Бетон в защите ядерных установок - Расчеты ослабления излучений высоких энергий

Глава 4
РАСЧЕТЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИИ ОТ УСКОРИТЕЛЕЙ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
4.1. ОСОБЕННОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ В ЗАЩИТЕ
Характерная особенность области высоких энергий — широкое разнообразие видов проникающей радиации. Возможность перехода одного вида излучения в другой в значительной степени осложняет расчет защиты ядерно-физической установки. Как было указано в разд. 2.3, первичная радиация ускоряемых частиц не определяет непосредственно толщину защитных экранов. Вторичная, иногда третичная и радиация «четвертого поколения», оказывается наиболее проникающей и, следовательно, наиболее опасной с инженерной точки зрения. Следующая схема иллюстрирует взаимопревращения одних видов излучений в другие:

На рис. 4.1 показано ослабление интенсивности излучений в защите при гашении в ней фотонного пучка с энергией 4 Гэв 11]. Защита выполнена из тяжелого ильменитового бетона плотностью 4000 кг/м3. Хорошо видно, что кривые ослабления мощности дозы излучений на различных участках защиты имеют разный наклон. Это соответствует изменяющемуся по толщине защиты d вкладу отдельных компонентов излучения в мощность дозы. На участке 0<х< 0,6 м основным компонентом является электроннофотонный ливень. Наклон кривой в интервале толщины 0,6 < х  <2 м соответствует нейтроном высоких энергий. При толщине защиты более 2 м мощность дозы определяется проникающими мю-мезонами.
Гамма-излучение. При высоких энергиях доминирующим процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом является образование пар электрон — позитрон.
В этой области полный коэффициент поглощения растет с ростом энергии, поэтому при достаточно больших кратностях ослабления высокоэнергетический компонент электромагнитного излучения не определяет степень ослабления в защите суммарного потока гамма-квантов. Она характеризуется тем компонентом спектра, который имеет минимальный коэффициент поглощения [2].

Рис. 4.1. Ослабление мощности дозы в защите при гашении в ней фотонного пучка с энергией 4 Гэв.

Электроны. Электроны всегда имеют конечный пробег вследствие потерь энергии на ионизацию. При энергиях в несколько десятков мегаэлектронвольт и выше основной процесс взаимодействия электронов с веществом — торможение с испусканием электромагнитного излучения (гамма-квантов). Тормозные гамма-кванты могут в свою очередь образовывать пары электрон — позитрон, и возникает так называемый каскадный ливень.
Процессы взаимного превращения будут протекать интенсивно до тех пор, пока энергия частиц не уменьшится настолько, что вероятности взаимопревращений будут много меньше единицы. Электроны потратят свою энергию на ионизацию, а гамма-кванты с энергией, составят наиболее проникающий компонент каскадного ливня. Для количественного описания прохождения заряженных частиц через вещество имеют фундаментальное значение следующие величины:
потери энергии на ионизацию численно эта величина равна энергии, которую теряет заряженная частица на ионизацию среды при прохождении единицы пути;
радиационные потери; эта величина равна той части энергии, которую теряет заряженная частица в веществе на испускание тормозного излучения при прохождении единицы пути.
Энергия, при которой ионизационные потери равны радиационным, называется критической энергией. Критическую энергию электронов можно вычислить по приближенной формуле [2]:
(4.1)
где Z — атомный номер элемента.
Значения критической энергии для некоторых элементов приведены в табл. 2.8. Радиационные потери у высокоэнергетических электронов практически не зависят от энергии. Толщина вещества, на которой энергия электронов уменьшается из-за потерь на излучение в е раз, называется радиационной единицей длины. В качестве единицы длины удобно использовать радиационную единицу длины, так как она входит в большинство формул, описывающих прохождение заряженных частиц и фотонов через вещество.
Мю-мезоны. По характеру взаимодействия с веществом мю-мезоны не отличаются от электронов. Однако энергия, при которой потери на излучение начинают преобладать над потерями на ионизацию, для мю-мезонов приблизительно в 40 000 раз больше, чем для электронов. Это соответствует энергиям в несколько тысяч гигаэлектронвольт. Средняя длина пробега для ядерного взаимодействия мю-мезонов составляет -~2-10° кг 1м2. Поэтому во всех практических случаях можно пренебречь радиационными потерями и ядерными взаимодействиями мю-мезонов и принимать во внимание только ионизационные потери. Биологическое действие мю-мезонов, по-видимому, одинаковое с биологическим действием электронов с энергиями до 10 Мэв.
Нейтроны. Взаимодействие быстрых нейтронов с веществом носит ядерный характер. При больших энергиях упругое рассеяние имеет сильную направленность вперед и практически вносит некоторый вклад в ослабление потоков нейтронов с энергией до 50 Мэв. Для больших энергий упругим рассеянием в ослаблении нейтронных потоков можно пренебречь.
Таблица 4.1
Сечение неупругого взаимодействия нейтронов с ядрами, барн*

* Величины сечений получены интерполяцией и экстраполяцией данных работ [3—5].

Зависимость сечения неупругого взаимодействия от энергии для всех элементов, входящих в состав бетона (за исключением водорода), характеризуется следующими особенностями. Сечения имеют максимум в области 10—20 Мэв; с увеличением энергии сечения уменьшаются и остаются практически независимыми от энергии, начиная с 80— 100 Мэв (табл. 4.1). Для водорода порог неупругого взаимодействия нейтронов ~350 Мэв. При неупругом взаимодействии с ядрами нейтроны с энергией в несколько десятков мегаэлектронвольт большую часть своей энергии тратят на возбуждение ядер, что эквивалентно поглощению сверхбыстрого нейтрона, так как возбужденные ядра испускают быстрые нейтроны, имеющие спектр, подобный спектру деления [5].
При энергиях выше 100 Мэв неупругое взаимодействие нейтронов описывается так называемой каскадной моделью. Согласно этой модели нейтрон (протон) взаимодействует с отдельными нуклонами ядра; развивается ядерный каскад, в результате которого из ядра вылетают нейтроны и протоны, имеющие достаточно высокие энергии. Поэтому существует накопление нейтронов высоких энергий в процессах неупругого взаимодействия с ядрами. При энергиях в несколько сот мегаэлектронвольт и выше сечение ϭin нельзя отождествить с сечением поглощения.
Протоны. Ядерные реакции под действием сверхбыстрых протонов аналогичны ядерным реакциям, вызываемым нейтронами. Однако протоны, проходя через вещество, непрерывно теряют свою энергию на ионизацию и, как всякая заряженная частица, обладают конечным пробегом.
Пи-мезоны. Заряженные пи-мезоны высоких энергий по ядерным превращениям, вызываемым ими, аналогичны быстрым протонам. Замедленные ионизацией заряженные пи+- и пи-мезоны, ведут себя различно. Пи-мезоны захватываются ядрами, отдавая свою энергию покоя на возбуждение ядер. Медленные пи+-мезоны не захватываются ядрами, а распадаются на мю+-мезоны и нейтрино. Нейтральные пи-мезоны (π°) распадаются сразу (<10_15 сек) после своего образования на два гамма-кванта. Сами по себе пи- мезоны высоких энергий не представляют сильно проникающий вид радиации. Они опасны как источники сверхбыстрых мю-мезонов, образующихся в результате распада на лету.