главная > справочник > химическая энциклопедия: Ионизирующие излучения

Ионизирующие излучения, потоки фотонов или частиц, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ионизирующие излучения. К фотонному ионизирующему излучению относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и других ядерных реакциях (главным образом γ-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрическом или магнитном поле - тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение.

К корпускулярному ионизирующtve излучению 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 кинетической энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны называют 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, преимущественно ядрами отдачи.

Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих ионизирующее излучение, называют его полем. Основные характеристики ионизирующего излучения: поток ионизирующего излучения Ф n = dN / dt, где dN - число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; плотность потока j n = d Ф n / dS, где d Ф 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 4 эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).

Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ионизирующего излучения в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетическая энергия относительного движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, то есть поток ионизирующего излучения рассеивается; при неупругих процессах кинетическая энергия 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 атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды. Глубина проникновения заряженных частиц в вещество характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не 2+ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ -2,5 см.

Для фотонного ионизирующего излучения имеют место упругое рассеяние (классическое 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 Z 5 (Z - aтомный 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 Z 2 и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классическое рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ - эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ - образование пар.

Ослабление фотонного е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэффициент ослабления m/r (r - плотность вещества): Ф n = Ф 0 n е - (m/r) . r x , где х - толщина слоя веществa, Ф 0 n и Ф n - падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэффициенты ослабления и поглощения; второй коэффициент численно меньше первого. Каждый вид взаимодействия излучения со средой характеризуется своими массовыми коэффициентами, зависящими от энергии фотонов и атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды.

Нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура) подразделяют на холодные ( Е kT ), тепловые ( Е

kT ), медленные ( kT 10 3 эВ), промежуточные (10 3 E 5 эВ) и быстрые ( E > 5.10 5 эВ). Нейтроны в веществе испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизированные атомы из среды (так называемые 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 = Ф 0 n е - N sa , где N - число атомов данного вида в единице объема, s - так называемое сечение захвата. Значение s 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 м 2 для 15 N до 3,6.10 - 22 м 2 для 135 Хе.

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 1/2 , уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды D 1/2 = 9 см для направленного потока γ-излучения 60 Со с энергией 1,25 МэВ и D 1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ.

Активное взаимодействие любого - 15 с. За это время возможна перестройка электронной подсистемы молекул среды (ядерная подсистема остается неизменной). В среде появляются продукты взаимодействия: однозарядные ионы в основном и возбужденном состояниях, электроны различных энергий, двухзарядные ионы, синглетные и триплетные возбужденные состояния, так называемые сверхвозбужденные состояния (СВС), имеющие энергию выше первого потенциала ионизации I 1 частиц среды. В газовой фазе кол-во возбужденных состояний превышает количество образовавшихся ионов, в конденсированной фазе - наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетического уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения со средой характеризуют средней энергией новообразования W - энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I 1 в 1,5-2,5 раза.

Основная доля энергии 60 Со и l37 Cs.

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 дозиметрическим контролем 13. 2+ 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-химических исследованиях; 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 несколько 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 соединений, содержащих D, Т или другие нуклиды; получаемый поток может превышать 10 11 нейтрон/с. Генераторы нейтронов наряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии.

Рентгеновское излучение генерируют в рентгеновских трубках, в которых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиационные потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме.

Различные установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2.10 5 Вт/ч в стационарном режиме и 10 8 Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биол. действия 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.