных горных пород в интервале 0,05-15 МэВ), Е_ больше энергии связи электронов с ядром у большинства веществ и потому связь электрона практически не сказывается на закономерностях комптоновского рассеяния. В частности, сечение взаимодействия пропорционально концентрации электронов. Так, сечение на один атом _к равно _к(Е) = Z_кеЕ, где _ке – сечение на один электрон (не зависящее от Z, а макроскопическое сечение

Здесь _ат – число атомов в 1 см³; _е = (2   - электронная плотность вещества; _ - число Авогадро; М – массовое число атома;  - плотность вещества.

Величина (2   = _е называется относительной электронной плотностью. Для легких элементов (исключая водород) 2  М  1 и электронная плотность мало отличается от обычной плотности. Для легких веществ отношение  М  ½ практически одинаково для различных веществ и величина массового коэффициента ослабления определяется из выражения

Величины _к и _к медленно уменьшаются с ростом Е_. Независимость _ке от типа вещества позволяет легко рассчитать _к и _к для любого вещества с атомным номером  по известному его значению для одного вещества, например, для Аl .

Отсюда

Согласно указанному выше для легких веществ

Энергия -кванта Е_ после соударения связана с начальной энергией Е_ соотношением

,

где  - угол рассеяния;  - кванта.

Поскольку при комптоновском рассеянии расходуется не вся энергия  - кванта ( - квант не исчезает), то для характеристики вероятности и потери энергии потока вводят сечение истинного поглощения  , равное произведению _к на среднюю энергию квантов, передаваемому электрону при одном соударении и сечение истинного рассеяния . При малых значениях Е_ , доля энергии, переданная электрону при соударении невелика и ; в случае больших величин энергия кванта, наоборот .

За исключением области чрезвычайно малых значений Е_, угловое распределение рассеянного излучения, называемое также индикатрисой рассеяния, далеко от изотропного: вероятность рассеяния  - кванта вперед значительно выше, чем назад.

Эффект образования пар наблюдается при энергии  - кванта, превышающей суммарную энергию покоя электрона и позитрона (2 m_ес² = 1,02 МэВ). В этих условиях энергетически возможно исчезновение  - кванта с образованием пары электрон-позитрон. Для наблюдения закона сохранения импульса этот процесс должен идти в присутствии третьей частицы, которой передается часть импульса и энергии кванта. Роль такой третьей частицы играют преимущественно ядра атомов. Поэтому вероятность эффекта образования пар _п зависит от заряда ядра

,

а в легких веществах кроме водорода

Зависимость величин _п   от энергии вначале примерно пропорциональна (_ - 1,02 МэВ), а при больших значениях _ близка к логарифмическому закону).

Позитрон, образовавшийся в результате эффекта пар, практически мгновенно (10^-8с) тормозится в среде и исчезает в реакции аннигиляции е⁺ + е^- = 2, т.е. эффект образования пар обязательно сопровождается созданием двух новых -квантов с энергией по 0,51 МэВ.

Для каждого вещества существуют области энергии, в которых преобладает один из эффектов. Так, для основных породообразующих элементов ( = 6-20) фотоэффект преобладает при _  0,02 – 0,07 МэВ, комптоновское рассеяние в случае 0,02-0,07  _  12-20 МэВ, эффект образования пар при _ - 1,02 МэВ. В области преобладания комптоновского эффекта, массовой коэффициент поглощения _m зависит лишь от энергии излучения и мало зависит от состава вещества.