辐射是能量通过波或粒子发射或传播的另一种说法。在我们的日常生活中,到处都有来自电磁波和粒子的辐射,它可以是非常有益的,如来自太阳的辐射,没有它,生命就不可能存在。当粒子或波与物质相互作用时,它会储存能量,如果能量足够高,它可以分解或改变分子,这就是辐射损伤。对于像人体这样的有机组织,这种损伤会破坏细胞或导致突变,可能会发展成癌症。在中子设施中,有一些地方的辐射水平升高,但有一些简单的预防措施,我们下面描述,它是一个非常安全的工作环境。
根据所提到的粒子或波的类型不同,辐射的种类也不同。这两个是最重要的,要熟悉的,在中子设施,是伽马辐射,当然,自由中子本身的辐射。我们将在下面更详细地描述这两种类型的辐射。
伽马辐射是波长很短的光子,小于10-11年m(0.1埃),这也意味着它们携带的能量是keV的量级,这对光子来说是很大的。当一种不稳定的同位素(例如中子俘获后)衰变时,它们就会在核反应中产生,所以伽马辐射存在于中子科学的过程中。伽马射线会对身体各处的细胞造成随机的伤害,并且可以深入穿透大多数物质,因为它们是光子,因此没有质量或电荷。这意味着很难对伽玛辐射进行屏蔽,因此中子研究设施要采取大量的安全措施来防止伽玛辐射。
中子辐射必然存在于中子设备中,因为我们是用自由中子作为我们的样本调查的探针。中子辐射对有机组织是非常危险的,因为它与人体中最丰富的元素氢有强烈的相互作用。当中子与组织相互作用时,要么被组织吸收并产生不稳定的同位素(中子活化),然后衰变并发出伽马射线;要么它猛烈地撞击一个原子,使其失去一个电子(电离)。当最后一个过程发生在氢原子身上时,它会在组织中移动一小段距离,在那里它会电离其他分子,进一步造成组织损伤,中子本身很慢,但可以继续在组织中移动,直到被吸收或离开身体。幸运的是,有非常有效的方法来阻止中子,甚至几米的空气就足以大大降低健康风险。中子辐射的主要问题是产生不稳定同位素的材料的活化。一个样品暴露在中子下,会在一段时间内变得具有放射性,这取决于它由什么材料组成。
在使用中子时,有几种辐射防护措施需要考虑,既包括屏蔽高辐射区域,也包括通过限制暴露在辐射下的个人防护,监测个人剂量,并始终遵守安全条例。
屏蔽自然是避免暴露的最好方法,因为它可以防止辐射到达人们工作的地方。它经常演变出许多具体和元素,以阻止辐射,这取决于什么类型的辐射是一个关切。对伽玛辐射最重要的屏蔽因素是原子序数,越大越好。因此,氢(例如水)不能提供太多的保护,而铅可以。
对于中子,横断面图因为中子的相互作用(因此屏蔽能力)在元素周期表中是不同的,甚至在同一元素的同位素之间也是不同的。铅不能很有效地屏蔽中子,而氢(例如水)实际上能提供很好的保护。然而,像硼和镉这样的材料甚至更好地吸收中子,因此经常被用于中子仪器领域的屏蔽,在那里材料科学家的工作接近中子束。所有这些考虑都放在一边,因为混凝土是如此便宜和实用的材料,它是最常用的材料,以屏蔽所有的辐射,在大多数中子设施。然而,他们必须在目标和引导区域周围使用非常厚的混凝土块,例如,普通混凝土不能非常有效地屏蔽中子或伽马射线。
中子仪器区域需要能够被科学家接近,因此不能被混凝土块完全封闭。取而代之的是,安装了一个联锁系统,以确保在通往该区域的门打开时,中子束被关闭。
说到曝光有两种,外部曝光和内部曝光。外部照射是来自体外的辐射,内部照射是来自进入体内的放射性物质的辐射。对于外部暴露,在试图避免辐射对身体的伤害时,有两个重要的因素要最小化:该地区的辐射水平和你暴露的时间。本底辐射高于自然本底辐射剂量当量(约3 mSv/年)的区域,通常都有明确的标记,并按辐射水平进行分级。中子研究设施的大部分区域没有较高的辐射水平,也没有标记。一些区域,主要是仪器洞穴,辐射水平高达2毫西弗/小时剂量当量,只要避免在那里待得太久就足够了。只有极少数地区的辐射水平超过100 mSv/h,需要特殊的辐射防护装备和特殊许可才能进入。
内部暴露完全是另一个问题。像外部照射一样,辐射量很重要,但内部照射,放射性物质已经进入人体,这意味着你不能限制暴露的时间,因为它留在体内。因此,在中子研究设施中,严禁在靠近仪器的任何地方进食、饮水或吸烟。
最后一个人身安全措施是监控。辐射损害是累积的,所以知道一个人暴露在多少总辐射是很重要的。由于这个原因,科学家和工作人员在中子设施中总是佩带个人剂量计。放射防护小组每隔一段时间就会读出剂量计的读数,并在科学家受到辐射剂量时通知他。中子研究设施是很好的安全管理和监控,所以对于一个材料科学家,只访问中子设施做他的实验,他收到的最大剂量的辐射,与实验有关,实际上是在飞机上去/从设施。