XuMuK.ru - іонізуючого випромінювання - Хімічна енциклопедія

Іонізуючого випромінювання, потоки фотонів або частинок, взаємодій. яких брало із середовищем призводить до іонізації її атомів або молекул . Розрізняють фотонное (електромагнітне) і корпускулярне іонізуюче випромінювання. До фотонного іонізуючого випромінювання відносять вакуумне УФ і характеристичне рентгенівське випромінювання, а також випромінювання, що виникають при радіоактивному розпаді і ін. Ядерних р-ціях (гл. Обр. G-випромінювання) і при гальмуванні заряджених частинок в електричні. або магн. поле - гальмівне рентгенівське випромінювання, синхротронне випромінювання . До корпускулярного іонізуючого випромінювання відносять потоки a - і b-частинок, прискорених іонів і електронів , нейтронів , осколків ділення важких ядер і ін. Заряджені частинки іонізують атоми або молекули середовища безпосередньо при зіткненні з ними (первинна іонізація). Якщо вибивані при цьому електрони володіють достатньою кінетичної. енергією, вони також можуть іонізувати атоми або молекули середовища при зіткненнях (вторинна іонізація); такі електрони наз. d-електронів. Фотонне випромінювання може іонізувати середовище як безпосередньо (пряма іонізація), так і через генеровані в середовищі електрони (Непряма іонізація); внесок кожного з цих шляхів іонізації визначається енергією квантів і атомним складом середовища. потоки нейтронів іонізують середовище лише побічно, переважно. ядрами віддачі. Просторово-часовий розподіл заряджених частинок або квантів, що становлять іонізуюче випромінювання, наз. його полем. Осн. характеристики іонізуючих випромінювань: потік іонізуючого випромінювання Фn = dN / dt, де dN - число частинок, що падають на дану пов-сть за інтервал часу dt; щільність потоку jn = dФn / dS, де dФn - потік, який припадає на площу поперечного перерізу dS поглинає обсягу; потік енергії Ф = dE / dt, де dE - сумарна енергія випромінювання (за винятком енергії маси спокою); енергетичний спектр іонізуючого випромінювання - розподіл складових його частинок і фотонів по енергіях. Кількість енергії, переданої іонізуючим випромінюванням одиниці маси середовища, наз. поглиненої дозою випромінювання (див. доза ). Всі види іонізуючих випромінювань характеризуються т. Зв. лінійної передачею енергії (ЛПЕ) - енергією, переданої середовищі іонізуючої часткою в заданій околиці її траєкторії на одиницю довжини. ЛПЕ може приймати значення від 0,2 (високоенергетіч. Фотони і електрони ) До 104 еВ / нм (осколки ділення важких ядер).
Взаємодія випромінювання з середовищем. При проходженні іонізуючого випромінювання в середовищі можливі пружне розсіяння частинок, складових випромінювання, і непружні процеси. При пружному розсіянні кинетич. енергія відносить. руху частинок залишається постійною, але змінюється напрямок їх руху, тобто потік іонізуючого випромінювання розсіюється; при непружних процесах кинетич. енергія іонізуючого випромінювання витрачається на іонізацію і збудження частинок середовища. для потоку електронів характерні пружне розсіяння на ядрах атомів середовища і непружні процеси -іонізація і збудження атомів і молекул при взаємодій. з їх електронними оболонками (іонізаційні втрати) і генерація гальмівного випромінювання при взаємодій. з атомними ядрами (Радіаційні втрати). якщо енергія електронів не перевищує 10 МеВ, у всіх середовищах переважають іонізації. втрати. Для потоку прискорених іонів іонізації. втрати домінують при всіх енергіях. Енергія, що передається зарядженою часткою даного в-ву на одиниці довжини її шляху, наз. гальмівний здатністю в-ва sm = dE / dl (dE - енергія, що втрачається частинкою при проходженні елементарного шляху dl). Значення sm знижується зі збільшенням енергії заряджених частинок і ростуть з підвищенням ат. номера елемента, з к-якого полягає в-во середовища. Глибина проникнення заряджених частинок в в-во характеризується пробігом R; в воді для іонів Не2 + з енергією 5,3 МеВ R становить 39 мкм, для електронів з енергією 5 МеВ -2,5 см. Для фотонного іонізуючого випромінювання мають місце пружне розсіяння (класичні. розсіювання) і непружні процеси, основні з яких брало - фотоефект, ефект Комптона і освіту пар електрон - позитрон . При фотоефекті фотон поглинається атомом середовища з випусканням електрона , Причому енергія фотона за вирахуванням енергії зв'язку електрона в атомі передається звільненому електрону . Імовірність фотоефекту з К-оболонки атома пропорційна Z5 (Z - aт. номер елемента) і швидко зменшується з ростом енергії фотона (крива 1 на рис. 1). У разі ефекту Комптона відбувається розсіювання фотона на одному з атомних електронів ; при цьому зменшується енергія фотона, змінюється напрямок його руху і відбувається іонізація атомів середовища. Імовірність комптонівського розсіяння пропорційна Z і залежить від енергії фотонів (криві 2 і 3 на рис. 1). При енергії фотона вище 1,022 МеВ поблизу ядра стає можливим утворення пар електрон - позитрон . Імовірність цього процесу пропорційна Z2 і збільшується з ростом енергії фотона (крива 4 на рис. 1). При енергії фотона до 0,1 МеВ переважає класичні. розсіювання і фотоефект, при енергії від 0,1 до 10 МеВ - ефект Комптона, при енергії вище 20 МеВ - освіту пар . Ослаблення фотонного іонізуючого випромінювання шаром в-ва відбувається по експоненц. закону і характеризується лінійним коеф. ослаблення m, к-рий показує, на якій товщині шару в-ва інтенсивність падаючого пучка послаблюється в е раз. Зазвичай вимірюють ослаблення потоку випромінювання і вводять масовий коеф. ослаблення m / r (r - щільність в-ва): Фn = Ф0nе - (m / r). rx, де х - товщина шару в-ВA, Ф0n і Фn - падаючий і минулий потоки відповідно. При проходженні потоку фотонів через середу частина їх розсіюється, частина поглинається, тому розрізняють масові коеф. ослаблення і поглинання; другий коеф. чисельно менше першого. Кожен вид взаємодій. випромінювання з середовищем характеризується своїми масовими коеф., що залежать від енергії фотонів і ат. номера елемента, з к-якого полягає в-во середовища. Нейтронне випромінювання взаємодій. тільки з атомними ядрами середовища. за енергії нейтрони (В порівнянні з середньою енергією теплового руху kT, де k - постійна Больцмана , Т - абс. т-ра) підрозділяють на холодні (Е <kT), теплові (Е ~ kT), повільні (kT <E <103 еВ), проміжні (103 <E <5. 105 еВ) і швидкі (E> 5. 105 еВ ). нейтрони в в-ве відчувають пружне і непружні розсіювання. При достатньої енергії нейтрони можуть вибивати частково іонізують. атоми з середовища (т. зв. ядра віддачі). при захопленні нейтронів атомними ядрами можуть відбуватися ядерні реакції , Наслідком яких брало є випускання g-квантів, a - і b-частинок, осколків поділу ядра та ін. Ослаблення потоку нейтронів відбувається за експоненціальним законом Фn = Ф0nе - N sa, де N - число атомів даного виду в одиниці об'єму, s - т. зв. перетин захоплення. Значення s зменшується обернено пропорційно швидкості нейтронів , Але на цій залежності є максимуми (резонансні області захоплення), в яких брало перетин типова для кожного нуклида і може приймати значення від 2. 10 - 33 м2 для 15N до 3,6. 10 - 22 м2 для 135Хе.

Мал. 1. Залежність масового коефіцієнта ослаблення m / rg-випромінювання в воді від енергії квантів: 1 - фотоефект; 2 і 3 - іонізаційна і рассеівательная складові ефекту Комптона відповідно; 4 - ефект народження пари електрон-позитрон.

Глибину проникнення фотонного і нейтронного іонізуючих випромінювань в середу характеризують шаром половинного ослаблення D 1/2, зменшує потік випромінювання вдвічі. В разі води D 1/2 = 9 см для спрямованого потоку g-випромінювання 60Со з енергією 1,25 МеВ і D 1/2 = 8 см для спрямованого потоку нейтронів із середньою енергією 6 МеВ. акт . взаємодій. будь-якого іонізуючого випромінювання з частинками середовища триває не більше 10 - 15 с. За цей час можлива перебудова електронної підсистеми молекул середовища (ядерна підсистема залишається незмінною). У середовищі з'являються продукти взаємодій .: однозарядні іони в основному і збудженому станах , електрони разл. енергій, двозарядні іони , Синглетні і триплетні збуджені стани , Т. Зв. сверхвозбужденние стану ( СВС ), Що мають енергію вище першого потенціалу іонізації I1 частинок середовища. У газовій фазі кількість збуджених станів перевищує кількість утворилися іонів , В конденсується. фазі - навпаки. Іонізація і збудження частинок середовища можуть відбуватися з будь-якого електронного енергетичних. рівня, але процес тим імовірніше, чим менше енергія зв'язку електрона в атомах і молекулах середовища. Ефективність взаємодій. іонізуючого випромінювання з середовищем характеризують середньою енергією новоутворення W - енергією, що витрачається на освіту однієї пари іонів , Причому W перевищує I1 в 1,5-2,5 рази. Осн. частка енергії іонізуючого випромінювання передається вторинними d-електронів. Миттєве розподіл первинних і вторинних електронів по енергіях в середовищі - т. зв. спектр деградації випромінювання - дозволяє розрахувати всі процеси взаємодій. по їх перетинах в системі і визначити склад і ймовірність утворення разл. іонізованих і збуджених станів . У разі взаємодій. іонізуючого випромінювання з багатокомпонентної системою (Напр., Р-ром) розподіл енергії випромінювання між компонентами відбувається пропорційно електронної частці e цих компонентів - відношенню числа електронів , Що належать даному компоненту, до загальної кількості всіх електронів системи в одиниці маси (або об'єму). Передана в-ву енергія іонізуючого випромінювання розподіляється нерівномірно вздовж траєкторії іонізуючих частинок, тому просторів. розподіл продуктів взаємодій. також неоднорідне. Ступінь неоднорідності тим вище, чим більше ЛПЕ випромінювання. Це призводить до неоднаковим кінцевим ефектів при взаємодій. із середовищем іонізуючих випромінювань з різним ЛПЕ (див. Радіаційно-хімічні реакції ). Джерела іонізуючих випромінювань розрізняються видом і енергетичних. спектром випромінювання, конструкцією, геометрією розташування облучающих елементів, потужністю поглиненої дози і її розподілом в опромінюється об'єкті. Виділяють слід. групи: ізотопні джерела, ядерні реактори, прискорювачі заряджених частинок, рентгенівські установки. Серед ізотопних джерел наиб. поширені гамма-установки з довгоживучими радіонуклідами 60З і l37Cs.

Мал. 2. Схема гамма-ізотопного джерела для опромінення контейнерів : A - вид зверху, б - вид збоку; 1 - камера для опромінення; 2 - приміщення для завантаження контейнерів 5; 3 - джерело випромінювання в робочому положенні; 4 - він же в положенні зберігання; 6 - транспортна лінія для контейнерів ; 7 - пульт управління; 8 - бетонна захист; 9 - зубці захисного лабіринту; 10 - система підйому джерел зі сховища 11; 12 - пультова; 13 - система дозіметріч. контролю.

На рис. 2 представлена схема гамма-установки для опромінення об'єктів великого розміру. У робочій камері 1 розташовані випромінюють елементи, к-які можуть перебувати в робочому положенні 3 або в сховище 4 (при такому положенні приміщення 1 доступно для людей). Об'єкти для опромінення занурюються в контейнери 5 і по транспортної лінії 6 доставляються дистанційно до опромінювача 3. Всі приміщення знаходяться під дозіметріч. контролем 13. Іонізуюче випромінювання ядерних реакторів складається з g-випромінювання, швидких і теплових нейтронів , осколків ділення . Прискорювачі заряджених частинок - пристрої, що прискорюють електрони або іони в електричні. поле (магн. поле м. б. використано для управління потоком заряджених частинок). Розрізняють два осн. конструкційних типу прискорювачів: лінійні, в яких брало заряджені частинки рухаються прямолінійно, і циклічні, в яких брало рух йде по круговій траєкторії. За типом прискорює електричні. поля прискорювачі ділять на високовольтні, в яких брало напрямок електричні. поля під час прискорення не змінюється, і резонансні, в яких брало безперервне прискорення досягається за рахунок того, що заряджена частинка знаходиться в прискорює фазі змінного високочастотного електричні. поля. У циклич. прискорювачах (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон та ін.) необхідна енергія досягається при багаторазовому проходженні ускоряемой частки по окружності апарату, в лінійних (лінійний індукц. прискорювач, лінійний резонансний прискорювач і ін.) - за рахунок застосування високочастотного електричні. поля до лінійної периодич. системі електродів . Осн. елементи прискорювача - високовольтний генератор, джерело заряджених частинок (іонний джерело) і система, в якій проводиться прискорення. У резонансних прискорювачах процес накопичення часткою енергії відбувається за певний час, що залежить від необхідної енергії і типу прискорених частинок, тому вони працюють в імпульсному режимі. Нек-риє типи високовольтних прискорювачів (напр., Каскадний прискорювач) можуть використовуватися в режимі постійного потоку прискорених частинок. Більшість типів прискорювачів застосовують для прискорення як електронів , так і позитронів , протонів , Дейтронів, Не2 + і покладе. іонів важчих елементів. Резонансні прискорювачі високих енергій (до десятків ГеВ) застосовують в ядерній фізиці; лінійні прискорювачі з енергією до десятків МеВ - в радіаційно-хім. дослідженнях (див. імпульсний радіоліз ); високовольтні електронні прискорювачі - в прикладних цілях (використовують як прискорювачі на енергії 0,1-0,5 МеВ з потужністю в десятки кВт, так і прискорювачі на енергії в дек. МеВ з потужністю до 100 і вище кВт). Перераховані вище прискорювачі - апарати з виведеним пучком заряджених частинок. Але в самому апараті за рахунок заряджених частинок можна отримати нейтрони або рентгенівське випромінювання. нейтрони отримують в нейтронних генераторах при бомбардуванні прискореними протонами або дейтронами мішеней з соед., що містять D, Т або ін. нукліди ; одержуваний потік може перевищувати 1011 нейтрон / С (див. нейтронні джерела ). Генератори нейтронів поряд з ядерними реакторами використовують в активаційному аналізі , нейтронографії . Рентгенівське випромінювання генерують врентгеновскіх трубках, в яких брало прискорені електрони гальмуються в товстій мішені з важкого елементу (електрод); при цьому радиац. втрати значні. Рентгенівські трубки випускають для отримання випромінювань з енергіями від десятків до сотень кеВ; вони можуть працювати в безперервному або в імпульсному режимі. Разл. установки створюють в опромінюється середовищі потужність поглиненої дози від часткою Вт / г до 2. 105 Вт / год в стаціонарному режимі і 108 Вт / год в імпульсному. З огляду на сильного біол . дії іонізуючих випромінювань все джерела забезпечені захистом з сильно поглинаючих матеріалів ( бетон , Чавун, свинець ); товщина захисту визначається нормами радиац. безпеки (докладніше див. в ст. Радіаційний захист ). І онізірующіе випромінювання створюють в облyчаемих об'єктах різні хім., Фіз. і біол . ефекти. У великих дозах іонізуюче випромінювання пригнічує життєдіяльність рослин, мікроорганізмів і тварин. Цей ефект лежить в основі радиац. стерилізації мед. препаратів і інструментів, консервації харч. продуктів. У малих дозах іонізуюче випромінювання служить мутагенну і активує фактором і використовується для селекції рослин, мікроорганізмів (Напр., При отриманні антибіотиків ), Для передпосівної обробки насіння. У медицині іонізуючі випромінювання знаходять застосування як диагностич. засіб і для променевої терапії пухлин . Використання іонізуючих випромінювань в пром-сті - основа радиац. технології, частиною до-рій є радіаційно-хімічна технологія . Прир. джерела іонізуючого випромінювання здійснюватиме - природно розподілені в породах землі довгоживучі радіонукліди , Космич. випромінювання, високоенергетіч. компонента сонячного випромінювання, радиац. пояси Землі. Іонізуюче випромінювання вважається одним з прир. факторів, що вплинули на розвиток життя на Землі; воно сприяло утворенню вугілля , нафти і ряду ін. корисні копалини . Сонячне і космічних. випромінювання визначають хім. склад верх. шарів планетних атмосфер .
===
Ісп. література для статті «іонізуючого випромінювання»: ГОСТ 15484-81. Випромінювання іонізуюче і їх вимірювання; Пікаєв А. К., Сучасна радіаційна хімія . Основні положення. Експериментальна техніка та методи, М., 1985. Л. Т. Бугаєнко.

Сторінка «іонізуючого випромінювання» підготовлена за матеріалами хімічної енциклопедії .