Развитие ядерной физики в большой степени определяется созданием ускорителей.
Функции B1
Эти установки в настоящее время способны воспроизводить все известные виды излучений в широком диапазоне энергий, вплоть до 3-1010 эв. На рис. 2.5 показаны темпы в достижении максимальной энергии частиц на различных типах ускорителей. Большое разнообразие ускорительных установок, широкий диапазон энергии частиц и используемых мишеней приводит к необходимости в целях унификации решения вопросов защиты выделить четыре группы ускорительных установок. Характерные отличительные стороны каждой группы приведены в табл. 2.7. Следует отметить некоторую условность разделения ускорительных установок на группы. В особенности это замечание относится к разделению ускорителей по энергиям ускоряемых частиц.
Рис. 2.5. Темпы в достижении максимальной энергии частиц на ускорителях различных типов с 1930 по 1964 г.:
1 — синхротроны с жесткой фокусировкой; 2 — синхротроны со слабой фокусировкой; 3 — линейные ускорители электронов; 4 — электронные синхротроны; 5 — синхроциклотроны; 6 — линейные ускорители протонов; 7— бетатроны; 8 — электростатические генераторы; 9 — циклотроны.
Например, ускорители электронов на 20 и 40 Мэв могут несущественно отличаться друг от друга по защите, однако согласно таблице их следует относить к разным группам. Из табл. 2.7 следует, что ускоренные частицы не определяют размеры защитных экранов. По этой причине основное внимание при расчете защиты должно быть уделено вторичной радиации, образующейся при взаимодействии ускоренных частиц с веществом деталей ускорителя, мишеней и защиты (табл. 2.8).
Рассмотрим качественную картину образования вторичной радиации для каждой группы ускорителей.
1-я группа. Гамма-излучение * возникает при столкновении электронов с ядрами. Электроны одной и той же энергии при торможении образуют кванты различной энергии вплоть до энергии электрона. При этом вероятность образования квантов зависит сложным образом от их энергии. Пример спектра тормозного излучения приведен на рис. 2.6.
* Правильнее было бы называть это излучение тормозным.
В принципе электроны с любой энергией, даже очень малой, при взаимодействии могут образовывать гамма-излучение.
Группы ускорительных установок и их характеристика как источников излучения
Вид ускоренных частиц | Электроны | Тяжелые заряженные частицы | ||
Энергия ускоренных частиц, Мэе | До 30 | Свыше 30 | До 30 | Свыше 30 |
Группы | 1 | 2 | 3 | 4 |
Виды излучений, определяющие биологическую дозу до защиты | Гамма-излучение, пучки электронов | Гамма-излучение, пучки электронов | Гамма-излучение, быстрые нейтроны (0,5 <£„<20 Мэе) | Нейтроны, пучки протонов |
Виды излучений, определяющие размеры защитных экранов | Гамма-излучение, быстрые нейтроны | Гамма-излучение, нейтроны высоких энергий (Еп > 20 Мэе) | Быстрые нейтроны | Нейтроны высоких энергий, мю-мезоны |
Наличие наведенной радиоактивности | Редко | Часто | Часто | Всегда |
Наименование ускорительных установок | Бетатроны, микротроны, электростатические генераторы | Бетатроны, синхротроны, линейные ускорители | Электростатические генераторы, циклотроны, линейные ускорители | Синхроциклотроны, мезонные генераторы, синхрофазотроны, протонные синхротроны, синхротроны с переменным градиентом |
Элементарные частицы и их свойства
Однако, если энергия электронов ниже 1 Мэв, энергия квантов и их выход — число квантов или интенсивность на один электрон
таковы, что задача защиты от тормозного излучения не представляется сколько-нибудь сложной. Иначе обстоит дело, когда электроны с энергиями более 10 Мэв взаимодействуют с веществом. В этом случае значительная часть энергии электронов Ев переходит в энергию квантов, а спектр квантов становится настолько жестким, что для ослабления дозы излучения в два раза требуется слой бетона толщиной 0,1—0,15 м. Общая толщина защиты может составлять 2—3 м бетона при плотности 2300 кг/м3.
Рис. 2.6. Энергетический спектр тормозного излучения.
При прохождении электронов с энергией 30 Мэв через вещество образующееся гамма-излучение в свою очередь способно при взаимодействии практически со всеми элементами создавать быстрые нейтроны, спектр которых подобен спектру нейтронов деления, однако смещен на 0,5—1 Мэв в сторону больших энергий. Для мишеней из легких элементов (Z < 30) выход быстрых нейтронов сравнительно мал (<5·10-3 нейтронов на 1 электрон) и защита полностью определяется гамма-излучением. Исключением могут быть случаи, когда защита выполняется из материала, плохо ослабляющего поток промежуточных нейтронов (железо, свинец). Для тяжелых мишеней (Bi, U) выход нейтронов достаточно высок (~25-10-3 нейтронов на 1 электрон), и даже защита, выполненная из бетона, при некоторых условиях может полностью определяться нейтронами. Наличие наведенной в мишенях радиоактивности в сильной степени зависит от вещества мишени. Если ядра элементов мишени после удаления из них нейтрона в результате фотоядерной реакции становятся радиоактивными, то активность мишеней может достигать значений нескольких кюри притоке электронов в десятки микроампер.
2-я группа. Во второй группе особая роль отводится нейтронам при решении вопросов защиты. По мере увеличения энергии электронов возрастает не только выход быстрых нейтронов, но появляются сверхбыстрые нейтроны. Такие нейтроны имеют большую проникающую способность и, как правило, определяют толщину защитных экранов. Отличительная черта второй группы — слабая зависимость выхода быстрых нейтронов от вещества мишени и то обстоятельство, что выход сверхбыстрых нейтронов несколько уменьшается с увеличением Z.
При расчете защиты для ускорителей электронов на энергии более 10 Гэв необходимо учитывать мю-мезоны высоких энергий. Особенность этих частиц в том, что они слабо взаимодействуют с веществом, проходя огромную толщину защиты.
3-я группа. Эта группа объединяет ускорители протонов, дейтронов, альфа-частиц и многозарядных ионов с энергиями до 30 Мэв на один нуклон (протон или нейтрон) ускоряемых частиц. Основным компонентом вторичной радиации, определяющим защиту, являются быстрые нейтроны. Положение максимума в энергетическом распределении нейтронов определяется в основном энергией реакции Q, которая выделяется или поглощается при вылете нейтронов из ядра. Например, при бомбардировке дейтерия ядрами трития Q равно 17,6 Мэв и максимальное количество нейтронов на единичный интервал энергии имеет энергию, приблизительно равную этой величине. Пространственное распределение нейтронов зависит для данной реакции от угла Θ между направлением ускоренной частицы, падающей на мишень, и направлением вылета нейтрона. Максимальная плотность потока нейтронов наблюдается в направлении Θ = 0 и минимальная — при
. Отношение максимальной плотности потока к минимальной равно — 10 [9]. Выход нейтронов зависит от вещества мишени, типа ускоренной частицы и ее энергии и увеличивается при увеличении энергии до 10~2 нейтронов на 1 частицу. Более подробно этот вопрос изложен в разд. 2.4. Работа ускорителей 3-й группы сопровождается гамма-излучением, возникающим при неупругом взаимодействии ускоренных частиц или нейтронов с ядрами или при торможении электронов. Тормозное излучение электронов определяет дозу излучения на электростатических генераторах и линейных ускорителях. Наведенная радиоактивность в наибольших количествах образуется на циклотронах и достигает —10 кюри.
4- я группа. Отличительная особенность этой группы ускорителей — возникновение в значительных количествах сверхбыстрых нейтронов (до 10 нейтронов на 1 протон) наряду с быстрыми нейтронами. Выход сверхбыстрых нейтронов в незначительной степени зависит от вещества толстых мишеней, а определяется в основном энергией ускоренных протонов, увеличиваясь с увеличением энергии. Угловое распределение нейтронов с энергиями более 20 Мэв в сильной степени анизотропно. Максимальная плотность потоков сверхбыстрых нейтронов из мишеней наблюдается в направлении движения ускоренной частицы. Спектр нейтронов сплошной и простирается от долей Мэв до энергии ускоренных частиц.
V Особую проблему в защите ускорителей протонов с энергией выше 10 Гэв представляют мю-мезоны, образующиеся при распаде на лету пи-мезонов высоких энергий. При некоторых условиях мю-мезоны могут пройти защиту, достаточную даже для нейтронов. Эти условия определяются энергией и потоком ускоренных протонов, падающих на мишень, а также расстоянием от мишени до защиты. Проблема защиты от мю-мезонов решается тем проще, чем меньше расстояние от источников пи-мезонов до защиты, которой могут служить, в частности, детали камеры, магниты и оборудование ускорительных установок. При малых расстояниях лишь небольшая часть пи-мезонов успевает распадаться на мю- мезоны и нейтрино, а основное количество пи-мезонов входит в защиту и при неупругих взаимодействиях с ядрами передает большую часть своей энергии нуклонам.
При неупругих взаимодействиях протонов и нейтронов с ядрами возникают гамма-кванты, число которых может превышать в несколько раз количество нейтронов высоких энергий. Однако благодаря меньшей проникающей способности гамма-квантов защита от сверхбыстрых нейтронов практически всегда является достаточной для снижения в необходимое число раз мощности дозы гамма-излучения, возникающего при работе 3-го типа ускорителей.
Наведенная радиоактивность — неотъемлемый компонент радиационной опасности в этой группе ускорителей и в некоторых
случаях является трудной проблемой при решении вопросов защиты персонала, обслуживающего ускоритель или подготавливающего эксперименты в помещении ускорителя. Некоторые данные по наведенной радиоактивности приведены в разд. 2.7.
