Ионизирующие излучения и их проникающая способность

Рис. Три вида радиоактивных излучений и их свойства.

Взаимодействие излучений с веществом приводит к возбуждению или,

как правило, к ионизации встречных атомов и молекул поглощающей среды.

При взаимодействии бета-частиц с веществом, вследствие их неодинаковой энергии, они легко рассеиваются веществе и затормаживаются на различных расстояниях. Их действительные пути оказываются в 1.5–4 раза больше толщины поглотителя. Поэтому пробег бета-частиц нельзя однозначно характеризовать длиной пробега. Явление рассеивания приводит к тому, что даже частицы с одинаковой энергией проходят в веществе совершенно разные по протяженности пути. Экспоненциальная зависимость ослабления бета-частиц может быть записана в виде:

I_l = I₀ ·e^{- l},

где, I_l и I₀ – число падающих на поглотитель частиц и число прошедших сквозь него, l–толщина поглотителя (см), – справочный коэффициент.

Обычно величину максимального пробега бета-частиц определяют как слой половинного ослабления, то есть слой, снижающий вдвое начальное количество частиц. Значения максимального пробега бета-частиц в различных средах близки, поэтому поглощающую способность многих веществ можно характеризовать величиной максимального пробега, определяемой для алюминия, и выражают в г/см² (поверхностная плотность).

Альфа-частица, обладая большой массой и размером, движется прямолинейно, но путь ее короткий. К концу пробега (в хвосте), удельная плотность ионизации максимальна, после чего ионизация прекращается практически сразу. Ионизирующая способность около 10000–40000 пар ионов на один сантиметр пробега в воздухе. Альфа излучение всегда «мягкое», закона ослабления нет. В конце пути альфа-частица захватывает два электрона и превращается в атом гелия.

При взаимодействии гамма кванта с веществом, в зависимости от его энергии, может произойти фотоэффект (Е 0,25 МэВ), комптон эффект (0,25МэВ Е 1.022МэВ) или эффект образования электрон-позитронной пары (Е 1.022 МэВ).

Интенсивность гамма-излучения при прохождении через вещество снижается в соответствии с экспоненциальным законом:

I_l = I₀ ·e^{- l},

где, I_l –интенсивность излучения после прохождения слоя вещества толщиной «l», I₀ –исходная интенсивность излучения, – справочный коэффициент.

Конечного побега гамма излучения в веществе нет, поэтому проникающую способность характеризуют толщиной слоя половинного ослабления (d ).

Раздел 4. Методы регистраци ионизирующих излучений

4.1. Классификация методов регистрации ионизирующих излучений и основные термины

Изучение радиоактивных веществ нельзя увидеть подобно световому излучению, не ощущаем мы его и в виде теплового излучения, не воспринимаем органами слуха, следовательно обнаружить непосредственно его не удается. Несмотря на то, что до сих пор еще никто не видел непосредственно электроны или гамма -кванты, мы не сомневаемся в их существовании и знаем о наличии у них определенных свойств. Это стало возможным благодаря косвенным наблюдениям, осуществляемым с помощью сложных приборов, которые позволяют получать ценные сведения о свойствах этих частиц, гораздо более точные, чем те, что дают наши органы чувств.

Пока частица летит и ни с чем не взаимодействует, она не наблюдаема. Любой процесс регистрации частицы сводится к наблюдению результата взаимодействия ее с веществом. В зависимости от характера взаимодействия излучения с веществом методы регистрации излучения условно можно разделить на:

- ионизационные, основанные на ионизирующем действии излучения;

- оптические, можно встретить сцинтилляционные - регистрация люминисценции некоторых веществ под действием излучения;

- радиографические, основанные на химическом воздействии излучений на фотоэмульсию;

- методы, основанные на эффекте Черенкова-Вавилова, заключающиеся в том, что в некоторых веществах появляется свечение при пролете через них частицы, движущийся со скоростью, превышающей скорость распространения света в данном веществе.

Энергия, затрачиваемая частицей в результате различных процессов взаимодействия в дальнейшем может преобразовываться в иные формы энергии. Так, энергия передаваемая излучением ядрам и электронам среды, в конечном итоге превращается в тепловую энергию. Другими словами, при прохождении излучения через вещество последнее нагревается. Ионизация некоторых веществ способствует протеканию в них специфических химических реакций, в результате чего возникают новые вещества.

Все эти процессы, заключающиеся в преобразование энергии излучения в другие виды энергии используют для регистрации частиц. Чтобы зарегистрировать указанные процессы, необходимы определенные устройства.

Устройства, предназначенные для преобразования энергии ионизирующего излучения в другие виды энергии, удобные для индикации и последующей регистрации и измерения, называются детекторами ионизирующего излучения. Латинский, детектор - тот, кто раскрывает, обнаруживает.

Но детекторы, как правило, это лишь часть комплекса аппаратуры, предназначенной для регистрации излучений. Эффект, создаваемый излучением в детекторе, должен быть преобразован в электрический ток, который может привести в действие электрическое регистрирующее измерительное устройство.

Устройства, предназначенные для регистрации действия излучения на детектор, называются регистраторами.

Комплекты устройств - детектор и регистратор обычно называют радиометрами.

Радиометры - приборы, предназначенные для получения информации об активности нуклидов, плотности потока и потоке ионизирующих частиц или фотонов.

Разновидность радиометров представляют собой дозиметры отградуированные в единицах дозы или мощности излучения.

Дозиметры - приборы, предназначенные для получения информации об экспозиционной дозе и мощности экспозиционной дозы или (и) об энергии, переносимой ионизирующим излучением или переданной им объекту, находящемуся в поле его действия.

Существует электрофизическая аппаратура, которая позволяет расшифровать в деталях свойства излучения, проходящего через детектор. Приборы, предназначенные для анализа свойств (состав, энергия и т.д.) излучений, называются анализаторами. В настоящее время различные типы анализаторов принято называть спектрометрами. Спектрометры - приборы, предназначенные для получения информации о спектре распределения ионизирующего излучения по одному или более параметрам, например по энергии квантов или частиц в потоке излучения.

Иногда регистрация следов прохождения отдельных ионизирующих частиц через вещество. По длине следа обычно определяют энергию зарегистрированной частицы, а по виду следа - тип частицы. Такие детекторы принято называть следовыми камерами, а также это могут быть толстослойные фотоэмульсии.

Остановимся подробнее на классификации детекторов. В зависимости от используемого процесса взаимодействия излучения с веществом различают следующие основные типы детекторов.

1 .Ионизационные детекторы, в которых непосредственно используется создаваемая излучением ионизация вещества. К ним относятся ионизационные камеры, газоразрядные счетчики разных типов (включая коронные и искровые счетчики), полупроводниковые детекторы, камера Вильсона, фотоэмульсии и некоторые другие виды детекторов.

2. Радиолюминесцентные детекторы, в которых используются сцинтилляции (вспышки света), сопровождающие возбуждение и ионизацию атомов и молекул среды. К этой группе относятся сцинтилляционные счетчики разных типов и термолюминесцентные детекторы.

3. Детекторы Черенкова, использующие так называемое излучение Вавилова - Черенкова.

4. Калориметрические детекторы, принцип действия которых основан на использовании нагрева вещества под действием излучения.