Jakub Ośko Osłony

Osłony

OCHRONA RADIOLOGICZNA 2

Jakub Ośko

Osłabianie promieniowania

elektromagnetycznego

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

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

I₀ I=I₀exp(-µd)

d

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

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)

e

I

I 

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

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

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

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

d

e I

I

 





Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

• Masowy współczynnik osłabienia µ/ρ jest

sumą masowego współczynnika pochłaniania (absorpcji) µ_a/ρ oraz masowego

współczynnika rozpraszania µ_s/ρ.













Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

• 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).

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

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.

w_i – wagowy udział danego pierwiastka w składzie rozpatrywanej substancji,

i/ – masowy współczynnik osłabienia dla tego pierwiastka.









i

w





Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

Przy opisie detektorów i osłon często podawane są grubości ścianek w g/cm2. Należy w takich

przypadkach przyjąć, że chodzi o iloczyn ρd.

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

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”.

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

Warstwa półchłonna (warstwa połowicznego osłabienia) d_½

ang. HVL (half value layer)

warstwa materiału, która powoduje

zmniejszenie intensywności wiązki do połowy pierwotnej wartości

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

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





693 ,

0 2

ln 

1/2  d

Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania

elektromagmetycznego

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 d_½ będzie grubsza od poprzedniej.

Może to być istotne przy obliczaniu osłon.

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

Osłabianie promieniowania

cząstek naładowanych

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.

Spowalnianie cząstek naładowanych

Cząstki naładowane:

– ciężkie (wszystkie oprócz elektronów) – elektrony.

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

Spowalnianie cząstek naładowanych

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.

Spowalnianie cząstek naładowanych

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.

Spowalnianie cząstek naładowanych

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

Spowalnianie cząstek naładowanych

Zanik wiązki :

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

e

N

N 

Zasięg promieniowania

Rodzaj

promieniowan ia

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

Zastosowanie osłon

• Ochrona pracowników przed narażeniem

• Osłona badanej próbki

Osłony

ochrona pracowników

 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

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

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)

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

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)

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

Osłony

zabezpieczenie mierzonej próbki

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

Promieniotwórczość materiałów

• Zanieczyszczenia

– potas – tor

– uran

– długożyciowe produkty rozpadu toru i uranu

Promieniotwórczość materiałów

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

Promieniotwórczość materiałów

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

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

Radionuklidy w powietrzu

• promieniowanie kosmiczne

• radon

• toron

Radionuklidy w powietrzu

Eliminacja:

• szczelna obudowa detektora wypełniona gazem nie zawierającym radonu

• detektory germanowe: otoczenie ciekłym azotem

• wymiana powietrza w pomieszczeniu pomiarowym

Osłony spektrometrów gamma

• Podziemne laboratoria

• Ołowiana osłona detektora

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.

Materiały osłonne

OŁÓW

W przypadku szerokiej wiązki.

Materiały osłonne skolimowana wiązka

a – grubość osłonny [cm]

μ – liniowy współczynnik osłabienia [cm^-1]

e a

k  ^

Materiały osłonne

OŁÓW

• gęstość 11340 kg m^–3

• ²¹⁰Pb, T_1/2 = 20,4 lat

• zanieczyszczenia z opadu atmosferycznego

• radionuklidy z szeregu torowego

Materiały osłonne

BETON

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

Materiały osłonne

STAL

• gęstość 7900 kg m^–3

• tańsza niż ołów

• większe wymiary

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

Materiały osłonne

WOLFRAM

• Z = 74

• gęstość 19 g/cm³

• małe osłony

• kolimatory

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

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

Osłony detektorów neutronowych

• Tło naturalne (wtórne produkty oddziaływania promieniowania kosmicznego)

• Promieniowanie wytwarzane sztucznie

• Osłony dwuwastwowe

Układ antykoincydencji

źródło osłona

Detektor podstawowy detektor

zewnętrzny

Układ rejestruje impuls z detektora podstawowego tylko wtedy, gdy nie

towarzyszy mu impuls z detektora

Dziękuję za uwagę 