Interactia radiatiilor nucleare cu substanta

exponentiala asimptota la axa absciselor. este intensitatea fasciculului care cade pe stratul de substanta, iar I intensitatea fasciculului dupa ce strabate distanta x in suprafata.

Atenuarea cu parcurs (fig.6.5.) se caracterizeaza prin aceea ca intensitatea se mentine constanta pe o anumita distanta, ca apoi sa scada foarte repede spre zero. Distanta maxima R parcursa de fascicul in mediul absorbant reprezinta parcursul radiatiei respective in acel mediu. Parcursul depinde de natura particulelor care alcatuiesc fasciculul, de energia lor si de natura mediului absorbant.

Pentru ambele tipuri de atenuare poate fi definita o grosime de strat absorbant numita grosime de injumatatire, ca fiind distanta necesara pentru o atenuare a unui fascicul de radiatie la jumatate din intensitatea fasciculului incident. In cazul atenuarii cu parcurs, grosimea de injumatatire este aproape egala cu parcursul.

1. INTERACTIA CU SUBSTANTA A PARTICULELOR

GRELE, CU SARCINA ELECTRICA

Din aceasta categorie de particule fac parte protonii, deuteronii, particulele si ionii accelerati. Modul principial prin care o particula incarcata, grea pierde energia in substanta este ciocnirea coulombiana neelastica cu atomii substantei respective. Aceste procese de ciocnire neelastica conduc la ionizare respectiv la excitarea atomilor si se produc cu pierdere de energie a particulei incidente. Energia cinetica scade cu fiecare act de ionizare, particula oprindu-se cand energia a scazut astfel incat nu mai este posibila o ionizare suplimentara. Cu cat energia particulelor incidente este mai mare cu atat parcursul lor este mai mare.

Desi ciocnirile elastice ale particulelor cu atomii substantei nu conduc la pierderi de energie, acestea prezinta importanta deoarece produc o imprastiere a particulelor din fasciculul incident, franarea particulelor grele prin interactia acestora cu nucleele substantei devine importanta numai pentru energii suficient de mari, care depasesc bariera coulombiana de potential. Se considera ca pentru particule cu energii sub 50 MeV, interactia cu nucleele poate fi neglijata.

Parcursul R al particulei prin substanta, depinde de energia, masa si sarcina particulei. Parcursul R se defineste prin relatia:

(6.28)

unde este densitatea mediului transferat, iar reprezinta pierderea de energie pe unitatea de lungime.

2. INTERACTIA PARTICULELOR

CU SUBSTANTA

Trecerea electronilor si a pozitronilor prin substanta se deosebeste de trecerea celorlalte particule incarcate, datorita masei mici a electronilor si pozitronilor. Electronul si fasciculul de radiatie, din cauza masei mici, la trecerea prin substanta isi va schimba impulsul la fiecare ciocnire.

In cazul particulelor atenuarea se datoreaza atat imprastierii cat si absorbtiei particulelor. Imprastierea, ea insasi e datorita atat interactiei cu nucleele atomilor din materialul in care se propaga particulele, cat si interactiei cu electronii atomici.

Interactia cu nucleele produce deviatii mari ale particulelor din fasciculul incident, pe cand pierderea de energie este datorata, in special, interactiei cu electronii.

Absorbtia se datoreste ionizarii atomilor din mediul strabatut de fascicul. Pierderea de energie a electronilor datorita fenomenelor de ionizare si excitare este valabila pentru electroni cu energia . Electronii cu energii mai mari decat pierd o parte insemnata din energia lor prin radiatie, adica prin emisia unei radiatii X cu spectru continuu (radiatia X de franare).

Prin suprapunerea diferitelor fenomene care conduc la atenuarea particulelor se obtine o atenuare de tip exponential, descrisa de legea:

(6.29)

unde este intensitatea fasciculului incident, x grosimea stratului strabatut, coeficientul de absorbtie liniara.

Curba ce reprezinta aceasta variatie (fig.) este, deci, o curba exponentiala, care nu este asimptota la axa absciselor, ci o intalneste intr-un punct a carui abscisa R reprezinta parcursul fasciculului in mediul absorbant.

In cazul electronilor de o anumita energie se defineste parcursul maxim, adica grosimea minima de substanta care opreste toti electronii.

In principiu protectia impotriva fasciculelor de radiatii si nu prezinta dificultati deosebite, deoarece parcursul acestor radiatii in substanta este redus. Practic insa, problema nu este simpla. Astfel, de exemplu, radiatiile energice, in special cele de la acceleratoarele de particule, dau nastere unei puternice radiatii de franare, care fiind de natura electromagnetica, are mare putere de patrundere si necesita pentru protectie, ecrane de plumb. O ameliorare a situatiei poate fi obtinuta prin inconjurarea surselor intense si de energii mari, cu straturi din materiale cu Z mic (de exemplu, materiale plastice), deoarece intensitatea radiatiei de franare este proportionala cu .

3. INTERACTIA RADIATIEI

CU SUBSTANTA

Interactia fotonilor cu substanta, desi este de natura electromagnetica se deosebeste de interactia particulelor incarcate.

Fotonii nu au sarcina si deci nu sufera actiunea fortelor coulombiene. Pe de alta parte, ei nu au masa de repaus, deplasandu-se cu viteza luminii. De aceea nu se vorbeste de incetinirea cuantelor cu substanta. Ei sunt absorbiti de substanta sau imprastiati la unghiuri mari, cu modificare lungimii de unda.

Absorbtia radiatiilor in substanta este datorata in principal urmatoarelor efecte: efectul fotoelectric, efectul Compton si crearea perechii electron-pozitron in campul altei particule din substanta.

a.     Efectul fotoelectric este procesul in care atomul absoarbe un foton si emite un electron. Procesul se petrece cu conservarea impulsului.

(6.30)

, este impulsul electronului iar impulsul atomului de recul si a energiei:

(6.31)

este energia cinetica a electronului, energia de recul , energia de ionizare a atomului. Efectul fotoelectric se caracterizeaza prin sectiunea eficace , care are urmatoarele proprietati:

1.     Este proportionala cu , deci creste foarte rapid in cazul elementelor grele, de aceea protectia impotriva radiatiilor se realizeaza din substante cu Z mare;

2.     Pentru energii mult mai mari decat energia de legatura, aceasta scadere devine putin rapida, fiind proportionala cu in regiunile in care energia fotonilor este egala cu energiile de legatura de pe paturile prezinta salturi bruste. In felul acesta absorbtia prin efect fotoelectric este importanta pentru energii mici ale fotonilor devenind neglijabila pentru energii foarte mari.

3.     Efectul Compton devine preponderent in interactia radiatiei cu substanta cand energia fotonilor depaseste energia de ionizare si in cazul materialelor cu z mic. In urma imprastierii Compton fotonul isi modifica lungimea de unda dupa relatia:

(6.32)

iar energia cinetica a fotonului difuzat este:

(6.33)

fotoelectronii sau electronii de recul Compton vor ioniza substanta si vor fi incetiniti;

4.     Producerea de perechi electron-pozitron, reprezinta procesul de absorbtie al fotonului in campul unui nucleu si emisia unui electron si a unui pozitron.

Nucleul va primi un recul, insa energia cinetica acestuia se neglijeaza in bilantul energetic al procesului

(6.34)

Fotonul se transforma in perechea electron-pozitron numai daca energia sa depaseste suma energiilor de repaus ale electronului si pozitronului.

(6.35)

Se constata ca formarea perechilor poate avea loc numai in vecinatatea unui nucleu sau a unui electron. Acest lucru este impus de legea conservarii impulsului. Prezenta nucleului sau a electronului face posibila formarea de perechi deoarece, in acest caz, energia si impulsul cuantei se distribuie in trei particule fara sa se incalce legile de conservare.

Sectiunea eficace de producere a perechilor este proportionala cu practic pentru intreg domeniul de energii.

Pentru cuantele , deoarece ele sunt absorbite sau putin sunt scoase din fascicul intr-o singura interactie, nu exista notiunea de parcurs. Ca rezultat al interactiilor, intensitatea fasciculului scade pe masura ce creste grosimea stratului strabatut. Scaderea intensitatii fasciculului de radiatii la trecerea printr-un strat de grosime dt.

Daca tinem seama de principalele efecte de interactie a radiatiei, coeficientul de atenuare se va putea scrie ca o suma de trei coeficienti corespunzatori, respectiv efectului fotoelectric, efectul Compton si procesul de formare de perechi.

(6.37)

Coeficientul de absorbtie fotoelectric

unde n este numarul de atomi din unitatea de volum, iar sectiunea eficace de producere a fotoelectronilor.

Coeficientul de impartire Compton este:

unde este numarul de nuclee din unitatea de volum.

Pentru ecranarea fluxurilor de radiatii si x, sunt necesare materiale cu Z mare. In laboratoarele de radioizotopi, cel mai folosit material de ecranare este plumbul, deoarece are o capacitate suficienta de ecranare pentru majoritatea cazurilor intalnite in mod obisnuit. In cazul cand sunt necesare ecrane de dimensiuni mari se utilizeaza betoanele grele preparate cu barita, cu oxizi de fier, sau chiar cu deseuri de fier. Pentru aparate speciale de dimensiuni mici, la care ecranul trebuie sa aiba dimensiuni reduse, se pot utiliza wolframul sau uraniul metalic care au o densitate mult mai mare decat plumbul si in consecinta un coeficient de atenuare a radiatiilor mai mare.

In cazurile in care trebuie sa se permita conducerea operatiilor tehnologice efectuate asupra radioizotopilor (de exemplu la manipularea barelor de combustibil), ecranul este transparent, constituit dintr-un strat gros de apa. Pentru vizoarele de la camerele fierbinti (incaperi in care este prezent pericolul de iradiere externa puternica, se utilizeaza sticla groasa cu densitatea mare fabricata cu un adaos substantial de plumb.

4. INTERACTIA NEUTRONILOR

CU SUBSTANTA

Se poate considera ca forma fundamentala de interactie a neutronilor cu substanta este interactia neutronilor cu nucleele substantei respective.

Neutronii, neavand sarcina electrica, patrund in nucleu, deoarece nu sunt impiedicati de bariera coulombiana de potential, ca particulele purtatoare de sarcina electrica.

Principalele tipuri de interactie cu nucleul sunt: imprastierea elastica , imprastierea inelastica , reactiile nucleare , reactiile de fisiune , captura radioactiva .

In mod obisnuit se defineste o sectiune eficace totala care caracterizeaza toate tipurile de interactiune ale neutronilor cu nucleele

Atenuarea fasciculului de neutroni se face dupa legea:

(6.38)

unde este intensitatea fasciculului initial, numarul de nuclee din unitatea d volum, x distanta strabatuta in strat.

5. MARIMI DOZIMETRICE

Dozimetria se ocupa cu estimarea cantitativa a gradului de iradiere a substantei sub actiunea radiatiilor nucleare. Unitatile dozimetrice utilizate sunt specifice procesului de producere a radiatiilor, naturii lor si efectelor pe care le produc.

Se introduc, de asemenea, unitati speciale pentru calculul actiunii biologice a radiatiei.

1.     Expunerea sau doza de ioni reprezinta cantitatea de sarcina electrica produsa de radiatia ionizanta in unitatea de masa. De regula, considera expunerea in aer in conditii normale de temperatura si presiune. Se masoara in . Unitatea tolerata este rontgen , cea mai veche unitate de masura pentru doza de iradiere. Rontgenul este definit prin cantitatea de radiatii X sau care produce intr-un kilogram de aer uscat, in conditii normale, un numar de perechi de ioni care poarta o sarcina de

Debitul expunerii este raportul intre expunere si durata expunerii.

Se masoara in . Unitatea tolerata este .

2.     Doza absorbita este energia absorbita in unitatea de masa in mediul supus actiunii unei radiatii nucleare.

Se masoara in gray, unitatea de masura adoptata in SI

Unitatea tolerata este rad-ul, care corespunde unei cantitati de energie de retinuta intr-un kg.

3.     Doza de debit absorbita masoara energia absorbita in unitatea de masa a substantei iradiate, in unitatea de timp.

Unitatile de masura sunt si .

Doza absorbita si doza debit sunt marimi care se utilizeaza direct la fascicule si de electroni. Particulele grele incarcate si neutronii care pot produce reculuri ale ionilor, au un efect distructiv al tesutului, mai mare decat al fotonilor, pentru aceeasi doza absorbita. S-a corelat astfel biologic cu transferul linear de energie. Prin transferul liniar de energie se intelege energia absorbita intr-un volum cu o raza specifica de-a lungul traiectoriei particulei. Marimea care ia in consideratie transferul liniar de energie si alti factori de distributie este echivalentul de doza sau doza biologica.

4.     Echivalentul de doza reprezinta doza absorbita intr-un tesut supus la o radiatie oarecare, care produce acelasi efect biologic ca o doza absorbita corespunzatoare unei radiatii X

unde Q este factorul de calitate corespunzator tipului de radiatie. Astfel pentru radiatia si X, pentru neutroni rapizi si ioni grei si pentru particule .

Unitatea de masura in SI a primit denumirea de sievert (Sv). Un este doza echivalenta pentru tesutul iradiat cu radiatii avand factorul de calitate , atunci cand doza absorbita in acel tesut este gray.

Se mai foloseste ca unitate de masura rem (rontgen equivalent man).

Doza echivalenta este presupusa a avea un caracter cumulativ. Pentru intreg corpul este permisa o iradiere profesionala de saptamana.

5.     Echivalentul dozei efectiv (EDE) reprezinta echivalentul de doza la iradierea unui tesut ce produce acelasi efect biologic ca si iradierea uniforma a intregului corp. spre exemplu, o doza tiroidiana de produce acelasi efect (cancer) ca si o doza de pentru iradierea intregului corp.

6.     Doza angajata reprezinta echivalentul dozei absorbite datorita unui radionuclid pentru un timp total de 50 de ani dupa emisia acestuia in mediul ambiant.

7.     Doza colectiva reprezinta echivalentul dozei efective insumat pentru toata populatia supusa actiunii radiatiei ionizate. Se masoara in om Sv.

8.     Factorul de risc este numarul de cazuri letale pentru o unitate de doza angajata per om (cazuri Sv an).

Comisia Internationala de Protectie Radiologica (ICRP) recomanda ca limita anuala pentru public valoarea de (corespunzator unui risc de deces anual de , mai mic decat alte cauze naturale). Se permite ca doza primita accidental intr-un an sa fie de , cu conditia ca media anuala pe toata durata de viata sa fie de .

Privitor la doza limita anuala pentru personalul din energetica nucleara, tendinta mondiala este de a misca vechile recomandari. Astfel in SUA, Comisia Internationala de Protectie Radiologica pastreaza valoarea de , dar o considera valabila ca o maxima, impunand conditia ca doza acumulata sa nu depaseasca produsul intre varsta si , iar doza medie anuala sa se limiteze la .

Legislatiile din multe tari mai prevad limitari speciale pentru populatia din zonele aferente centralelor nucleare unde, in afara de iradierea datorita emisiunilor de rutina, mai exista un risc probabil datorat incidentelor si accidentelor. In majoritatea tarilor, pentru populatia maxim expusa in zonele adiacente CNE, echivalentul dozei efective datorate CNE este limitat la valoarea .

Relativ la expunerile probabile datorita accidentelor la CNE, se prevede limitarea riscului la valori sub cele pe care publicul le suporta datorita cauzele naturale.

Recent Agentia Internationala pentru Energia Atomica (AIEA) recomanda ca riscul maxim pentru public sa fie limitat la (1 deces anual per , datorat activitatilor energeticii nucleare). Din aceasta cerinta rezulta ca o centrala nucleara trebuie proiectata astfel ca un accident major in care publicul primeste o doza sa nu se intample cu o probabilitate mai mare de an. Referitor la un anumit tip de accident, se recomanda ca probabilitatea acestuia sa nu depaseasca an, daca el genereaza scapari radioactive masive in mediu.

Aplicatii

1. Sa se calculeze defectul de masa si energia de legatura a nucleului de . Sa se calculeze energia de legatura ce revine unui singur nucleon. Se cunosc: , , .

Rezolvare

Se utilizeaza expresia defectului de masa a unui nucleu:

(1)

Energia de legatura a unui nucleu se exprima astfel:

Energia de legatura pe nucleon se defineste prin relatia:

.

2. Sa se determine constanta radioactiva a radioizotopului stiind ca in timp de o ora numarul de nuclee radioactive se micsoreaza cu 3,8 %. Elementul derivat in urma dezintegrarii este stabil.

Rezolvare

Se aplica legea dezintegrarilor radioactive

(1)

(2)

.

3. Intensitatea unui fascicul ingust de radiatii scade de opt ori dupa ce strabate un strat de plumb de grosime . Sa se calculeze grosimea stratului de plumb ce reduce intensitatea fasciculului incident la jumatate.

Rezolvare

Se aplica legea de atenuare a radiatiilor :

(1)

(2)

.