Материал: 4.3 BOOK
76
Продукт
40
К Бк/кг
Хлеб
56
Горох
210
Мука
30
Соя
440
Чай
740
Представленная выше информация позволяет провести расчет
средней годовой эффективной дозы на среднестатистического
жителя, проживающего на территории с плотностью загрязнения
137
Cs σ (кБк/м
2
).
Годовая суммарная эффективная доза:
.
.
внутр
внешн
сум м
D
D
D
Годовая эффективная доза внешнего облучения:
ext
внешн
k
D
.
, где
k
ext
=1,2
10
-3
2
м
кБк
год
мЗв
– пересчетный коэффициент от плотности
загрязнения территории к дозе.
Годовая эффективная доза внутреннего облучения:
j
j
j
j
внутр
q
m
k
D
int
.
, где
k
int
=1,2
10
-5
кг
Бк
год
мЗв
– пересчетный коэффициент от годовой
потребленной активности
137
Cs в продуктах питания к дозе;
q
j
– удельное содержание
137
Cs в j-ом продукте питания (Бк/кг);
ε
j
– коэффициент снижения активности при кулинарной обработке
(отн. ед.)
m
j
– годовое потребление j-го продукта среднестатистическим
жителем (кг/год) (см. таблица 6.6);
Таблица 6.6 – Годовое потребление основных продуктов питания
среднестатистическим жителем
Вид продукта
Годовое потребление 1
жителем (кг/год)
Удельная активность,
Бк/кг
ε
j
, отн. ед.
Доза, мЗв/год
Хлеб
105
10
1
0,014
Картофель
230
15
1
0,045
Молоко
260
40
1
0,135
Говядина
6
120
1
0,009
Свинина
50
35
1
0,023
Грибы
4
5000
2
0,130
77
Ягоды
4
1000
2
0,026
Годовая коллективная доза:
N
D
D
сумм
колл
.
, где N – численность населения.
Пример
Среднее значение плотности загрязнения
137
Cs условного
населенного пункта равно σ = 370 кБк/м
2
(10 Ки/км
2
). Численность
населения – 1000 жителей. Значения удельной активности продуктов
питания приведены в таблице 6.7.
Таблица 6.7 – Значения удельной активности продуктов питания
Вид продукта
Удельная активность, Бк/кг
ε
j
, отн. ед.
Хлеб
10
1
Картофель
15
1
Молоко
40
1
Говядина
120
1
Свинина
35
1
Грибы
5000
2
Ягоды
1000
2
ext
внешн
k
D
.
= 1,2
10
-3
370 = 0,444 мЗв/г.
j
j
j
j
внутр
q
m
k
D
int
.
= 1,3
10
-5
(105
10+230
15+260
40+
+6
120+50
35+4
5000/2+4
1000/2) = 0,382 мЗв/г.
.
.
внутр
внешн
сум м
D
D
D
= 0,444+0,382 = 0,826 мЗв/г.
N
D
D
сум м
колл
.
= 0,826
1000 = 826 чел.–мЗв = 0.826 чел.–Зв.
78
7
Взаимодействие заряженного излучения с
веществом
7.1
Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом
7.2
Взаимодействие β-частиц с веществом
Излучение, проходя через вещество, взаимодействует с атомами
(молекулами), ядрами и электронами. Взаимодействие того или
иного вида излучения с веществом имеет свои особенности как по
физическим процессам, так и по вероятности протекания этих
процессов. Оно зависит от заряда, массы и энергии частиц, а также
от свойств самого вещества.
Большинство заряженных частиц и γ-квантов взаимодействует с
атомными электронами. Заметное взаимодействие этих частиц с
ядрами наблюдается только при высоких энергиях.
Эти особенности взаимодействия излучения с веществом
вытекают из строения атома. Ядро в атоме занимает:
(R
Я
/R
АТ
)
~
(10
–12
/10
–8
)
3
=
10
–12
часть объема.
Следовательно, вещество представляет собой очень редкую
решетку. В узлах такой решетки расположены ядра, а в пространстве
между ядрами движутся атомные электроны. Электрическое поле
атомных электронов экранирует электрическое поле ядра. По этой
причине
большинство
заряженных
частиц
и
γ-квантов
взаимодействует с электрическим полем электронов. Заряженные
частицы взаимодействуют с электрическим полем ядра только тогда,
когда они движутся около ядра. Однако вероятность такого события
очень мала.
7.1
Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с
веществом
К тяжелым заряженным частицам (в дальнейшем кратко –
частицы) относят ядра и ионы атомов (протоны, дейтоны и т.д.),
массы которых в тысячи раз больше массы электрона. Известно
большое число радиоактивных изотопов, при распаде которых
образуются α-частицы. Такие α-излучатели испускают обычно ряд
энергетических групп α-частиц с энергиями E
9 МэВ и
характеризуются
небольшой
интенсивностью
излучения.
Источниками высокоинтенсивных потоков частиц (протонов,
79
дейтонов, α-частиц, ионов атомов) с энергиями от нескольких
мегаэлектронвольт до 76 ГэВ являются различные ускорители
(генератор Ван–де–Граафа, циклотрон, синхротрон, фазотрон,
синхрофазотрон и т. д.).
Для всех тяжелых заряженных частиц физические процессы
взаимодействия с веществом однотипны. Двигаясь в веществе,
частицы испытывают электрические взаимодействия (столкновения)
с электронами, в процессе которых частицы постепенно
замедляются, останавливаются и нейтрализуются, присоединяя к
себе электроны.
Атомные электроны, получив от частицы во время столкновений
порции энергии, либо вырываются из атома, либо переходят на более
высокую орбиту. Иначе говоря, движущаяся частица ионизирует и
возбуждает атомы (молекулы), расположенные вдоль ее траектории.
При ионизации атома возникает ионная пара, состоящая из
положительного иона атома и отрицательного иона–свободного
электрона. Потери энергии частицей на ионизацию и возбуждение
атомов называют ионизационными.
Число возбужденных атомов, образуемых частицей в веществе, в
несколько раз больше числа ионизированных атомов. При полном
замедлении частицы суммарная потеря энергии на ионизацию Е
1
и
возбуждение Е
2
атомов равна начальной кинетической энергии
частицы:
Е
=
Е
1
+Е
2
Если в процессе замедления частицы возникло N ионных пар, то
средняя энергия, затрачиваемая частицей в веществе на образование
одной ионной пары:
N
E
N
E
è
2
(7.1)
Величину ε называют энергией образования ионной пары. Она
больше энергии ионизации атома ε
и
=E
1
/N примерно в два раза.
Энергия образования ионной пары определяется природой газа
(таблица 7.1) и мало зависит от типа и энергии частиц.
Чтобы найти число ионных пар, возникающих при полном
торможении частицы в веществе, необходимо кинетическую
энергию частицы разделить на соответствующее значение ε. Потери
энергии частицей в веществе характеризуются удельной потерей
энергии Е
и
, которую иначе называют тормозной способностью
вещества. Она равна изменению кинетической энергии частицы на
80
единице пути в веществе и измеряется в единицах электронвольт на
1 см (эВ/см).
Таблица 7.1 – Энергия образования ионной пары и энергия
ионизации атомов (молекул) для некоторых чистых газов
Газ
Энергия
образования
ионной пары, эВ
Энергия
ионизации, эВ
Газ
Энергия
образования
ионной пары, эВ
Энергия
ионизации, эВ
Не
42,7
24,56
О
2
32,5
12,2
Ne
36,8
21,56
N
2
36,6
15,51
Аг
26,4
15,76
СН
4
29,2
13,04
Кг
24,1
14,00
С2Н2
27,5
11,35
Хе
21,9
12,13
С2Н
6
26,6
11,76
Н
2
36,3
15,43
С
2
Н
4
28,0
10,51
С0
а
34,5
13,73
Воздух
35,5
Частица с зарядом q действует на электрон с кулоновской силой:
F = a
q
e/r
2
(7.2)
где r – расстояние между частицей и электроном, изменяющееся
во времени;
а – коэффициент пропорциональности.
Частица взаимодействует с электроном в основном на отрезке
траектории, расположенном на самом близком расстоянии от
электрона. Время движения частицы на этом отрезке, а,
следовательно, и время взаимодействия частицы с электроном
зависит от энергии частицы. Чем быстрее движется частица, тем
короче время взаимодействия и тем меньше порция энергии,
передаваемая
электрону.
Пролетая
сквозь
атом,
частица
взаимодействует только с одним–двумя электронами.
На единице пути число столкновений частицы пропорционально
плотности электронов. Так как в каждом атоме Z электронов, то:
N
e
=
ZN,
(7.3)
где N – плотность атомов, равная числу атомов в единице объема
вещества.
Число ионных пар, образуемых частицей на единице пути,
называют удельной ионизацией N
уд
. Она равна удельной потере
энергии, деленной на энергию образования ионной пары:
N
уд
=
Е
и
/ε
(7.4)
Так как величина ε слабо зависит от энергии частицы, то удельная
ионизация изменяется с увеличением энергии пропорционально
удельным потерям энергии.