Перечень вопросов по дисциплине "Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений",

3-4 курс, очно-заочная форма обучения, 2012/2013 уч. год

Виды ионизирующих излучений

Активность радионуклида, связь массы радионуклида с его активностью.

Активность радионуклида в источнике А — отношение числа спонтанных (самопроизвольных) ядерных превращений dN, происходящих в источнике за интервал времени dt, к этому интервалу: А = dN/dt. Это выражение названо универсальным законом радиоактивного распада. Связь между активностью радионуклида А (Бк) и его массой m (г): A =m ⋅ 6,023⋅10²³*0,693/(A_mT_1/2), Бк, где T_1/2, с.

Поле ионизирующего излучения и его характеристики.

Под полем ионизирующего излучения в дозиметрии понимают область пространства, каждой точке которой поставлены в соответствие физические величины (скалярные или векторные), являющиеся характеристиками поля излучения, которые определяют пространственно-временное распределение излучения в рассматриваемой среде.

Дозовые характеристики поля ИИ.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза и.и.. Переданная энергия (в указанном объеме) реализуется (расходуется) в процессах ионизации, возбуждения ядер или атомов, упругих столкновениях.

Средняя энергия ионообразования.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Сам процесс называется ионизацией. Энергия ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ. Для образования одной пары ионов в воздухе g-излучение в среднем расходует энергию ε = 33,85 эВ на пару.

Виды ионизирующих излучений и их дозиметрические характеристики

Явление радиоактивного распада – самопроизвольное (спонтанное) превращение атомных ядер некоторых элементов (например, урана, тория, радия и др.) в ядра атомов других элементов с испусканием α (альфа) –, или β (бета) – частиц, сопровождающееся γ (гамма) – излучением называется радиоактивностью. α – частицы, ядра атома гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементов (радия, тория и др.). β – частицы – поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов.

β-излучение обладает бóльшей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучения являются позитроны, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны) - коротковолновое электромагнитное излучение, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов, обладающее в бóльшей степени корпускулярными, чем волновыми свойствами. Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен, в основном, как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок (бетатронов и т. п.).

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, но значительный ионизирующий эффект происходит за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ.

Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью.

Процесс передачи ионизирующих излучений веществу

Общая характеристика взаимодействия частиц, фотонов и нейтронов с веществом.

Ионизация атомов представляет собой процесс превращения нейтральных атомов среды под действием ионизирующего излучения в заряженные частицы — электроны и ионы, т.е. образование пары ионов. Комбинация выбитого электрона и ионизированного атома называется ионной парой.

В различных материалах на образование ионной пары необходима энергия 30 — 40 эВ. Эта энергия называется энергией образования пары ионов ε. Для образования одной пары ионов в воздухе g-излучение в среднем расходует энергию ε = 33,85 эВ на пару. Полная ионизация N_n — это количество пар ионов, образованных ионизирующим излучением, на всем пути в среде: N_n = Ε/ε,

Линейная плотность ионизации N_L (удельная ионизация) — это количество пар ионов, образованных ионизирующим излучением на единице пути (L): N_L = N/R = E/εR. Непосредственно и.и. состоит из заряженных частиц, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомом вещества. В качестве примера это могут быть протоны, электроны, альфа-частицы и т. д.

Косвенно и.и. — это поток незаряженных частиц, например, нейтронов, гамма-квантов, взаимодействие которых со средой приводит к появлению заряженных частиц, способных непосредственно вызвать ионизацию.

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Можно чётко провести различие между «электронными столкновениями», при которых энергия падающей частицы передается одному из электронов атома, в результате чего происходит возбуждение или ионизация атома (неупругое столкновение), к таким взаимодействиям относится неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного излучения, и

«ядерными столкновениями», при которых импульс и кинетическая энергия частицы частично переходят в поступательное движение атома как целого (упругое столкновение). При этом сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. Таким процессом является упругое рассеяние.

Пробег заряженных частиц

Линейный пробег R — это путь, пройденный заряженной частицей до полной потери кинетической энергии, или минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения ионизирующего излучения. Понятие пробега относится только к заряженным частицам, фотонное излучение пробега не имеет. Пробег увеличивается с ростом энергии излучения, пропорционален массе частицы и обратно пропорционален квадрату ее заряда.

Взаимодействие тяжелой заряженной частицы с веществом.

Пробег тяжёлой частицы определяется как расстояние, на котором интенсивность пучка частиц составляет половину от начальной интенсивности.

Альфа-частицы характеризуют двумя основными параметрами: длиной пробега (в воздухе до 9 см, в биологической ткани до 52 мкм) и кинетической энергией E_α, изменяющейся от 2 до 9 МэВ.

Альфа-частицы, проходя через вещество (среду), взаимодействуют с электронами атомов вещества. Процесс взаимодействия альфа-частиц с ядрами вещества маловероятен, так как, во-первых, масса ядра атомов вещества значительно больше массы частицы, во-вторых, ядро и альфа-частица имеют одинаковый (положительный) электрический заряд.

Получив кинетическую энергию, один или несколько атомных электронов уходят с орбит, и атом становится ионом. Если полученной энергии недостаточно, то атомные электроны смещаются на другие орбиты и атом возбуждается. И в том, и в другом случае потери энергии альфа-частицей называют ионизационными. α-частица с энергией 7 МэВ образует Nn=E/=7·10⁶/33,85=2·10⁵ пар ионов. Эмпирическая формула пробега α-частицы в воздухе с E₀ до 9 МэВ: R_α=1,24E₀− 2,62 (см).

При альфа-распаде кинетическая энергия, полученная альфа-частицей, обусловлена разницей массы родительского и дочернего ядра. Из энергетического спектра альфа-частиц видно, что все альфа-частицы испускаемые при альфа-распаде имеют кинетическую энергию равную энергии распада.

Взаимодействие электрона с веществом.

Электрон в ядре создается при распаде нейтрона в протон и электрон. Протон остается в ядре, электрон испускается как бета-излучение. Практически почти ни одна бета-частица не имеет кинетической энергии равной энергии распада (в среднем около 1/3).

Энергия расходуется на ионизационные и радиационные потери, на рассеяние β-частиц.

Полная ионизация представляет собой сумму первичной и вторичной ионизации.

Число электронов в 1 см3 вещества можно вычислить из соотношения n = Ν_Α·ρ·(Ζ/Α) = 6,023·10²³·ρ·(Ζ/Α). β-частицы тормозятся в поле ядра и меняют направление своего движения, испуская тормозное излучение. Радиационные потери энергии пропорциональны энергии электронов и квадрату порядкового номера элемента, в котором они распространяются. Эффективный пробег электронов равен толщине слоя вещества, в котором происходит полное поглощение электронов заданной энергии (в воздухе  1 м). Пробег β-частиц максимальной энергии E₀ в алюминии R ≈ 2E₀ мм, в воздухе R ≈ 4E₀ м. Сечение аннигиляции позитронов обратно пропорционально скорости позитронов: σ_анниг ~ 1/ν, поэтому позитроны аннигилируют, практически потеряв всю свою энергию.

Взаимодействие фотонного излучения с веществом.

Взаимодействие нейтрона с веществом. Макро- и микроскопическое сечения взаимодействия. Пробеги нейтронов до взаимодействия.

Типы ядерных реакций