Лекции по радиационной защите

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
В.И. Беспалов 
 
 
 
 
ЛЕКЦИИ 
ПО РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
4-е издание, расширенное 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
направления подготовки 140300 «Ядерные физика и 
технологии» в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
«Ядерные физика и технологии» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2012 

УДК 621.039.584(075.8) 
ББК 31.4ня73 
        Б 53 
 
Беспалов В.И. 
Б 53  
Лекции 
по 
радиационной 
защите: 
учебное 
пособие / 
В.И. Беспалов; Томский политехнический университет. 4-е изд., 
расширенное/ – 
Томск: 
Изд-во 
Томского 
политехнического 
университета, 2012. – 508 c. 
 
В учебном пособии рассмотрены: физические величины в области защиты 
от излучений, нормы радиационной безопасности, методы расчета защиты от 
гамма-излучения радионуклидных источников, рентгеновского и тормозного 
излучения, защита ускорителей заряженных частиц, радиационные условия при 
космических полетах, основные правила безопасной работы с ионизирующими 
излучениями. Пособие содержит большое количество таблиц и номограмм, 
необходимых для проведения расчетов защиты, в конце каждой лекции имеются 
задания с контрольными вопросами и задачами. 
Предназначено для студентов, бакалавров и магистрантов, обучающихся 
по специальности «Радиационная безопасность человека и окружающей среды». 
Может 
быть 
полезно 
студентам, 
аспирантам 
и 
инженерам 
других 
специальностей, занимающихся вопросами защиты от ионизирующих излучений 
и их применением. 
 
УДК 621.039.584(075.8) 
ББК 31.4ня73 
 
 

Рецензенты: 

Доктор технических наук, начальник лаборатории 
Московского радиотехнического института РАН 
Б.С. Сычев 

Доктор технических наук,  главный научный сотрудник 
НИИ онкологии СО РАМН 
В.А. Лисин 
 
 
 
 
 
© Томский политехнический  университет,  2001 
© Беспалов В.И.,  2001 
© Оформление. Издательство Томского 
    политехнического университета,  2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ...................................................................................................................... 9 
Основные обозначения и константы.......................................................................... 10 
ЛЕКЦИЯ 1. Введение..................................................................................................... 11 
Задание 1 ........................................................................................................................... 20 
Список литературы........................................................................................................... 20 

ЧАСТЬ 1   ВВЕДЕНИЕ  В  ФИЗИКУ  РАДИАЦИОННОЙ  ЗАЩИТЫ 

ЛЕКЦИЯ 2. Основные понятия................................................................................... 21 
2.1.  Активность радионуклида................................................................................... …21 
2.2.  Потоковые и токовые характеристики поля излучения ....................................... 23 
2.3.  Дозиметрические характеристики поля излучения .............................................. 26 
Задание 2 ........................................................................................................................... 31 
Список литературы........................................................................................................... 32 

ЛЕКЦИЯ 3. Классификация источников излучения и защит .............................. 34 
3.1.  Классификация источников излучения.................................................................. 34 
3.2.  Классификация защит.............................................................................................. 36 
3.3.  Особенности ослабления пучков излучения.......................................................... 38 
Задание 3 ........................................................................................................................... 42 
Список литературы........................................................................................................... 43 

ЛЕКЦИЯ 4. Гамма-излучение радионуклидов......................................................... 44 
4.1.  Гамма-постоянная и керма-постоянная радионуклидного источника................ 44 
4.2.  Радиевый гамма-эквивалент.................................................................................... 46 
4.3.  Керма-эквивалент..................................................................................................... 47 
Задание 4 ........................................................................................................................... 48 
Список литературы........................................................................................................... 50 

ЛЕКЦИЯ 5. Фоновое облучение. Нормы радиационной безопасности............... 51 
5.1.  Уровни фонового облучения человека................................................................... 51 
5.1.1.  Доза от внешнего космического излучения.................................................... 52 
5.1.2.  Доза от внешнего фотонного излучения почвы ............................................ 52 
5.1.3.  Доза от внешнего фотонного излучения воздуха.......................................... 53 
5.1.4.  Доза внутреннего облучения от космогенных радионуклидов..................... 53 
5.1.5.  Доза внутреннего облучения от радионуклидов 
          земного происхождения.................................................................................... 54 
5.1.6.  Техногенный радиационный фон..................................................................... 54 
5.1.7.  Радиационный фон от искусственных источников ..................................... 54 
5.2.  Нормы радиационной безопасности....................................................................... 55 
5.2.1.  Основные определения...................................................................................... 55 
5.2.2.  Основные категории облучаемых лиц. Основные пределы доз. 
           Допустимые уровни.......................................................................................... 58 
5.2.3.  Современные принципы нормирования облучения человека......................... 61 
5.3.  Поле излучения точечного радионуклида ............................................................. 63 
5.4. Базисные и фантомные дозиметрические величины ............................................. 64 
Задание 5 ........................................................................................................................... 68 
Список литературы........................................................................................................... 70 

ЧАСТЬ 2   ЗАЩИТА  ОТ  ФОТОННОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ 

ЛЕКЦИЯ 6. Взаимодействие фотонов с веществом ................................................ 72 
6.1.  Фотоэффект............................................................................................................... 73 
6.2.  Эффект Комптона..................................................................................................... 77 
6.3.  Эффект образования электрон-позитронных пар ................................................. 82 
6.4.  Фотоядерные реакции.............................................................................................. 85 
6.5.  Полное сечение взаимодействия фотонов ............................................................. 87 
Задание 6 ........................................................................................................................... 91 
Список литературы........................................................................................................... 92 

ЛЕКЦИЯ 7. Факторы накопления фотонного излучения...................................... 94 
7.1.  Факторы накопления гомогенных сред.................................................................. 94 
7.2.  Факторы накопления гетерогенных сред............................................................. 102 
Задание 7 ......................................................................................................................... 104 
Список литературы......................................................................................................... 106 

ЛЕКЦИЯ 8. Инженерные методы расчета защиты от первичного 
                       гамма-излучения радионуклидов....................................................... 107 
8.1.  Характеристики некоторых радионуклидов как гамма-излучателей................ 109 
8.2.  Защита временем, количеством, расстоянием..................................................... 112 
8.3.  Расчет защиты с помощью универсальных таблиц ............................................ 113 
8.4.  Расчет защиты с помощью номограмм ................................................................ 115 
8.5.  Расчет защиты от плоских и точечных изотропных источников 
        по слоям ослабления .............................................................................................. 121 
8.6.  Метод конкурирующих линий.............................................................................. 126 
Задание 8 ......................................................................................................................... 128 
Список литературы......................................................................................................... 131 

ЛЕКЦИЯ 9. Поле излучения радионуклидных источников 
                       различных геометрических форм ...................................................... 132 
9.1.  Точечный источник................................................................................................ 133 
9.2.  Линейный источник ............................................................................................... 135 
9.3.  Дисковый источник................................................................................................ 143 
9.4.  Цилиндрический объемный источник.................................................................. 147 
9.4.1.  Цилиндрический источник без самопоглощения и рассеяния 
                излучения в источнике.................................................................................... 148 
9.4.2.  Цилиндрический источник с самопоглощением .......................................... 149 
9.4.3.  Учет рассеянного в источнике излучения.................................................... 149 
9.5.  Графический метод расчета защиты от гамма-излучения 
        объемных источников............................................................................................ 150 
Задание 9 ......................................................................................................................... 153 
Список литературы......................................................................................................... 158 

ЛЕКЦИЯ 10. Альбедо .................................................................................................. 159 
10.1.  Основные понятия и определения ...................................................................... 159 
10.2.  Альбедо фотонов .................................................................................................. 162 
10.2.1.  Энергетическое распределение отраженных фотонов........................... 163 
10.2.2.  Зависимость альбедо от угла падения фотонов ...................................... 164 

10.2.3.  Зависимость альбедо от угла отражения ................................................ 164 
10.2.4.  Зависимость альбедо от энергии фотонов источника 
                  и атомного номера материала рассеивателя .......................................... 164 
10.2.5.  Зависимость альбедо от толщины рассеивателя.................................... 165 
10.2.6.  Формы представления данных по альбедо ................................................ 166 
10.3.  Скайшайн и квазискайшайн излучений ............................................................. 169 
Задание 10 ....................................................................................................................... 171 
Список литературы......................................................................................................... 173 

ЛЕКЦИЯ 11. Расчет защиты от первичного и рассеянного 
                         гамма-излучения радионуклидов..................................................... 174 
11.1.  Расчет защиты от первичного гамма-излучения............................................... 174 
11.1.1.  Расчет защиты с помощью универсальных таблиц и номограмм ......... 175 
11.1.2.  Метод слоев ослабления .............................................................................. 175 
11.1.3.  Метод ослабления широкого пучка (МОШП) ........................................... 176 
11.2.  Расчет защиты от рассеянного гамма-излучения.............................................. 179 
11.2.1.  Расчет защиты от рассеянного гамма-излучения 
                 с помощью универсальных таблиц .............................................................. 180 
Задание 11 ....................................................................................................................... 183 
Список литературы......................................................................................................... 185 

ЛЕКЦИЯ 12. Защита от рентгеновского излучения ............................................. 186 
12.1.  Характеристики рентгеновского излучения ...................................................... 186 
12.2.  Защита от первичного рентгеновского излучения............................................ 188 
12.2.1.  Расчет защиты по эффективной энергии спектра ................................. 188 
12.2.2.  Метод номограмм........................................................................................ 189 
12.3.  Защита от рассеянного рентгеновского излучения........................................... 196 
Задание 12 ....................................................................................................................... 202 
Список литературы......................................................................................................... 203 

ЛЕКЦИЯ 13. Защита от тормозного излучения..................................................... 204 
13.1.  Защита от тормозного излучения -частиц ....................................................... 204 
13.1.1.  Формула Виарда............................................................................................ 204 
13.1.2.  Гамма-постоянная ....................................................................................... 206 
12.1.3.  Метод конкурирующих линий...................................................................... 206 
13.2. Расчет защиты от тормозного излучения электронных ускорителей .............. 206 
13.2.1.  Защита от тормозного излучения электронов 
             с энергиями 0,23,0 МэВ............................................................................. 206 
13.2.2.  Метод слоев ослабления .............................................................................. 207 
13.2.3.  Номограммы Машковича............................................................................. 211 
13.2.4.  Новые номограммы для расчета защиты от первичного 
             тормозного излучения .................................................................................. 213 
13.3.  Защита от рассеянного тормозного излучения.................................................. 224 
13.3.1.  Расчет защиты с помощью универсальных таблиц................................. 224 
13.3.2.  Номограммы для расчета защиты от рассеянного 
         тормозного излучения .................................................................................. 226 
Задание 13 ....................................................................................................................... 230 
Список литературы......................................................................................................... 231 

ЛЕКЦИЯ 14. Расчет лабиринтов............................................................................... 232 
14.1.  Прохождение излучения через неоднородности в защите............................... 232 
14.2.  Общая схема расчета лабиринта......................................................................... 234 
14.3.  Приближенный расчет прямоугольного лабиринта.......................................... 238 
Задание 14 ....................................................................................................................... 239 
Список литературы......................................................................................................... 241 
ЛЕКЦИЯ 15. Защита от радиоактивных веществ, образующихся в воздухе 
                         под действием тормозного излучения ............................................. 242 
15.1.  Наведенная активность воздуха.......................................................................... 242 
15.2.  Активация воздуха тормозным излучением...................................................... 245 
Задание 15 ....................................................................................................................... 250 
Список литературы......................................................................................................... 251 
ЛЕКЦИЯ 16. Защита от вредных веществ, образующихся в воздухе 
                          под действием ионизирующего излучения.................................... 252 
16.1.  Радиолиз ................................................................................................................ 252 
16.2.  Радиолиз воздуха.................................................................................................. 254 
Задание 16 ....................................................................................................................... 263 
Список литературы......................................................................................................... 265 
ЛЕКЦИЯ 17. Защитные материалы от фотонного излучения............................ 266 
Задание 17 ....................................................................................................................... 270 
Список литературы......................................................................................................... 271 

ЧАСТЬ 3   ЗАЩИТА ОТ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 

ЛЕКЦИЯ 18. Защита от электронного излучения................................................. 272 
18.1.  Процессы взаимодействия электронов и позитронов с веществом................. 272 
18.1.1.  Упругое рассеяние......................................................................................... 272 
18.1.2.  Многократное рассеяние............................................................................. 274 
18.1.3.  Неупругое рассеяние электронов и позитронов на атомах..................... 277 
18.1.4.  Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов............................ 278 
18.1.5.  Тормозное излучение..................................................................................... 283 
18.1.6.  Потери энергии на тормозное излучение. Полные потери 
         энергии электронов и позитронов .............................................................. 286 
18.1.7.  Аннигиляционное излучение ......................................................................... 287 
18.2.  Коэффициенты пропускания, пробеги электронов и позитронов ................... 288 
18.3.  Альбедо электронов ............................................................................................. 292 
18.4.  Защита от электронов и бета-частиц .................................................................. 293 
Задание 18 ....................................................................................................................... 298 
Список литературы......................................................................................................... 300 
ЛЕКЦИЯ 19. Защита от альфа-частиц и протонов небольших энергий........... 302 
19.1.  Процессы взаимодействия альфа-частиц и протонов с веществом................. 302 
19.1.1.  Упругое кулоновское рассеяние................................................................... 303 
19.1.2.  Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов............................ 304 
19.1.3.  Ядерные взаимодействия протонов и альфа-частиц............................... 307 
19.2.  Пробеги протонов и альфа-частиц. Защита от протонов и альфа-частиц ...... 311 
Задание 19 ....................................................................................................................... 314 
Список литературы......................................................................................................... 315 

ЛЕКЦИЯ 20. Основы защиты ускорителей заряженных частиц....................... 317 
20.1.  Применение ускорителей заряженных частиц ................................................. 317 
20.2.  Ионизирующее излучение ускорителей ............................................................ 322 
20.3.  Особенности защиты протонных ускорителей на большие энергии ............. 324 
20.3.1.  Пространственные размеры источника. Основные требования, 
             предъявляемые к защите ............................................................................ 324 
20.3.2.  Ослабление адронов ..................................................................................... 326 
20.3.3.  Электрон-фотонные ливни ........................................................................ 331 
20.3.4.  Некоторые характеристики ядерно-электромагнитных каскадов ...... 333 
20.3.5.  Особенности защиты от мюонов ............................................................. 337 
20.3.6.  Основные задачи, решаемые радиационной защитой 
             на ускорителях высокой энергии ................................................................ 346 
20.4.  Основные факторы вредного воздействия ускорителей .................................. 346 
20.4.1.  Импульсное мгновенное излучение. Скайшайн .......................................... 347 
20.4.2.  Наведенная радиоактивность материалов .............................................. 348 
20.4.3.  Наведенная радиоактивность воздуха ..................................................... 355 
20.5.  Особенности защиты ускорителей электронов ................................................ 359 
20.6.  Примеры расчетов радиационных условий на ускорителях 
          заряженных частиц .............................................................................................. 364 
Задание 20 ....................................................................................................................... 375 
Список литературы......................................................................................................... 379 

ЛЕКЦИЯ 21. Основы радиационной безопасности при космических полетах . 382 
21.1.  Радиационные условия в космическом пространстве ..................................... 382 
21.1.1.  Галактические космические лучи ............................................................... 382 
21.1.2.  Солнечные космические лучи ...................................................................... 384 
21.1.3.  Радиационные пояса Земли ......................................................................... 385 
21.2.  Особенности радиационной защиты в космосе ................................................ 390 
21.3.  Стандарты радиационной безопасности космических полетов ...................... 394 
21.3.1.  Нормы радиационной безопасности космических полетов 
            на основе концепции радиационного риска ................................................ 394 
21.4.  Обеспечение радиационной безопасности космических полетов .................. 397 
Задание 21 ....................................................................................................................... 401 
Список литературы......................................................................................................... 403 

ЧАСТЬ 4   РАДИАЦИОННАЯ  БЕЗОПАСНОСТЬ 

ЛЕКЦИЯ 22. Основы радиационной безопасности............................................... 404 
22.1.  Классификация лучевых поражений организма человека................................ 404 
22.2.  Организация работ с источниками ионизирующих излучений....................... 406 
22.2.1.  Общие положения......................................................................................... 406 
22.2.2.  Работа с закрытыми источниками излучения и устройствами, 
            генерирующими ионизирующее излучение................................................... 409 
22.2.3.  Работа с открытыми источниками излучения 
            (радиоактивными веществами)................................................................... 411 
22.2.4.  Основные правила обращения с радиоактивными отходами.................. 416 
22.2.5.  Методы и средства индивидуальной защиты и личной гигиены ............ 419 
22.2.6.  Радиационный контроль при работе с техногенными 
         источниками излучения................................................................................ 420 

22.2.7.  Задачи службы радиационной безопасности............................................ 422 
22.3.  Требования по ограничению облучения населения в условиях 
           радиационной аварии. Уровни вмешательства. ............................................... 423 
22.4.  Основы безопасной перевозки радиоактивных веществ.................................. 427 
Задание 22 ....................................................................................................................... 434 
Список литературы......................................................................................................... 435 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программа «Компьютерная лаборатория» ......................... 437 
Введение.......................................................................................................................... 437 
1.  Основные характеристики пакета программ EPHCA............................................ 437 
2.  Режимы работы программы КЛ............................................................................... 439 
2.1.  Режим «Демонстрация» (DEMO) ................................................................... 439 
2.2.  Режим «Альбедо» (ALBEDO)........................................................................... 442 
2.3.  Режим «Факторы накопления» (BF) .............................................................. 443 
2.4.  Режим «Расчет констант» (CONST)............................................................. 444 
2.5.  Режим «Расчет защиты» (PROTECT)........................................................... 444 
2.6.  Режим «Барьер» (BARRIER) ............................................................................ 445 
2.7.  Режим «Фантом» (PHANTOM)....................................................................... 446 
2.8.  Режим «Тормозное излучение» (BREMSSTRAHLUNG) ................................. 446 
Список литературы......................................................................................................... 447 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТАБЛИЦЫ, ГРАФИКИ........................................................... 449 
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ .................................................................................. 505 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В основу данного учебного пособия положены курсы лекций, которые 
автор читает студентам и магистрантам Физико-технического института 
Томского политехнического университета. Четвертое издание по сравнению с 
третьим является расширенным. Добавлена новая часть (четыре лекции) 
«Защита от заряженных частиц» и новый раздел «Требования по ограничению 
облучения 
населения 
в 
условиях 
радиационной 
аварии. 
Уровни 
вмешательства» в лекцию «Основы радиационной безопасности». 
Учебное пособие «Лекции по радиационной защите» состоит из 
двадцати двух лекций и двух приложений. В конце каждой лекции имеются 
задания с контрольными вопросами и задачами. Пособие содержит большое 
количество таблиц и номограмм, необходимых для проведения расчетов 
защиты. Программа «Компьютерная лаборатория», описание которой дано в 
приложении, позволяет проводить численные эксперименты (лабораторные 
работы) по моделированию полей излучения заряженных частиц и фотонов и 
рассчитывать защиту от гамма-излучения радионуклидов, рентгеновского и 
тормозного излучения. В литературе, списки которой приведены в конце 
каждой 
лекции, 
можно 
найти 
дополнительную 
теоретическую 
и 
практическую информацию, полезную при изучении материала данной главы. 
Учебное пособие предназначено в первую очередь для студентов, 
бакалавров и магистрантов, обучающихся по специальности «Радиационная 
безопасность человека и окружающей среды», но будет полезно студентам, 
аспирантам и инженерам всех специальностей, связанных с защитой от 
ионизирующих излучений и их применением. 
Замечания и пожелания можно направлять по адресу: 
bvi@tpu.ru 
  
 
 
 
 
 
В. И. Беспалов 

Основные обозначения и константы 

1
Z   
– величина заряда налетающей частицы. 

2
Z   
– величина заряда ядер атомов вещества. 

A  
– масса атомов вещества; масса 1 моля при определении 
0
n . 

e  
– элементарный заряд; 
19
1,602 10
Кл
e



. 

A
N  
– число Авогадро; 
23 1
6,022 10
моль
A
N


. 

  
– плотность вещества 

3
г см . 

0
n   
– число атомов в 1 см3 (плотность атомов); 


0
A
N
A
n


 . 

e
m  
– масса покоя электрона; 
28
9,1085 10
г
e
m



. 

   
– постоянная Планка, деленная на 2π ; 
34
1,0546 10
Дж с





. 

er   
– классический радиус электрона; 
13
2
2
2,818 10
см
e
er
e
m c




. 
  
– скорость частицы в единицах скорости света в вакууме – c 

 
 
   
10
2,9979 10
см с
c


. 

2
e
m c  – энергия покоя электрона; 
2
0,511 МэВ
e
m c 
. 

   
– активность радионуклида. 
   
– гамма-постоянная радионуклида. 
   
– микроскопическое сечение взаимодействия 
2
см . 
   
– линейный коэффициент ослабления 1 см . 

  
– массовый коэффициент ослабления 

2
см
г . 

0
R   
– средний пробег заряженной частицы в приближении непрерывного 

 
 
– замедления. 

0
a   
– радиус первой боровской орбиты (боровский радиус атома водорода); 

 
 
   

2
2
9
0
5,29 10
см
e
a
m e





. 

   
– постоянная тонкой структуры; 
2
1 137,036
e
c
 


. 

0
X  
– радиационная единица длины. 

C
  
– комптоновская длина волны электрона 
11
3,86 10
см
e
m c



 
. 

а. е. м.– атомная единица массы 
24
1,66 10
г



, 1 а. е. м.
2c = 931,494 МэВ. 

,
.

D D  – поглощенная доза, мощность поглощенной дозы. 

,
.
H H  – эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы. 

,
.
E E  – эффективная доза, мощность эффективной дозы. 

,
.
K K  – керма, мощность кермы. 

,
.
X X  – экспозиционная доза, мощность экспозиционной дозы.