Как работает радиационная защита с использованием поглощающих материалов?

Радиация может быть несколькими вещами, но поскольку вы конкретно упомянули о защите от свинца, давайте посмотрим на рентгеновские лучи — многое из того, что вы узнали, применимо и к другим излучениям.

Чтобы остановить излучение, ему нужно взаимодействовать с «чем-то», что заставляет его терять свою энергию и импульс. Вот как вы заставляете излучение перестать двигаться в том направлении, в котором оно шло.

Рентгеновские лучи обычно взаимодействуют с материей (атомами) одним из трех способов:

При низких энергиях возможен фотоэлектрический эффект: энергия излучения полностью поглощается электронами атома, так что фотон «исчезает», и электрон получает всю энергию (за вычетом той энергии, которая была необходима, чтобы оторваться от атома). атом - энергия связи). Электроны не перемещаются очень далеко в веществе, поэтому энергия обычно поглощается, когда происходит фотоэлектрическое взаимодействие. Вероятность этого взаимодействия зависит от энергии фотона и$Z$(атомный номер) атома - выше$Z$означает гораздо более высокую вероятность (я видел$Z^4$отношения, но я не уверен, насколько хорошо они сохраняются и в каком диапазоне.)

Когда энергия фотона увеличивается выше К-края атома, вы получаете доминирующее комптоновское рассеяние: это упругое столкновение между фотоном и электронами в материале, которое приводит к передаче импульса и энергии от фотона к электрон. Знаменитое уравнение Комптона показывает связь между падающей и конечной энергией фотона как:

Где$m_0$- масса покоя электрона и$\theta$угол между падающим фотоном с энергией$E$и конечная энергия$E'$.

Чем больше электронов в вашем материале, тем эффективнее тормозная способность в этом диапазоне (выше 80 кэВ или около того). Вот почему свинец, обедненный уран, висмут, вольфрам и другие подобные материалы хорошо подходят для экранирования.

При очень высоких энергиях можно получить образование пар: фотон (с энергией более 1,022 МэВ) создает пару электрон/позитрон «из воздуха», отдавая 1,022 МэВ энергии (которая превращается в массу образовавшихся частиц). ).

Итак, резюмируем: защита от рентгеновских лучей работает за счет взаимодействия электронов с фотонами. Материалы с более высокой плотностью улучшают вероятность комптоновского рассеяния; более высокий атомный номер увеличивает сечение фотоэлектрического взаимодействия. Обычно говорят о половинной толщине: толщине материала, которая останавливает половину излучения. Поскольку экранирование — это вероятностный процесс, не существует такого понятия, как «идеальное экранирование».

Еще один момент, касающийся плотности экранирующего материала:
в некоторых ситуациях важно остановить излучение на кратчайшем расстоянии. Это происходит, например, в камере-обскуре для излучения (используемой в системах ОФЭКТ), где вы хотите иметь небольшое отверстие для пропуска излучения, но вам нужно остановить все излучение за его пределами. Такое отверстие должно быть изготовлено из самого плотного материала с высоким Z, который только можно найти. Обычно для этого приложения выбирают золото ( http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=949378 ) — добротность здесь представляет собой произведение плотности и удельного сечения рассеяния, линейного коэффициента затухания с единицы$m^{-1}$. Чем больше это число, тем эффективнее материал останавливает излучение на коротком расстоянии. Пара примеров (все значения при 100 кэВ, данные по затуханию с http://physics.nist.gov/cgi-bin/Xcom/xcom2-t ):

symbol   Z  density    sigma   lambda
           (g/cm^3)  (cm^2/g)   (/cm)
  Ir    77   22.5      4.86     109
  Pt    78   21.5      4.99     107
  Au    79   19.3      5.16     100

Как видите, для данного конкретного примера наименьший тормозной путь получается у иридия — потому что хотя он и имеет несколько меньший Z, чем золото, зато имеет значительно более высокую плотность.

Когда вас интересует "объемная радиационная защита", например в ядерных реакторах, то вопрос просто "как получить много защиты за небольшие деньги". Теперь размер экрана не имеет большого значения, и в итоге вы получаете воду — очень дешевый и распространенный материал, способный останавливать радиацию (не только гамма-лучи, но и нейтроны). Это предпочтительный материал для экранирования (отработавшего) реакторного топлива. Возможно, вы видели фотографии светящихся голубым топливных стержней под водой:

источник этого изображения: http://spectrum.ieee.org/image/37182

Свечение — черенковское излучение — возникает из-за того, что частицы движутся «со скоростью больше скорости света». В данном случае это больше скорости света в воде, которая, конечно, меньше скорости света в вакууме из-за показателя преломления воды.

Я хочу сказать, что пока вы ставите «много электронов на пути», вы в конечном итоге остановите гамма-лучи: если вам нужно остановить их на небольшом расстоянии, вам нужен плотный материал с высоким Z, но это не всегда необходимо.

В радиационной защите признано, что сочетание экранирования, расстояния и времени до облучения играет роль в поддержании дозы облучения людей на как можно более низком уровне: ALARA «На разумно достижимом низком уровне».

Напоследок - ссылка на википедию

Есть несколько разных вещей, помеченных как «излучение». Гамма-лучи — это электромагнитное излучение, похожее на видимый свет, но с более высокой частотой. Рентгеновские лучи также являются электромагнитным излучением. Для электромагнитного излучения хорошо экранируют элементы с тяжелыми ядрами. См. эту статью в Википедии о защите от электромагнитного излучения.

Также излучением называют высокоскоростные протоны и атомные ядра.

И высокоскоростные ядра могут сильно различаться по скорости. Высокоскоростные ядра из-за пределов Солнечной системы называются космическими лучами . Они, как правило, намного быстрее, чем высокоскоростные ионы, исходящие от солнечного ветра или поясов Ван Аллена.

Галактические Космические Лучи часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Когда такое высокоскоростное ядро ​​​​или протон сталкивается с массивными ядрами (такими как ядро ​​свинца), это похоже на биток, ломающий стойку на бильярдном столе. У вас есть частицы, которые движутся в разные стороны, образуя вторичные космические лучи . Чтобы избежать этого потока вторичных частиц, желательны атомы с маленькими ядрами. Таким образом, соединения, богатые водородом, могут лучше защищать от GCR. Вода часто предлагается в качестве защиты от GCR.

В двух существующих ответах отмечается, что ЭМ-излучение (рентгеновское, гамма-излучение) эффективно останавливается электронами. Есть по крайней мере 4 других распространенных типа излучения:

1. Альфа-частицы (2 протона, 2 нейтрона - в основном He4 2+)
2. Бета-частицы (один электрон)
3. Нейтроны
4. Ионы (кроме альфа-частиц)

Первые обычно образуются в результате реакций ядерного распада; 4-я категория актуальна, так как входит в состав упомянутых космических частиц. Экранирование у них разное. Альфа довольно легко остановить, как и ионы. Практически любой тонкий слой материи их остановит — сантиметр воздуха уже будет иметь измеримый эффект.

Бета - это электроны, и поэтому многие материалы легко их останавливают. Поскольку они легче, чем альфа, но имеют одинаковую энергию, они путешествуют быстрее. В результате они проникают дальше, чем альфа.

Нейтроны являются лишним, поскольку они электрически нейтральны. Никакое электронное облако не остановит их; их останавливают ядра. Но для этого не нужно особенно тяжелое ядро. Легкие элементы имеют меньше электронных орбиталей и поэтому могут упаковывать больше ядер в заданный объем, что компенсирует тот факт, что каждое ядро ​​меньше.