Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Ионизирующее излучение (ИИ), состоящее из заряженных частиц (электроны, протоны, a-частицы), имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении, называют непосредственно ионизирующим излучением. Ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц (нейтроны, фотоны), которые могут создавать непосредственно ИИ и /или вызывать ядерные превращения, называют косвенно ионизирующим излучением.

К фотонному ИИ относят:

§ - излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц;

§ тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц;

§ характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атома;

§ рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному излучению относят: a-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное излучения. Частицы корпускулярного излучения или фотоны принято называть ионизирующими частицами. Смешанным ИИ называют излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов.

Объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение, называют источником ионизирующего излучения.

При прохождении ионизирующей частицы через вещество она может испытать рассеяние, поглощение (захват), деление или без взаимодействия пройти вещество.

Заряженные частицы, проходя через вещество, расходуют свою кинетическую энергию в основном при взаимодействии с электронами вещества, вызывая возбуждение атома (переход электронов на возбужденный уровень) или его ионизацию (отрыв электрона от атома), и с кулоновским полем ядра (образование тормозного излучения).

Взаимодействия заряженных частиц разделяют на упругие и неупругие. К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. Таким процессом является упругое рассеяние. При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии заряженной частицы передается образовавшимся частицам или фотонам; другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их возбуждение или перестройку. К таким взаимодействиям относятся неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного излучения.

Характер взаимодействия определяется типом заряженной частицы, ее кинетической энергией и материалом среды, через которую распространяются частицы. Особенности взаимодействия заряженных частиц с веществом:

Основными процессами передачи энергии заряженной частицей веществу в широком диапазоне энергий (примерно до 20 МэВ) являются возбуждение и ионизация атомов.

Передача энергии происходит в процессе многократных столкновений с электронами среды, причем для тяжелых заряженных частиц из-за большого различия между их массами и массой электрона не наблюдается существенного отклонения от первоначального направления движения. Специфика взаимодействия электронов состоит в том, что при соударениях с атомными электронами они могут потерять значительную (до половины) часть своей энергии и рассеяться на большие углы. Таким образом, их путь в отличие от пути тяжелых заряженных частиц не будет прямолинейным.

Средние ионизационные потери заряженной частицы на единичном пути зависят от скорости частицы и ее заряда. При одной и той же энергии эти потери для электрона во много раз меньше, чем для a-частицы. Так, при энергиях электронов в несколько МэВ ионизационные потери меньше примерно в тысячу раз, чем для a-излучения.

Потери энергии за счет упругого рассеяния пренебрежимо малы для протонов и a-частиц и заметны лишь для электронов. Так, для электронов с энергией около 1 МэВ потери энергии за счет упругого взаимодействия составляют 1/20 ионизационных потерь.

С ростом энергии заряженных частиц увеличиваются потери энергии частиц за счет испускания тормозного излучения. Такие потери энергии называются радиационными. Из всех заряженных частиц они существенны лишь для электронов достаточно высоких энергий (быстрых электронов). При небольших значениях энергии электронов основная роль принадлежит ионизационным потерям, а при большой энергии преобладают радиационные потери.

Взаимодействие фотонов с веществом. В диапазоне энергий фотонов 20 кэВ - 10 МэВ может наблюдаться более десяти различных типов взаимодействия фотонов с веществом. Для защиты от фотонного излучения радионуклидных и реакторных источников наиболее важными из них являются фотоэлектрический эффект, комптон-эффекти эффект образования электронно-позитронных пар.

Фотоэффект. При фотоэффекте фотон поглощается атомом, передает свою энергию одному из орбитальных электронов и выбивает его из атома (рис. 2). При этом кинетическая энергия этого электрона (фотоэлектрона) равна где Е₀ - энергия первичного поглощенного фотона; Е_i - энергия связи орбитального электрона на i-ой оболочке атома. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом энергии связи электронов в атоме. Поэтому наибольший вклад в этот процесс вносят электроны К -оболочки при условии, конечно, что энергия фотона равна или больше энергии Е_к связи электрона на этой оболочке.

Рис.2. Схемы фотоэффекта (а); комптоновского рассеяния (б) и образования электрон-позитронных пар (в) (Машкович, 1990)

Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной i- й оболочке может быть занято менее связанным электроном с более высокой оболочки. Этот процесс сопровождается испусканием вторичного фотонного характеристического (флюоресцентного) излучения или оже-электронов (по имени Пьера Виктора Оже - французского физика, директора Европейской организации космических исследований 1961 - 1967). Последний процесс обусловлен непосредственной передачей энергии возбуждения атома одному из внешних электронов атома. Зависимость сечения фотоэффекта s_ф от энергии фотонов и атомного номера среды приближенно можно представить в виде:

s_ф ~Z⁵ / Е₀ при Е₀ > m₀ c²;

s_ф ~Z⁵ / Е₀^7/2 при Е₀ < m₀ c².

Из приведенных соотношений видно, что при проектировании защиты от низкоэнергетического фотонного излучения наиболее эффективно использовать материалы с большими значениями Z.

Комптон-эффект представляет собой рассеяние фотона на свободном электроне (рис.2.). Фотон при этом не поглощается, а лишь изменяет свою энергию и направление движения. Из законов сохранения энергии и импульса можно установить следующую связь между углом рассеяния q_S и энергией фотона Е₀ - до рассеяния и Е_S - после рассеяния:

где m_oc² - энергия массы покоя электрона.

Из формулы видно, что максимальная потеря энергии фотоном происходит при рассеянии назад (q_S = 180⁰), причем в любом случае при сколь угодно большой энергии фотона энергия рассеянного назад фотона не может превысить 0,255 МэВ. При комптоновском рассеянии угол между направлением движения первичного и рассеянного фотонов может изменяться в пределах 0 £ q_S £ 180⁰, электрон отдачи может отклоняться от направления движения первичного фотона на угол y £ 90⁰.

Эффект образования электронно-позитронной пары. Фотон с энергий превышающей удвоенную энергию покоя электрона 2 m₀c² = 1, 022 МэВ, может образовать в поле ядра электронно-позитронную пару (рис.2). Кинетическая энергия пары равна Е_п = Е₀ - 2m₀c², где Е₀ - энергия фотона.

Электронно-позитронная пара может быть также образована в поле атомного электрона. Однако вероятность этого процесса примерно в Z раз меньше, чем образование пары в поле ядра. Поэтому в задачах переноса фотонов в веществе его роль незначительна.

Образованные в этом эффекте электрон и позитрон производят ионизацию среды, частично их энергия тратится на образование тормозного излучения. Замедлившись, позитрон рекомбинирует с одним из свободных электронов среды, образуя вторичное аннигиляционное излучение с выходом двух фотонов с энергией 0,511 МэВ каждый. Возможна также аннигиляция позитронов в полете. Эффект наиболее важен в области высоких энергий и сред с большим Z.

Таблица 4

Интервалы энергий фотонов, в которых один из трех процессов взаимодействия фотонов с веществом является доминирующим (Машкович, 1990)

Роль вторичного фотонного излучения. Рассмотренные выше процессы взаимодействия приводят к появлению следующего вторичного фотонного излучения: а) аннигиляционное излучение, обусловленное рекомбинацией замедленных до низких энергий позитронов, образованных в эффекте образования пар, и аннигиляцией позитронов в полете; б) флуоресцентное излучение, обусловленное переходом электронов на вакантные места в электронной оболочке; в) тормозное излучение, образующееся при замедлении фотоэлектронов, электронов и позитронов пар, комптоновских электронов и оже-электронов.

Вклад аннигиляционного излучения в дозу возрастает с увеличением Е₀ и Z. Например, для Е₀ = 8 МэВ на глубине в 7 д.с.п. он составляет в воде 4,2%, а в свинце - 11% (д.с.п. - длина свободного пробега).

Роль тормозного излучения также возрастает с увеличением Е₀ и Z. Для Е₀ = 8 МэВ оно увеличивает дозу за барьером толщиной в 10 д.с.п. из воды - на 4,9%; из железа - на 11%;, из свинца - на 39%.

Флюоресцентное излучение, роль которого резко уменьшается с возрастанием Е₀, особенно значительно проявляется в тяжелых средах, когда Е₀ близка к энергии К -скачка. Например, флюоресцентное излучение на выходе из свинцовой пластины толщиной 10 д.с.п. для Е₀ =0,1 МэВ ведет к увеличению дозы в десятки раз. Однако уже для энергии источника 0,5 МэВ и выше флюоресцентным излучением с погрешностью до нескольких процентов можно пренебречь.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Не имея электрического заряда, нейтрон не взаимодействует с электрическим полем заряженных частиц и ядер атомов и может пройти значительные расстояния в веществе до столкновения с ядром. В поле ядра атома нейтроны в зависимости от их энергии могут испытывать различные типы взаимодействия: упругое и неупругое рассеяния, радиационный захват с испусканием фотона, захват с испусканием заряженных частиц и деление ядер. Сечения этих процессов сложным образом зависят от энергии нейтронов и значительно различаются для разных элементов. Это особенно заметно для легких элементов.

На практике условно принято следующее разбиение нейтронов по энергиям:

Медленные, Е <1 кэВ. В эту группу входят тепловые (5×10^-3 эВ < Е < 0,5 эВ), надтепловые (0,5 эВ < Е < 1 кэВ).

Промежуточные, 1 кэВ £ Е < 0,2 МэВ.

Быстрые, 0,2 £ Е < 20 МэВ.

Сверхбыстрые, Е ³ 20 МэВ.

Рассмотрим теперь основные процессы взаимодействия нейтронов с веществом.

Упругое рассеяние. В этом виде взаимодействия нейтрон рассеивается ядром, изменяет направление движения, теряя часть своей энергии. Упругое рассеяние играет большую роль в ослаблении потока быстрых нейтронов. Наиболее эффективное ослабление на единицу массы наблюдается в водородсодержащих средах. Так как массы протона и нейтрона практически одинаковы, то при столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем теряет половину своей энергии. Таким образом, ослабление быстрых нейтронов в водороде (водородосодержащей среде) приводит к постепенному сбросу их энергии, в результате которого нейтроны переходят в область тепловых энергий и поглощаются ядрами водорода. Можно считать, что в других веществах нейтроны с энергией приблизительно до 1 МэВ преимущественно испытывают упругие рассеяния.

Неупругое рассеяние. Неупругое рассеяние нейтронов имеет пороговый характер. Оно может произойти лишь в том случае, если энергия падающего нейтрона Е₀ превысит энергию Е * первого возбужденного состояния ядра-мишени. После неупругого рассеяния ядро-мишень остается в возбужденном состоянии, а энергия нейтрона равна Е₀ - Е *. В большинстве случаев энергия возбужденного ядра-мишени снимается путем испускания одного или нескольких фотонов, спектр которых определяется структурой энергетических уровней возбужденного ядра.

Неупругое рассеяние нейтронов существенно лишь для тяжелых ядер. Если энергия нейтрона становится ниже порога неупругого рассеяния, то из-за очень слабого замедления он может пройти в тяжелых материалах большое расстояния. Для ослабления таких нейтронов необходимо вводить в защиту вещества с легкими ядрами, эффективно ослабляющими нейтронный поток вследствие упругого рассеяния.

Поглощение нейтронов. Поглощение нейтронов относится к классу неупругих взаимодействий и для большинства элементов происходит в области малых энергий нейтронов. После поглощения (захвата) нейтрона ядро находится в возбужденном состоянии, переход из которого в нормальное состояние сопровождается испусканием одного или нескольких фотонов. Подавляющее большинство нейтронов поглощается в тепловой области энергий. Фотонное излучение, возникающее при радиационном захвате, имеет весьма высокую энергию (6 - 8 МэВ) и часто играет определяющую роль в формировании поля излучения под защитой. Это следует учитывать при выборе конструкционных материалов при выборе защиты - некоторые легкие элементы (Li, B) при захвате нейтронов испускают заряженные частицы, защита от которых не представляет серьезной сложности.