ионизирующие излучения

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

потоки фотонов или частиц, взаимод. которых со средой приводит к ионизации ее атомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное И.и. К фотонному И.и. относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и др. ядерных реакциях (гл. обр. γ-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрич. или магн. поле — тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение. К корпускулярному И.и. относят потоки α- и β-частиц, ускоренных ионов и электронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулы среды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация). Если выбиваемые при этом электроны обладают достаточной кинетич. энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны наз. d-электронами. Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды. Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преим. ядрами отдачи. Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих И.и., наз. его полем. Осн. характеристики И.и.: поток И.и. Ф_n = dN/dt, где dN — число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; плотность потока j_n = dФ_n/dS, где dФ_n — поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф = dE/dt, где dE — суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр И.и. — распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Количество энергии, переданной И.и. единице массы среды, наз. поглощенной дозой излучения (см. доза). Все виды И.и. характеризуются т. наз. линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетич. фотоны и электроны) до 10⁴ эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).

Взаимодействие излучения со средой. При прохождении И.и. в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетич. энергия относит. движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, т. е. поток И.и. рассеивается; при неупругих процессах кинетич. энергия И.и. расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды. Для потока электронов характерны упругое рассеяние на ядрах атомов среды и неупругие процессы — ионизация и возбуждение атомов и молекул при взаимодействии с их электронными оболочками (ионизационные потери) и генерация тормозного излучения при взаимодействии с атомными ядрами (радиационные потери). Если энергия электронов не превышает 10 МэВ, во всех средах преобладают ионизац. потери. Для потока ускоренных ионов ионизац. потери доминируют при всех энергиях. Энергия, передаваемая заряженной частицей данному веществу на единице длины ее пути, наз. тормозной способностью вещества s_m = dE/dl (dE — энергия, теряемая частицей при прохождении элементарного пути dl). Значение s_m снижается с увеличением энергии заряженных частиц и растет с повышением ат. номера элемента, из которого состоит вещество среды. Глубина проникновения заряженных частиц в вещество характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не²⁺ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ −2,5 см. Для фотонного И.и. имеют место упругое рассеяние (классич. рассеяние) и неупругие процессы, основные из которых — фотоэффект, эффект Комптона и образование пар электрон — позитрон. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта с К-оболочки атома пропорциональна Z⁵ (Z — aт. номер элемента) и быстро убывает с ростом энергии фотона (кривая 1 на рис. 1). В случае эффекта Комптона происходит рассеяние фотона на одном из атомных электронов; при этом уменьшается энергия фотона, изменяется направление его движения и происходит ионизация атомов среды. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z и зависит от энергии фотонов (кривые 2 и 3 на рис. 1). При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи ядра становится возможным образование пар электрон — позитрон. Вероятность этого процесса пропорциональна Z² и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классич. рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ — эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ — образование пар. Ослабление фотонного И.и. слоем вещества происходит по экспоненц. закону и характеризуется линейным коэф. ослабления m, который показывает, на какой толщине слоя вещества интенсивность падающего пучка ослабляется в е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэф. ослабления m/ρ (ρ — плотность вещества): Ф_n = Ф⁰_nе^-(m/r)∙^rx, где х — толщина слоя веществa, Ф⁰_n и Ф_n — падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэф. ослабления и поглощения; второй коэф. численно меньше первого. Каждый вид взаимод. излучения со средой характеризуется своими массовыми коэф., зависящими от энергии фотонов и ат. номера элемента, из которого состоит вещество среды. Нейтронное излучение взаимод. только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k — постоянная Больцмана, Т — абс. температура) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E <; 10³ эВ), промежуточные (10³ <E < 5∙10⁵ эВ) и быстрые (E > 5∙10⁵ эВ). Нейтроны в веществе испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизир. атомы из среды (т. наз. ядра отдачи). При захвате нейтронов атомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием которых является испускание γ-квантов, α- и β-частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Ф_n = Ф⁰_nе^−Nsa, где N — число атомов данного вида в единице объема, s — т. наз. сечение захвата. Значение σ убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в которых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2∙10⁻³³ м² для ¹⁵N до 3,6∙10⁻²² м² для ¹³⁵Хе.

_{Рис. 1. Зависимость массового коэффициента ослабления m/r g-излучения в воде от энергии квантов: 1 — фотоэффект; 2 и 3 — ионизационная и рассеивательная составляющие эффекта Комптона соответственно; 4 — эффект рождения пары электрон-позитрон.}

Глубину проникновения фотонного и нейтронного И.и. в среду характеризуют слоем половинного ослабления Δ_1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды Δ_1/2 = 9 см для направленного потока γ-излучения ⁶⁰Со с энергией 1,25 МэВ и Δ_1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ. Акт. взаимод. любого И.и. с частицами среды продолжается не более 10⁻¹⁵ с. За это время возможна перестройка электронной подсистемы молекул среды (ядерная подсистема остается неизменной). В среде появляются продукты взаимод.: однозарядные ионы в основном и возбужденном состояниях, электроны разл. энергий, двухзарядные ионы, синглетные и триплетные возбужденные состояния, т. наз. сверхвозбужденные состояния (СВС), имеющие энергию выше первого потенциала ионизации I₁ частиц среды. В газовой фазе количество возбужденных состояний превышает количество образовавшихся ионов, в конденсир. фазе — наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетич. уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимод. И.и. со средой характеризуют средней энергией новообразования W — энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I₁ в 1,5–2,5 раза. Осн. доля энергии И.и. передается вторичными d-электронами. Мгновенное распределение первичных и вторичных электронов по энергиям в среде — т. наз. спектр деградации излучения — позволяет рассчитать все процессы взаимод. по их сечениям в системе и найти состав и вероятность образования разл. ионизированных и возбужденных состояний. В случае взаимод. И.и. с многокомпонентной системой (напр., раствором) распределение энергии излучения между компонентами происходит пропорционально электронной доле ε этих компонентов — отношению числа электронов, принадлежащих данному компоненту, к общему числу всех электронов системы в единице массы (или объема). Переданная веществу энергия И.и. распределяется неравномерно вдоль траектории ионизирующих частиц, поэтому пространств. распределение продуктов взаимод. также неоднородно. Степень неоднородности тем выше, чем больше ЛПЭ излучения. Это приводит к неодинаковым конечным эффектам при взаимодействии со средой И.и. с различным ЛПЭ (см. радиационно-химические реакции). Источники И.и. различаются видом и энергетич. спектром излучения, конструкцией, геометрией расположения облучающих элементов, мощностью поглощенной дозы и ее распределением в облучаемом объекте. Выделяют след. группы: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки. Среди изотопных источников наиб. распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами ⁶⁰Со и ^l37Cs.

_{Рис. 2. Схема гамма-изотопного источника для облучения контейнеров: a — вид сверху, б — вид сбоку; 1 — камера для облучения; 2 — помещение для загрузки контейнеров 5; 3 — источник излучения в рабочем положении; 4 — он же в положении хранения; 6 — транспортная линия для контейнеров; 7 — пульт управления; 8 — бетонная защита; 9 — зубцы защитного лабиринта; 10 — система подъема источников из хранилища 11; 12 — пультовая; 13 — система дозиметрич. контроля.}

На рис. 2 представлена схема гамма-установки для облучения объектов большого размера. В рабочей камере 1 расположены излучающие элементы, которые могут находиться в рабочем положении 3 или в хранилище 4 (при таком положении помещение 1 доступно для людей). Объекты для облучения погружаются в контейнеры 5 и по транспортной линии 6 доставляются дистанционно к облучателю 3. Все помещения находятся под дозиметрич. контролем 13. И.и. ядерных реакторов состоит из γ-излучения, быстрых и тепловых нейтронов, осколков деления. Ускорители заряженных частиц — устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрич. поле (магн. поле м. б. использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два осн. конструкционных типа ускорителей: линейные, в которых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в которых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрич. поля ускорители делят на высоковольтные, в которых направление электрич. поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в которых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрич. поля. В циклич. ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукц. ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) — за счет приложения высокочастотного электрич. поля к линейной периодич. системе электродов. Осн. элементы ускорителя — высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в которой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Некоторые типы высоковольтных ускорителей (напр., каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитронов, протонов, дейтронов, Не²⁺ и положит. ионов более тяжелых элементов. Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ — в радиационно-хим. исследованиях (см. импульсный радиолиз); высоковольтные электронные ускорители — в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1–0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в неск. МэВ с мощностью до 100 и выше кВт). Перечисленные выше ускорители — аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соед., содержащих D, Т или др. нуклиды; получаемый поток может превышать 10¹¹ нейтрон/с (см. нейтронные источники). Генераторы нейтронов наряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии. Рентгеновское излучение генерируют врентгеновских трубках, в которых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиац. потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме. Разл. установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2∙10⁵ Вт/ч в стационарном режиме и 10⁸ Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биол. действия И.и. все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиац. безопасности (подробнее см. в ст. радиационная защита). И.и. создают в облучаемых объектах различные хим., физ. и биол. эффекты. В больших дозах И.и. угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиац. стерилизации мед. препаратов и инструментов, консервации пищ. продуктов. В малых дозах И.и. служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (напр., при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине И.и. находят применение как диагностич. средство и для лучевой терапии опухолей. Использование И.и. в промышленности — основа радиац. технологии, частью которой является радиационно-химическая технология. Прир. источники И.и. — естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космич. излучение, высокоэнергетич. компонента солнечного излучения, радиац. пояса Земли. И.и. считается одним из прир. факторов, повлиявших на развитие жизни на Земле; оно способствовало образованию угля, нефти и ряда др. полезных ископаемых. Солнечное и космич. излучения определяют хим. состав верх. слоев планетных атмосфер.

^{Лит.: ГОСТ 15484–81. Излучения ионизирующие и их измерения; Пикаев А. К., Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная техника и методы, М., 1985.}

_{Л. Т. Бугаенко}