шению третьих степеней толщин, т. е. третьей степени обратного отношения плотностей.

Конечно, хорошими защитными материалами, помимо свинца, являются также тяжелые вещества, как уран, торий, висмут, вольфрам, золото, платина, ртуть и некоторые другие тяжелые элементы, но их применение оправдывается только в тех случаях, когда функцию защиты они выполняют попутно. В тех случаях, когда вес и компактность не играют существенной роли, как например в стационарных защитных стенках, используются строительные материалы: бетон, кирпич, железобетон, дерево, а в некоторых случаях могут быть использованы даже вода и грунт. В конструкциях различного рода установок и в стационарных устройствах, где соображения компактности и веса играют все же некоторую роль, успешно применяют сталь и чугун.

В некоторых случаях, чтобы сделать доступными для визуального наблюдения процессы, происходящие за защитными экранами, в них предусматриваются окна, закрытые свинцовыми стеклами. Такие стекла выпускаются толщиной до 50 мм и размерами 18X24, 24X30 и 30 X 40 см. Если из-за большой активности свинцовые стекла не обеспечивают необходимую кратность ослабления дозы, для визуального наблюдения применяют перископы, а иногда промышленные телевизоры.

В некоторых случаях в качестве прозрачных экранов применяются сосуды с плоско-параллельными стенками из стекла или плексигласа, заполненные раствором бромистого цинка, имеющего плотность примерно такую же, как бетон. Прозрачность раствора бромистого цинка превосходит стекло.

В приложении I приведены коэффициенты ослабления для ряда веществ в диапазоне энергий у-квантов от 0,1 до 10 Мэв. Чтобы не нужно было пересчитывать отдельно х, к я а для ве-ществ, не приведенных в этой таблице, можно воспользоваться значением коэффициента ослабления для вещества, близкого по положению к периодической системе элементов, помноженным на отношение плотностей этих веществ, поскольку массовый коэффициент ослабления разных веществ в той же области периодической системы элементов примерно одинаков.

§ 4. ЗАЩИТА ОТ НЕЙТРОНОВ

Как мы уже видели в гл. 3 и 4, характер воздействия быстрых и медленных нейтронов неодинаков. По этой причине допустимые нормы для них установлены неодинаковые, следовательно, и защиту нужно рассматривать отдельно для быстрых и медленных нейтронов.

Для нерассеянных быстрых нейтронов закон ослабления выражается простой экспоненциальной формулой (54а) и (546).

По мере увеличения толщины защитного слоя растет число рассеянных нейтронов, и приведенную выше экспоненциальную формулу нужно дополнить фактором накопления дозы, который, вообще говоря, может быть очень большим при больших толщинах. Задача упрощается при значительном содержании водорода в защитном материале (вода, парафин или при чередовании содержащих и не содержащих водород материалов). Дело в том, что при уменьшении энергии нейтронов поперечное сечение рассеяния у водорода заметно увеличивается:

Энергия, Мзв . . 0,1 0.4 1,0 2,0 2,5 5,0 10.0 14,0 Поперечное сечение. бар . . .12.9 7,36 4,50 2,99 2,60 1,67 0,95 0,68

Поэтому если нейтрон сталкивается с- ядром водорода, он, в сущности, оказывается выведенным из пучка; при таком столкновении происходит большая потеря энергии и изменяется направление движения, благодаря чему возрастает длина пути, проходимая в экране, что в свою очередь увеличивает вероятность последующих столкновений с ядрами водорода. Вторичным следствием этого является повышение эффективности упругих столкновений с тяжелыми ядрами, так как увеличивается вероятность последующих столкновений с ядрами водорода.

По имеющимся экспериментальным и расчетным данным, после прохождения слоя воды примерно в 30 см мощность дозы, создаваемой быстрыми нейтронами, уменьшается экспоненциально, причем для нейтронов с энергией 14 Мэв слой половинного уменьшения мощности дозы равен приблизительно 10 см, а для нейтронов ядерного реактора, энергия которых составляет около нескольких Мэв, слой воды, соответствующий половинному уменьшению мощности дозы, приблизительно равен 8 км. В слоях воды меньше 30 см доза уменьшается медленнее, чем по экспоненте. С достаточно хорошим приближением можно принять такую формулу для уменьшения в воде мощности дозы, создаваемой пучком быстрых нейтронов:

Р = ВР,е = ВРо2

(106)

где Р и Ро-соответственно мощности дозы при наличии и отсутствии экрана; x-толщина слоя воды; а:,д-слой половинного уменьшения дозы.

Предэкспоненциальный множитель В при -=1 имеет зна-

Краткие сведения по ядерной физике

чение 1,6, при -=2 его значение увеличивается до 2,2 и до-

стигает значения 2,8 при - = 3, после чего остается постоян-ным.

При ослаблении потока быстрых нейтронов смесью воды и каких-либо тяжелых элементов или при их чередовании уменьшение мошности дозы может быть записано так:

-In 2

р = Р,ё

Be

(107)

от - макроскопическое поперечное сечение ядер тяжелого вещества;

Xfn - толщина сл01я тяжелого вещества; В, X и х1% имеют те же значения, что и в формуле (106). Если тяжелое вещество и вода представляют собой смесь, тогда х равно X, а Ъщ - макроскопическое сечение тяжелых элементов, рассчитанное по их концентрации в воде.

В качестве защитного материала применяются вода, парафин или другие водородсодержащие вещества. Однако при комбинированной защите от у-лучей и от нейтронов приходится считаться с эффективностью экрана по отношению к у-лучам. Полезными в этих случаях оказываются экраны, содержащие смесь легких и тяжелых элементов, в частности применяются бетоны с повышенным содержанием воды.

Большей частью защита от быстрых нейтронов обеспечивает в то же время и защиту от медленных нейтронов. Бывают, однако, случаи, когда требуется ослабление потока тепловых нейтронов. Материалом для защиты от медленных нейтронов может служить любое вещество, обладающее большим эффективным поперечным сечением поглощения медленных нейтронов, как например бор (753 барн), кадмий (2900 барн) и т. д. Однако по соображениям уменьшения вторичного у-излучения, о чем пойдет речь ниже, нужно отдать предпочтение такому защитному материалу, как бор. Толщину борсодержащего экрана, необходимую для достижения той или иной кратности ослабления мощности дозы, можно определить по формуле (54а), где

Inor = -

nor

дующего соотношения:

определяется, согласно .выражению (56), из сле-

1пог =

Р а 6,02 . Юстд 10,82 . 100

Физические основы защиты от внешнего излучения

где р - плотность;

а - процентное содержание бора по весу; Од - эффективное поперечное сечение бора, см; [X выражено в cl-. Хорошим материалом для защиты от медленных нейтронов является бораль, представляющий собой сплав карбида бора с алюминием. Содержание В4С в этом сплаве может достигать 50%. Сплав, содержащий 35% (вес.) карбида бора, содержит 27,5% В и обладает плотностью 2,53 г/сж. Таким образом, Nor = 1.06 сж~, что соответствует слою половинного ослабления 6,5 лш.

При проектировании защитных экранов от нейтронов необходимо также учитывать вторичные эффекты. Замедленные нейтроны, в конце концов, поглощаются каким-либо атомным ядром, при этом, как правило, испускаются жесткие у-кванты. При поглощении нейтронов ядрами водорода освобождаются фотоны с энергией 2,23 Мэв, а при поглощении другими атомными ядJ рами энергия квантов достигает 4-5 Мэв и больших значений вплоть до 8 Мэв. Однако в некоторых случаях поглощение нейтронов не приводит к испусканию фотонов. В гл. 3 уже упоминалось, что при поглощении нейтронов ядрами В° идет реакция В°(я, а) Li: испускаемые при этой реакции а-частицы рассеивают свою энергию вблизи точки своего возникновения. В связи с этим, а также с тем, что эффективное поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов в пересчете на природную смесь изотопов бора равно 753 барн, бор удобно вводить в нейтронные экраны для поглощения медленных нейтронов. Чтобы снизить выход жестких квантов в 100 раз, достаточно ввести в воду или парафин бор, примерно из расчета 50 г (элемента) на килограмм. Более тонкие защитные экраны, чем водяные, при том же ослаблении нейтронов получаются со многими водород-содержащими соединениями. Могут быть использованы пластмассы, нефтепродукты, гидриды металлов и дерево. Могут оказаться полезными такие легкие элементы, как литий и бериллий, с. также в комбинации с водородсодержащимн веществами элементы с большим макроскопическим поперечником рассеяния, как железо, медь, вольфрам и свинец.

Задачи.

1. Какой слой воды или свиниа необходим для уменьшения мощности дозы от у-излучения Сез (энергия фотонов 0,255 Мэв) в 1000 раз? Выразить толщину слоя в C.VI и г1см.

Решение. По формуле (104) находим, что в свинце это соответствует ослаблению первичных лучей в 1700 раз, а в воде 2,8. 10 раз. Коэффициент ос; лабления в воде и св1иние соответственно равен 0,127 и 6,58 сл~. По формуле (99) получаем

2 3 . 3 23

арь = о-=11,3.мп или 12,8 г/ги(:

2,3 . 5,45

= 100 см, или 100 г/cjM .

0,127

2. Какой толщины экран из бетона или свинца требуется, чтобы на расстоянии 2 л от препарата Со в 50 кюри обеспечить мощность дозы 2,5 мкр/сек?

Решение. На расстоянии 1 м 1 кюри Со создает мощность дозы 1,3 р/час=360 мкр/сек (см. задачу 1 на стр. 78). Следовательно, на расстоянии 2 л< от 50 кюри мощность дозы будет равна

360 - = 4,5 103 мкр/сек

и защитный слой должен обеспечить уменьшение дозы в

4,5 10

= 1800 раз.

По формуле (104) находим, что для алюминия и примерно так же для бетона это соответствует уменьшению интенсивности первичных лучей Со (энергия фотонов 1,25 Мэв) в 30 000 раз, а для свинца в 6000 раз. Коэффициент ослабления для лучей кобальта в свинце 0,65 см~, а для бетона (р = 2,3 г1см*) 0,125 см-. , / /

2,3 . 4,48

бетона =--= 83 см, или 190 г/см;

0,125 2,3 3,778

0,65

= 13,4 см, или 150 г/см.

3. Какой толщины должны быть стенки чугунного контейнера для хранения препарата радия в 6,5 г-экв, если при его перевозке обслуживающий персонал будет находиться от него на расстоянии 2 м в течение двух суток?

Решение. Допустимая мощность дозы равна р/час или 0,58 мкр/сек.

Излучение 6,5 г-экв радия на расстоянии 2 м создает мощность дозы

0,84= 1,36 р/час, или 380 мкр/сек,

из них около бЗ/о связаны с компонентами у-лучей, у которых энергия фотонов больше 1 Мэв, и распределяются по отдельным компонентам следующим образом (см. табл. 1 иа стр. 61):

Энергия фотонов, Мзв ... 1,12 1,238 1,379 1,761 2 198 -

Процент по дозе..... 13,1 4,3 4,8 22,9 7,7 53

Мощность дозы в данных

условиях мкр/сек ... 50 16 18 87 29 200 Коэффициент ослабления в

чугуне, CJM-1...... 0,41 0,38 0,36 0,32 0,29 -

Более мягкие компоненты нет смысла учитывать, так как при большой кратности ослабления их вклад будет ничтожным. U 200

Необходимо уменьшить мощность дозы в гтт = 350 раз. Дальнейший под-

0,58

счет удобно вести по энергии, близкой к наиболее интенсивной компоненте, а полученный результат проверить затем по всем компонентам в отдельности. По формуле (104) находим, что уменьшение мощности дозы в 350 раз соответствует iB железе ослаблению первичного излучения в 2500 раз. Коэффициент

ослабления в чугуне (7,2 г/см) равен 0.32 cмr и толщина защиты должна быть равна

2.3-3.4 0.32

Подсчет ослабления каждой компоненты в отдельности показывает, что мощность дозы при такой защите окажется равной 0,47 мкр/сек, что позволяет уменьшить толщину приблизительно иа 5 мм, т. е. ограничиться толщиной 24,5 см.

4. Каков вес контейнера (см. задачу 3), если он представляет собой цилиндр с цилиндрической полостью в середине диаметром 3 см и высотой 3 см} Каков вес контейнера из алюминия с такой же толщиной стенок, выраженной в г/см?

Ответ: 800 кг; 5000 кг.

5. Найти толщину стенок контейнера по условию задачи 3, если материалом служит свинец. Каков вес этого контейнера?

Решение. Так же, как и в задаче 3, необходима толщина, уменьшающая мощность дозы в 350 раз. По формуле (104) находим, что для энергии ~ 1,75 Мэв это приблизительно соответствует слою свинца, ослабляющего первичное излучение в 1000 раз. По формуле (99) находим

2,3 Ig 1000

0,53

2,3 3 0,53

= 13 сл.

Для рассмотренных в задаче 3 компоиеитов коэффициенты ослабления в свинце соответственно равны 0,71; 0,66; 0,61; 0,53; 0,50 см-, что с учетом факторов иакопления (см. табл. 5) дает мощность дозы 0,56 мкр/сек. Вес контейнера 220 кг.

6. 5 кюри Zif находятся за толстой бетонной перегородкой высотой в человеческий рост. Прямые лучи из телесного угла 2 стеррадиана попадают на верхнее перекрытие, находящееся над уровнем головы на высоте 2 м. Определить толщину свинцовой защиты от рассеянного излучения при условии, что мощность дозы рассеянного излучения ие должна превышать 0,25 мкр/сек. Zn испускает у-лучи 1,12 Мэв с выходом 45*/о от числа распадов.

Решение. Мощность дозы от рассеянного излучения при отсутствии защиты будет приблизительно равна мощности дозы от источника, находящегося на расстоянии 2 м, активностью 5-2- 0,57о = 0,05 кюри. По кривой рис. 19 находим Цпог в воздухе для энергии 1,12 Мэв; ?*пог=3,5. 10 смК Мощность дозы на расстоянии 2 м будет равна (80):

1,545 10*

0,05 4,102

0,45 1,12 3,5 10- р/час = 0,95 мкр/сек,

т. е. требуется ослабление рассеянного излучения в

0,95

0,25

= 3,8 раза.

Энергия рассеянных квантов определяется из формулы (105):

1,12

1.12

sin

= 0,21 Мзв-

0,511 2

Для энергии 0,21 Мэв ц свиица равно 10 cм- и, согласно выражению (99), 2,3lg3,8 2,3-0,58

х = -

= 0,135 см X 1,5 мм.