Ионизирующие излучения
ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, потоки фотонов или частиц, взаимод. к-рых 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 др. ядерных р-циях (гл. обр. g-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрич. или магн. поле - тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение. К корпускулярному ионизирующему излучению относят потоки a- и b-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 ионизирующее излучение, наз. его полем. Осн. характеристики ионизирующих излучений: поток ионизирующего излучения Фn = dN/dt, где dN - число частиц, падающих на данную пов-сть за интервал времени dt; плотность потока jn = dФn/dS, где dФn - 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 ионизирующего излучения - распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Кол-во энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы среды, наз. поглощенной дозой излучения (см. Доза). Все виды ионизирующих излучений 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).
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 ионизирующих излучений в среду характеризуют слоем половинного ослабления D1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды D1/2 = 9 см для направленного потока g-излучения 60Со с энергией 1,25 МэВ и D1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ.
Акт. взаимод. любого ионизирующего излучения 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 кол-во возбужденных состояний превышает кол-во 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. ионизирующего излучения 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 ионизирующего излучения 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. ионизирующего излучения с многокомпонентной системой (напр., р-ром) распределение энергии излучения между компонентами происходит пропорционально электронной доле e этих компонентов - отношению числа электронов, принадлежащих данному компоненту, к общему числу всех электронов системы в единице массы (или объема). Переданная в-ву энергия ионизирующего излучения 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 взаимод. со средой ионизирующих излучений с различным ЛПЭ (см. Радиационно-химические реакции).
Источники ионизирующих излучений 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, к-рые 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. Ионизирующее излучение ядерных реакторов состоит из g-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 к-рых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в к-рых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрич. поля ускорители делят на высоковольтные, в к-рых направление электрич. поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в к-рых 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 к-рой 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. Нек-рые 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 к-рых 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 ионизирующих излучений все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиац. безопасности (подробнее см. в ст. Радиационная защита).
Ионизирующие излучения создают в облyчаемых объектах различные хим., физ. и биол. эффекты. В больших дозах ионизирующее излучение угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиац. стерилизации мед. препаратов и инструментов, консервации пищ. продуктов. В малых дозах ионизирующее излучение служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (напр., при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине ионизирующие излучения находят применение как диагностич. средство и для лучевой терапии опухолей. Использование ионизирующих излучений в пром-сти - основа радиац. технологии, частью к-рой является радиационно-химическая технология. Прир. источники ионизирующих излучений - естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космич. излучение, высокоэнергетич. компонента солнечного излучения, радиац. пояса Земли. Ионизирующее излучение 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.
===
Исп. литература для статьи «ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ»: 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.
Страница «ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.