Приложение 1. Расчет радиационной защиты ускорителя

Приложение 1

к СП 2.6.1.2573-2010

РАСЧЕТ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ УСКОРИТЕЛЯ

Расчет радиационной защиты ускорителя электронов включает три этапа:

- расчет мощностей доз в расчетных точках без радиационной защиты,

- определение необходимых кратностей ослабления полученных мощностей доз, с учетом категории помещений,

- выбор материалов и расчет толщин радиационной защиты, обеспечивающих необходимые кратности ослабления.

Набор необходимых исходных данных и формулы, используемые для расчета мощностей доз в заданных точках без радиационной защиты, различаются для различных видов ускорителей. При проведении расчетов радиационной защиты различают три вида ускорителей электронов:

- ускорители технологического и научного назначения, работающие в режиме непрерывного излучения (промышленные ускорители);

- ускорители, работающие в импульсном режиме (импульсные ускорители);

- ускорители для установок медицинского назначения (медицинские ускорители).

Для проведения расчета мощностей доз без радиационной защиты используются следующие исходные данные:

1) Для промышленных ускорителей:

- максимальная энергия ускоренных электронов E₀, МэВ;

- максимальный ток пучка электронов J, мА;

- материал защиты;

- материал мишени;

- форма и размеры пучка излучения, взаимодействующего с облучаемым объектом;

- доля пучка электронов, теряемая на разных узлах ускорителя, атомный номер материалов ускорителя;

- режим работы ускорителя (продолжительность облучения за смену, число рабочих смен в сутки, в год, средняя продолжительность облучения за год).

2) Для импульсных ускорителей:

- максимальная энергия ускоренных электронов E₀, МэВ;

- длительность импульса и частота следования импульсов;

- максимальный средний ток электронов (заряд ускоренных электронов в секунду);

- материал защиты;

- материал мишени;

- форма и размеры пучка излучения, взаимодействующего с облучаемым объектом;

- доля пучка электронов, теряемая на разных узлах ускорителя, атомный номер материалов ускорителя;

- режим работы ускорителя (суммарный заряд ускоренных электронов за рабочую смену, за сутки, за год).

3) Для медицинских ускорителей:

- максимальная энергия электронов для режима облучения электронами и режима облучения тормозным излучением, E₀, МэВ;

- мощность дозы тормозного излучения в изоцентре;

- мощность дозы тормозного излучения вне изоцентра;

- отношение мощности дозы нейтронов к мощности дозы тормозного излучения в изоцентре;

- размеры пучка излучения и возможные его направления;

- расстояние до изоцентра;

- режим работы ускорителя (рабочая нагрузка за неделю, равная произведению средней дозы за время облучения одного пациента на число пациентов в неделю, число смен в сутки, чисто рабочих дней в неделю, в год).

Для установок различных типов могут использоваться и другие исходные данные, приведенные в их технической документации или полученные в результате измерений, например: мощность дозы тормозного излучения от мишени, от разных частей ускорителя, в разных направлениях, мощность дозы в смежных с ускорителем помещениях и т.п.

Необходимо учесть, что кроме мишени электроны при ускорении могут поглощаться в узлах ускорителя, создавая дополнительные источники тормозного излучения. Это тем более важно, что в промышленных облучательных установках ускоритель и рабочая камера с мишенью могут размещаться в разных помещениях.

Рассчитывается средняя за рабочую смену мощность эквивалентной дозы тормозного и нейтронного излучения (если оно есть).

Средняя мощность дозы тормозного излучения в расчетной точке определяется по формуле:

где: - средняя мощность дозы на расстоянии 1 м от источника излучения в направлении на расчетную точку, мкЗв·м²/ч,

- угол между направлением пучка электронов и направлением на расчетную точку,

R - расстояние от источника до расчетной точки, м.

Источниками излучения являются все места взаимодействия электронов с веществом.

Мощность дозы тормозного излучения на расстоянии 1 м от источника излучения принимается по техническим данным ускорителя, либо рассчитывается по формулам:

1) Для промышленных ускорителей:

где: - мощность дозы на расстоянии 1 м от источника излучения под углом тхэта к направлению пучка электронов при токе пучка 1 мА, мкЗв·м²/(ч·мА),

J - ток пучка электронов, мА,

T_из - продолжительность облучения за смену, ч,

T_см - продолжительность смены, ч,

К - кратность ослабления дозы излучения в конструкционной защите, входящей в состав ускорителя.

2) Для импульсных ускорителей:

где: Q - суммарный заряд ускоренных электронов за смену, Кл.

3) Для медицинских ускорителей:

где: W - рабочая нагрузка, равная произведению средней дозы за 1 процедуру на число процедур облучения в неделю, Зв в неделю,

r - расстояние от источника излучения до изоцентра, м,

- коэффициент выхода излучения из облучаемого объекта в направлении ,

T_нед продолжительность работы всех смен персонала группы А в неделю, ч

где: - значение из таблицы 2 для выбранных энергии электронов E₀ и материала мишени, сГр·м²/(мА·мин).

Средняя за рабочую смену мощность дозы нейтронов на расстоянии 1 м от мишени определяется по формулам:

1) Для промышленных ускорителей:

где: f - коэффициент выхода фотонейтронов на 1 электрон (определяется по табл. 6, либо по формуле: f = 1,5·10^-4·E₀),

- коэффициент перевода плотности потока нейтронов в мощность эквивалентной дозы ( = 1,7 мкЗв·см²·с/ч),

К_н - кратность ослабления мощности дозы нейтронов в конструктивной защите ускорителя.

Подставляя вышеприведенные выражения для f и окончательно получаем выражение:

2) Для импульсных ускорителей:

3) Для медицинских ускорителей:

где: c - отношение мощности эквивалентной дозы нейтронов в изоцентре к мощности дозы тормозного излучения.

Необходимая кратность ослабления излучения в защите определяется по формуле:

где: P_пр - проектная мощность дозы, мкЗв/ч.

Значения проектной мощности дозы за радиационной защитой ускорителя рассчитываются исходя из пределов дозы (ПД) для соответствующих категорий облучаемых лиц и возможной продолжительности их пребывания в смежных помещениях или на прилегающих территориях с использованием соотношения:

где: 10³ - коэффициент перехода от мЗв к мкЗв,

ПД - предел дозы, мЗв в год,

2 - коэффициент запаса,

T - максимальная доля времени, проводимого людьми в данном помещении,

n - коэффициент сменности, учитывающий возможность двухсменной работы ускорителя,

1700 - стандартизованная продолжительность работы персонала за год при односменной работе, часов в год.

В таблице 1 приведены рекомендуемые значения проектной мощности дозы для указанных условий.

Определив необходимую кратность ослабления мощности дозы излучения и эффективную энергию тормозного излучения (E_эф), выбирают материал защиты и, с помощью таблиц 3 - 5, находят необходимую толщину радиационной защиты для получения заданной кратности ослабления. Эффективную энергию тормозного излучения (E_эф) в зависимости от энергии электронов (E₀) определяют следующим образом: