Радиационные понятия

Ионизирующее излучение – любое излучение, способное при взаимодействии с веществом создавать в нём ионы. Важнейшей характеристикой ионизирующего излучения является его энергия. Единицей СИ энергии излучения является джоуль (Дж). Единицей энергии, обычно используемой в радиационной химии, является электровольт (эВ). Он равен энергии, которую приобретает один электрон (заряд электрона 1,60219 ^. 10^-19 Кл) при прохождении разности потенциалов в один вольт и равен 1,60219 ^. 10^-19 Дж. Применять эВ, особенно в радиационной химии, разрешено без ограничений. Дело в том, что основной количественной характеристикой любого радиолитического превращения является радиационно-химический выход – число молекул, ионов, атомов, свободных радикалов и пр., образующихся или расходуемых при поглощении веществом энергии в 100 эВ. Электровольт – сравнительно небольшая единица энергии. Могут использоваться килоэлектровольты кэВ (10³) и мегаэлктровольты МэВ (10⁶).

Когда облучению подвергаются биологические объекты (например, человек) обычно используют понятия «поглощённая доза», измеряемая до 1979 года в Греях (Гр) (Английский физик Луис Гарольд Грей, 1905 – 1965 гг), а теперь в Зивертах (Зв). (Шведский физик Рольф Максимилиан Зиверт, 1896 – 1966гг). 1 Зиверт равен дозе любого вида ионизирующего излучения, производящего такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 Гр, а 1 Гр равен поглощённойдозе, при которой облучаемому веществу массой в 1 кг передаётся энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Значит, для среднего человека массой 70 кг 1 Зв соответствует общей поглощённой энергии 70 Дж. Для человека это вызывает сильное лучевое поражение, а в теплотехнике это вызовет нагрев стакана воды на 0,1 ^оС.

Виды излучений – квантовое и корпускулярное. К квантовым излучениям относятся электромагнитные излучения с длиной волны l £ 10^{-9 м, а именно:} g-излучение и рентгеновские лучи (Х-rays). g-излучение – это квантовое излучение атомных ядер, возникающее при переходе ядра из возбуждённого состояния в основное или в состояние с меньшей энергией (l = 10^-11 – 10^{-13 м).} g-излучение возникает при распаде радиоактивных ядер, проходящем с испусканием a - или b-частиц, после чего ядро остаётся в возбуждённом состоянии. Энергия g-излучения лежит в пределах 0,001 – 10 МэВ.

Различают мягкое g-излучение (0,1 – 0,2 МэВ), среднее (0,2 – 1,0 МэВ), жёсткое (1,0 – 10 МэВ) и сверхжёсткое (³ 10 МэВ).

Рентгеновское излучение (Х-rays) возникает на аноде рентгеновской трубки в результате торможения быстрых электронов, испускаемых катодом. Оно возникает, кроме того, в ускорителях, кинескопах и т.п., обладает большой проникающей способностью.

Корпускулярные излучения представляют собой поток элементарных частиц высоких энергий, а также ядер атомов (a, b). a-излучение представляет собой ядра Не²⁺, имеющие скорость 4 – 6 км/с, с энергией 2 – 9 МэВ и наблюдаются у естественно радиоактивных элементов – Ra, Th, U,. Po и др., т.е. с большой атомной массой. b- излучение – это поток электронов с энергией до 10 МэВ. При одинаковой энергии ионизирующая способность a-излучения больше, чем b, а b больше, чем g.

Существуют ещё протонное (р или Н⁺) и нейтронное (n⁰) излучения.

Для характеристики излучений имеется много различных параметров. В нашем курсе могут упоминаться интенсивность излучения j, мощность дозы излучения Р и поглощённая доза излучения D.

Интенсивность излучения – это энергия ионизирующего излучения, проходящего за единицу времени в объём элементарной сферы, рассчитанная на единицу площади поперечного сечения этой сферы, Вт/м².

Поглощённая доза излучения – это поглощённая энергия излучения, рассчитанная на единицу массы облучаемого вещества, Дж/кг = грей (Гр) (рад). До 1982 г единицей дозы излучения был рад. 1 рад = 10^-2 Гр.

Мощность дозы излучения – доза излучения, рассчитанная на единицу времени, Дж/кг·с = Вт/кг = рад/с.

Электромагнитные излучения, в частности, g-излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами и ядрами его атомов, в результате чего в веществе появляются свободные электроны, а g-лучи теряют часть своей энергии из-за протекания следующих процессов:

1) истинного поглощения, т.е. превращения энергии g-излучения в другие виды энергии;

2) упругого или неупругого рассеивания g-квантов.

Характер взаимодействия рентгеновского и g-излучения с веществом зависит от их энергии. До энергии» 1´10⁶ эВ в результате различных процессов происходит образование свободных электронов и изменение энергии излучения с одновременной ионизацией вещества. При энергии g-излучения больше 1´10⁶ эВ образуются пары `e + р⁺. При энергии больше 8´10⁶ эВ – ядерный фотоэффект и ядерные реакции с излучением n⁰ и образованием радиоактивных ядер, вызывающих вторичное радиационное воздействие.

Взаимодействие корпускулярных излучений с веществом зависит от типа частиц и, естественно, их энергии.

Электроны проникают сравнительно неглубоко, поэтому глубинные слои получают свою дозу лишь за счёт тормозного излучения. Возможны следующие эффекты:

1) Упругое рассеяние, при котором изменяется только направление движения падающих электронов;

2) Возбуждение внешних электронов атомов;

3) Ионизация внешних и внутренних уровней;

4) Смещение частиц (атомов или ионов) из узлов кристаллической решётки в междоузлия;

5) Появление тормозного излучения (рентгеновского);

6) Ядерные реакции.

Главными эффектами являются возбуждение и ионизация. Вероятность упругого рассеяния при энергии 10 ¸ 1000 кэВ всего 5%. Преобладает рассеяние от ядер, а не от электронной оболочки. Чем выше порядковый номер вещества Z и меньше энергия электрона, тем на больший угол он может отклониться. Максимальная энергия, которую может сообщить электрон атому Е_{ат. макс} = 2160 Е_{электрона} / Z, МэВ.

При неупругом рассеянии вероятность ионизации при энергии электронов 10 ¸ 10³ кэВ составляет 35%, возбуждение – 60%. Если энергия электронного излучения незначительно превышает энергию электронов на внешних уровнях, то ионизируются только внешние электронные оболочки. Чем выше энергия излучения, тем более глубокие электронные уровни ионизируются и это сопровождается испусканием рентгеновских лучей.

Возможна многократная ионизация вследствие эффекта Оже: электроны высокой энергии тормозятся электрическим полем ядер, что вызывает тормозное рентгеновское излучение. Оно, в свою очередь, вызывает дальнейшую ионизацию и образование пар е^- - р⁺ и т.д. Таким образом образуются каскадные ливни.

При взаимодействии протонов с веществом возможно либо электромагнитное воздействие, либо поглощение ядрами.

При электромагнитном воздействии протоны вступают в реакцию с электронами или ядрами атомов. Взаимодействие с электронами приводит к возбуждению и ионизации, взаимодействие с ядрами приводит к упругому рассеянию под весьма малыми углами.

Вероятность различных процессов взаимодействия зависит в основном от энергии протонов и природы взаимодействующего с ним вещества и характеризуется эффективным сечением взаимодействия. Это гипотетическая площадь круга, описанного вокруг ядра-мишени, при попадании частицы в которую осуществляется реакция данного типа. С увеличением энергии протонов и толщины материалов возрастает вероятность ядерных взаимодействий.

Взаимодействие нейтронов с веществом сводится к взаимодействию их с ядрами атомов, при этом может происходить либо упругое рассеяние со временем рассеяния 10^-18 – 10^-21с, либо поглощение нейтронов с образованием составного ядра, находящегося в возбуждённом состоянии и существующего 10^-12 – 10^-15с. Результатом поглощения является испускание g-излучения, нейтронов n⁰, протонов р⁺, a-частиц, либо осколков деления ядер. Рассеяние или поглощение зависит от энергии нейтронов и природы вещества и характеризуется эффективным сечением взаимодействия. При энергиях 0,5 – 20 МэВ преобладает упругое рассеяние, при меньших энергиях – ядерное взаимодействие.

Радиационные повреждения материалов возникают в результате прямых и вторичных процессов. Прямые эффекты приводят к возбуждению электронов, атомов и молекул, смещению атомов из узлов решётки, ядерным превращениям. Вторичные эффекты приводят к дальнейшему возбуждению, нарушению структуры материала смещёнными атомами, ионами и элементарными частицами. Основные нарушения структуры сводятся к возникновению вакансий, появлению внедрившихся в междоузлия атомов, столкновению при замещениях, термическим пикам, ионизационным эффектам и др.