Краткая характеристика ионизирующих излучений

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующее излучение – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.

Примечание: видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям.

Корпускулярное - это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).

Фотонное - это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное из­лучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение - это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Он обладает сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В биологической ткани оно проникает на доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо пасно при попадании внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом радиоактивных частиц, обладающих альфа-активностью.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при их бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше. В биологической ткани проникает на глубину до 2 см, одеждой задерживается. Только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение - это поток протонов, наблюдаемых только при ядерных взрывах и являющееся основным в космическом излучении. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бета-излучением.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов, и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от их начальной энергии нейтрона, которая может менятся в пределах 0,025 – 300 МэВ.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение (длина волны 10^-10 -10^{-14 м), возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде и аннигиляции частиц. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у выше перечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у выше перечисленных видов излучений. Большинство гамма-квантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.}

Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду аналогично воздействию гамма-излучению.

Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энер­гетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в резу­льтате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электро­на). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Рентгеновское излучение - фотонное излучение (длина волны 10^-9 - 10^-12), состоящее из тормозно­го и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами и возникающее при некоторых ядерных реакциях. В отличие от гамма-излучения оно обладает такими свойствами как отражение и преломление.

1.2.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны обладают значительной энергией, и воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию или возбуждение атома, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих и неупругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами. Отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту), а также на ионизацию атомов или молекул среды. И ионизация атома или молекулы и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений, а зная свойства различных видов излучений проникать в различные виды материалов их можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом можно объяснить следующим образом: в зависимости от соотношения масс и энергии частиц взаимодействие с облучаемым веществом может носить упругий или неупругий характер.

Упругое взаимодействие (столкновение, рассеяние) микрочастиц - это процесс взаимодействия частиц, при котором их внутренние состояния остаются неизменными, а меняются лишь импульсы, т.е. переносимая энергия.

Неупругое взаимодействие (столкновение, рассеяние) микрочастиц – это процесс сопровождающейся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным образованием новых частиц.

Упругое взаимодействие аналогично столкновению бильярдных шаров и характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передать часть энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это тяжелый атом, то передается только часть энергии. При этом нейтрон замедляется до тепловых энергий, а далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать такое количество энергии, которой достаточно, чтобы ядро "выскочило" из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды. Результатом упругого взаимодействия может быть и смещение атомов с узлов кристаллической решетки.

Аналогично взаимодействие с веществом и фотонов. Фотон самостоятельно не способен ионизировать среду, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды. Нейтроны и фотоны относятся к косвенно ионизирующим излучениям.

Итак, при упругом взаимодействии не изменяется природа частиц, и их суммарная энергия остается постоянной до и после взаимодействия, происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай упругого взаимодействия, когда не изменяется энергия каждой из взаимодействующих частиц, а происходит только изменение направления их движения.

При неупругом взаимодействии часть энергии может затрачиваться на возбуждение атомов или молекул, ионизацию и т.д. В процессе взаимодействия может происходить и изменение природы частиц в результате протекания ядерных реакций, рождения и аннигиляции частиц.

Неупругое взаимодействие характерно для заряженных частиц. Они способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы тормозятся, и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение. Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам, либо испускают кванты характеристического излучения, либо соударяясь с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

- заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

- взаимодействуя с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней на более удаленную), если она менее 35 эВ;

- в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы - это свободные электроны, а атомы, потерявшие один или несколько электронов в положительно заряженные ионы;

- при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица /при достаточно большой энергии/ поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют реакцией. Если при взаимодействии возникают ядра с новыми свойствами, то такая реакция называется ядерной. Рассмотрим взаимодействие различных видов излучений с веществом.

Г а м м а - и з л у ч е н и е

Взаимодействие гамма-квантов с вещество может сопровождаться фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием электрон-позитронных пар.

1)фотоэлектрический эффект, - процесс при котором фотон передает свою энергию связанному электрону, причем часть энергии расходуется на разрыв связей с атомом, а остальная превращается в кинетическую энергию электрона;

2)рассеяние атомными электронами (комптоновское рассеяние), - процесс в результате которого фотон отклоняется от своего первоначального направления с потерей и без потери энергии;

3)образование электронно-позитронных пар, - это процесс при котором фотон в поле ядра атома или электрона исчезает и рождается пара электрон-позитрон, полная кинетическая энергия которой равна фотону, уменьшенной на энергию покоя двух появившихся частиц.

Указанные три процесса могут происходить как независимо друг от друга, так совместно.

Вид процесса зависит от энергии гамма-кванта:

Е = hν, (1.33.)

где: h - постоянная Планка; ν - частота излучения.

Фотоэффект возникает при Е = 10 эВ - 1 МэВ, то есть при относи­тельно малых значениях энергий. В этом случае вся энергия гамма-кван­та передается орбитальному электрону, и он выбивается из орбиты (рис.1.4.).

Справка: Название "фотоэффект" дано потому, что этот эффект обнаружен при исследовании влияния солнечного света ("фотос" на греческом "свет").

С ростом энергии гамма-квантов явление фотоэффекта становится все меньше, а при энергии 100 - 200 КэВ начинает преобладать комптон-эффект, то есть гамма-квант сообщает достаточную кинетическую энергию электрону, последний покидает атом (упругое взаимодействие), а сам гамма-квант изменяет направление своего движения и его частота несколько уменьшается (рис.1.5.). Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то он поглощается ядром, а из последнего одновременно вылетают электрон и позитрон (рис. 1.6.). Таким образом, гамма-кванты способны косвенно ионизировать вещество.

γ

е^-

Рис. 1.4. Схема фотоэффекта

Рис.1.5. Схема Комптон-эффекта

Рис.1.6. Схема эффекта образования электронно-дырочной пары

Рассмотрим, проникающую способность гамма-квантов.

Известно, что гамма-квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Обладая нулевой массой покоя, они не могут замедляться в среде, они поглощаются или рассеиваются.

Наша справка. В январе 2001 года в США экспериментально удалось остановить луч света в среде. Так как и солнечный свет и гамма-лучи имеют одинаковую электромагнитную природу, возникает сомнение относительно выше приведенного утверждения.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность по следующему закону (рис.1.7.):

I = I_о ехр(-mх) (1.34.)

где: I = Е_γn/t; n - число квантов; m - коэффициент поглощения; х - толщина поглотителя (вещества), см; I_о - интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с.

В практических расчетах вместо величины m часто используют понятие "толщина слоя половинного ослабления", это такая толщина материала, при прохождении которой интенсивность облучения уменьшается в 2 раза. Запишем уравнение (1.34.) в виде:

I_о /I = ехр(-mх) (1.35.)

Рис.1.7. К оценке ослабления гамма-излучений веществом

Полагая I_о /I = 2 и логарифмируя правую и левую части уравнения (1.35.) получим: ln2 = md, d = 0,693/m

Тогда, формула (1.34.) примет вид:

I = I_о ехр(- 0,693х/d) = I₀ е^{- 0,693Х/d} (1.36.)

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц, но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала ρ:

d = 13/r, (1.37.)

где: 13 см - слой воды, ослабляющий гамма-излучение в 2 раза; r - плотность материала, г/см³. Для некоторых материалов величины d представлены в приложении 3

Выражение (1.36.) можно преобразовать следующим образом:

К_осл = I₀/I = ехр (0,693х/d), (1.38.)

где К_осл - коэффициент ослабления гамма-излучения проходящего через преграду толщиной х и значением слоя половинного ослабления для данного материала d (рис. 1.9.). При грубой оценке выражение (1.38.) можно упростить полагая, что основание натурального логарифма е = 2,73…≈ 2, а 0,693 ≈ 1, получим

К_осл ≈ 2^х/d (1.39.)

Расчеты показывают, что проникающая способность гамма-излучения в воздухе десятки и сотни метров, в твердых телах - многие сантимет­ры, в биологической ткани человека часть гамма-квантов проходят через человека насквозь.

Б е т а - и з л у ч е н и е

Прохождение бета-частиц (электронов) через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние электронов на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов Е_β < 0,5 МэВ ( рис.1.8.). Упругое рассеяние электронов на электронах в Z раз (Z - величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах (рис.1.9.). Возможен в редких случаях и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки (рис.1.10.).

При энергии электронов выше энергии связи электрона и до ≈ 1 МэВ основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов (рис.1.11.).

Рис.1.8. Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах атомов

Рис.1.9. Упругое рассеяние бета-частиц на электронах атома

Рис.1.10. Вариант смещения ядра атома кристаллической решетки

При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение, при котором возникает тормозное излучение.

	Рис. 1.11. Ионизация атома бета-частицами (неупругое взаимодействие)

Одним из вариантов неупругого взаимодействия является К- захват.

Таким образом, процессы взаимодействия электронов (бета-частиц) со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления движения электронов в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка электронов уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х, т.е. для бета-частиц справедлива формула (1.35.).

Путь электронов в веществе представляет ломаную линию, а пробег электронов одинаковых энергий имеет значительный разброс. Пробег электронов (бета-частиц) примерно в 1000 раз больше пробега альфа-частиц в веществе. В таблице 1.2. показана средняя глубина пробега бета-частиц в воздухе, биологической ткани и для примера в алюминии.

Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бета-частиц пользуются приближенными формулами. Одна из них:

R_ср/R_возд = r_возд/r_ср (1.40.)

где: R_ср - длина пробега в среде; R_возд - длина пробега в воздухе, R_возд = 450E_b; r_возд и r_ср - плотность воздуха и среды соответственно; E_b - энергия бета-частиц.

Таблица 1.2.

Пробеги бета-частиц

Максимальная энергия бета-частиц, Е, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мм	Алюминий, мм
0,01	0,13	0,002	0,0006
0,02	0,52	0,008	0,0026
0,03	1,12	0,018	0,0056
0.04	1,94	0,030	0,0096
0,05	2,91	0,046	0,0144
0,06	4,03	0,063	0.0200
0.07	5,29	0,083	0,0263
0,08	6,93	0,109	0,0344
0,09	8,20	0,129	0,0407
0,1	10,1	0,158	0,050
0,5		1,87	0,593
1,0		4,80	1,52
1,5		7,80	2,47
2,0		11,1	3,51
2,5		14,3	4,52
3,0		17,4	5,50
5,0		29,8	9,42
		60,8	19,2

Примечание. Наиболее распространены радионуклиды, излучающие бета-частицы с энергией от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3,0 - 3,5 МэВ.

А л ь ф а - и з л у ч е н и е

Энергия альфа-частиц находится в пределах 4 - 10 МэВ, скорость примерно 20 000 км/с. Имея большую массу и значительную энергию, они ее расходуют в основном на неупругое рассеяние на электронах атомов. Таким образом, альфа-частицы обладают большой ионизирующей способностью. В редких случаях альфа-частица может проникнуть в ядро и вызвать ядерную реакцию. Полная ионизация, создаваемая альфа-частицами на всем пути в среде, составляет примерно 120 - 150 тысяч пар ионов. Удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тысяч пар ионов на 1 см пути в воздухе. Удельная ионизация увеличивается к концу пробега альфа-частиц. Это связано с тем, что при прохождении через вещество энергия альфа-частицы, а значит, и ее скорость уменьшается. В результате увеличивается вероятность ее взаимодействия с электронами атома. Это приводит к увеличению ионизации вещества, достигая максимума в конце пробега.

Альфа-частицы, имея двойной электрический заряд и большую массу буквально "продираются" через атомы вещества. Вследствие сильных потерь энергии альфа-частицы проникают на незначительную глубину.

В отличие от фотонов и бета-частиц длина пробега альфа-частиц экспоненциальному закону не подчиняется. Поэтому пользуются империческими формулами. Так, например, для воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. (0,1Па), длина пробега альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть рассчитана по формуле Гейгера:

R_a = E_a^2/3 /3, [см] (1.41.)

Длина пробега R_α альфа-частиц в воздухе при температуре 15°С и давлении 0,1 Па определяется по формулам:

R_a = 0.318 E_a^2/3, см - если Ea = (4 ё 7) МэВ; (1.42.)

R_a = 0.56 E_a^2/3, см - если Ea < 4 МэВ. (1.43.)

где: E_a - энергия альфа-частиц.

Пробег альфа-частиц в веществе, отличном от воздуха определяют по формуле:

R_a = 10^-4(M E_a³)^1/2 /r, см (1.44.)

где: М - атомная масса; r - плотность вещества, г/см³.

В таблице 1.3. Показана длина пробега альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии. В таблице алюминий взят в качестве примера, так как именно металлы чаще всего применяются для защиты человека и электронных схем от ионизирующих излучений.

Таблица 1.3.

Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии

Энергия альфа частиц Еα, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мкм	Алюминий, мкм
4,0	2,5
4,5	3,0
5,0	3,5
6,0	4,6
7,0	5,9
8,0	7,4
9,0	8,9
	10,6

Н е й т р о н н о е и з л у ч е н и е

Нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов. Облучая ядра атомов вещества нейтронами их энергия расходуется на: упругое рассеяние, неупругое поглощение ядрами вещества, деление тяжелых ядер. В результате неупругого рассеяния нейтроны передают ядрам часть своей энергии и изменяют направление своего движения. Ядра атомов, получив дополнительную энергию вылетают из атомов, и проходя через вещество производят его ионизацию. Чем меньше масса ядер среды, через которую проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества - воду, углерод, парафин. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона уменьшается до теплового движения молекул и атомов среды.

В результате неупругого взаимодействия нейтрон поглощается ядром, при этом ядром испускаются различные частицы, гамма-кванты. При опреде­ленной энергии нейтрона возможно деление тяжелых ядер на две примерно равные части, при этом из ядра выбрасывается несколько нейтронов и если масса вещества больше критической будет цепная реакция деления атомного взрыва.

В зависимости от энергии нейтронов преобладают те или иные виды взаимодействия: при энергии менее 0,025 эВ - холодные нейтроны, при энергии 0,025 - 0,05 эВ - тепловые нейтроны. В поглощающей среде обычно наблюдается реакция захвата тепловых и холодных нейтронов; при энергии 0,05 - 0,5 кэВ - промежуточные нейтроны, при этом наблюдается упругое рассеяние; при энергии 0,2 - 20 МэВ - быстрые нейтроны. Они характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием; при энергии 20 - 300 МэВ - сверхбыстрые нейтроны, которые отличаются ядерными реакциями.

Таким образом, нейтронный поток обладает способностью косвенной ионизации вещества при определенных значениях энергии, а проникающая способность подчиняется экспоненсиальному закону.

Сравнительная характеристика способности проникновения различных видов излучений через различные вещества поясняется рис.1.12.

Рис.1.12. Проникающая способность разных видов ионизирующего излучения

Примечание. Проникающая способность излучений зависит от толщины преграды. На рис.1.12. необходимо учитывать последовательность преград.

Воздействие радиоактивных излучений на физические свойства

некоторых материалов

Физические свойства многих твердых тел изменяются под воздействием ионизирующих излучений. Общим для всех твердых тел является то, что их параметры и свойства при облучении определяются, как правило, возникающими дефектами в структуре. В результате образования радиационных дефектов изменяются структурные, механические и электронные свойства твердых тел. Степень воздействия ионизирующих излучений на твердые тела, особенно на полупроводники, зависят с одной стороны от структуры решетки, типа и концентрации примесей, а с другой стороны - она определяется условиями облучения, а именно: видом излучений, их энергий, плотностью потока частиц и гамма-квантов, временем облучения, температурой твердого тела. Особенно опасными являются нейтронный поток и гамма-кванты, обладающие высокой проникающей способностью. Параметры излучений, при которых происходят структурные изменения представлены в таблице 1.4.

Полупроводники изменяют свои свойства при облучении и становятся непригодными для использования, как в интегральных схемах, так и в отдельных приборах.

Таблица 1.4.

Дата добавления: 2014-01-03