OCHRONA RADIOLOGICZNA 2. Osłony. Jakub Ośko

Transkrypt

1 OCHRONA RADIOLOGICZNA 2 Osłony Jakub Ośko

2 Osłabianie promieniowania elektromagnetycznego 2

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 3

4 Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania elektromagmetycznego d I 0 I=I 0 exp(-µd) 4

5 Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania elektromagmetycznego Dla wiązki monoenergetycznej: I I 0 e d I natężenie wiązki fotonów, która przeszła przez warstwę materiału; I 0 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) 5

6 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. 6

7 Pochłanianie i rozpraszanie promieniowania elektromagmetycznego I I 0 e d 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. 7

8 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. a s 8

9 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). 9

10 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 i w i wagowy udział danego pierwiastka w składzie rozpatrywanej substancji, i/ masowy współczynnik osłabienia dla tego pierwiastka. i 10

11 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. 11

12 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. 12

13 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 13

14 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. d 1/2 ln 2 0,693 14

15 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. 15

16 Warstwa półchłonna Energia promieniowa nia gamma Grubość warstwy wody [cm] (o gęstości 1,0 g /cm 3 ) dla krotności osłabienia Grubość warstwy ołowiu [cm] (o gęstości 11,7 g/cm 3 ) dla krotności osłabienia k = 2 k = 100 k = 2 k = kev 0,86 5,69 0, , kev 3,37 22,37 0,0122 0, kev 4,06 26,98 0,0110 0, kev 4,61 30,60 0,0303 0, kev 5,84 38,83 0,152 1, 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 16

17 Osłabianie promieniowania cząstek naładowanych 17

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. 18

19 Spowalnianie cząstek naładowanych Cząstki naładowane: ciężkie (wszystkie oprócz elektronów) elektrony. Najlżejsza z ciężkich cząstek naładowanych, czyli proton, jest ok razy cięższa od elektronu (pomijając miony). 19

20 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. 20

21 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. 21

22 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 22

23 Spowalnianie cząstek naładowanych Zanik wiązki : N N 0 e d µ β liniowy współczynnik osłabienia dla danego izotopu promieniowania β i danego materiału. 23

24 Zasięg promieniowania Rodzaj promieniowan ia Energia [MeV] elektrony Zasięg w powietrzu [cm] Zasięg w wodzie [cm] 0, ,5 5,2 promieniowanie β 60 Co 40 K 0,306 1, ,08 0,58 promieniowanie alfa ,57 3,15 7,09 Poniżej 0,01 24

25 Zastosowanie osłon Ochrona pracowników przed narażeniem Osłona badanej próbki 25

26 Osłony ochrona pracowników 26

27 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. 27

28 Rodzaje osłon 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. 28

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) 29

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 Z 2 ) - dla źródeł emitujących promieniowanie β oraz γ często rezygnuje się z oddzielnej osłony przed promieniowaniem β 30

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) 31

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 32

33 Osłony zabezpieczenie mierzonej próbki 33

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 34

35 Promieniotwórczość materiałów Zanieczyszczenia potas tor uran długożyciowe produkty rozpadu toru i uranu 35

36 Promieniotwórczość materiałów Materiał Aktywność [Bq/g] 232 Th 238 U 40 K 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 36

37 Promieniotwórczość materiałów Materiał Apiezon Q (smar mineralny Aktywność [Bq/g] 232 Th 238 U 40 K 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) 37

38 Radionuklidy w powietrzu Radon 222 Rn i toron 220 Rn krótkożyciowe gazy produkty rozpadu uranu i toru koncentracja w powietrzu zależy od pory dnia i warunków meteorologicznych 38

39 Radionuklidy w powietrzu promieniowanie kosmiczne radon toron 39

40 Radionuklidy w powietrzu Eliminacja: szczelna obudowa detektora wypełniona gazem nie zawierającym radonu detektory germanowe: otoczenie ciekłym azotem wymiana powietrza w pomieszczeniu pomiarowym 40

41 Osłony spektrometrów gamma Podziemne laboratoria Ołowiana osłona detektora 41

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. 42

43 Materiały osłonne OŁÓW W przypadku szerokiej wiązki. 43

44 Materiały osłonne skolimowana wiązka k e a a grubość osłonny [cm] μ liniowy współczynnik osłabienia [cm -1 ] 44

45 Materiały osłonne OŁÓW gęstość kg m Pb, T 1/2 = 20,4 lat zanieczyszczenia z opadu atmosferycznego radionuklidy z szeregu torowego 45

46 Materiały osłonne BETON 46

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 40 K uran produkty opadu atmosferycznego 47

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) 48

49 Materiały osłonne WOLFRAM Z = 74 gęstość 19 g/cm 3 małe osłony kolimatory 49

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 50

51 Promieniowanie alfa Materiał Cząstki alfa / cm 2 / 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 / dm 3 / h 51

52 Osłony detektorów neutronowych Tło naturalne (wtórne produkty oddziaływania promieniowania kosmicznego) Promieniowanie wytwarzane sztucznie Osłony dwuwastwowe 52

53 Układ antykoincydencji źródło osłona detektor zewnętrzny Detektor podstawowy Układ rejestruje impuls z detektora podstawowego tylko wtedy, gdy nie towarzyszy mu impuls z detektora zewnętrznego. 53

54 Dziękuję za uwagę 54