Защ.нас-я в ЧСdoc3

элементарной сферы, к площади центрального сечения dS этой сферы:

Единицей измерения потока энергии ионизирующего излучения в системе СИ является Ватт на квадратный метр (Вт/м2), то есть в сферу с площадью центрального сечения 1 м2 за 1 с проникает излучение с энергией 1 Дж.

Флюенсом (переносом) ионизирующих частиц называется отношение количества ионизирующих частиц dN, которые попадают в объем элементарной сферы, к площа-

Единицей измерения флюенса ионизирующих частиц в системе СИ является м-2 или част./м2.

Флюенсом (переносом) энергии ионизирующего излучения называется отношение энергии ионизирующего излучения dE, которое попадает в объем элементарной сферы, к площади центрального сечения dS этой сферы:

Единицей измерения флюенса энергии ионизирующих излучений в СИ является Дж/м2.

На практике энергия частиц или гамма-квантов Е выражается не только в Джоулях. Существует внесистемная единица энергии - электронвольт (эВ).

ускоренный разностью потенциалов в 1В.

При изучении процессов ионизации среды ионизирующими излучениями используется еще одно понятие - линейная плотность ионизации.

Количество пар ионов, образованных в среде фотоном или частицей на единице пути, называется линейной плотностью ионизации (dN/dt), которая характеризует ионизирующую способность излучения.

30

Энергия, которая теряется частицей или гамма-кван- том на единице длины их пути в веществе, называется

линейной передачей энергии:

dF

За единицу ЛПЭ в системе СИ принимается Дж/м.

1.2.3. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Альфа-частицы, бета-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество при своем движении, с одной стороны, производят ионизацию или возбуждение атомов, а с другой - проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном в результате упругих или неупругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии. Они вызывают ионизацию или возбуждение атомов (то есть выбивание электрона с орбиты или перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту).

Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань. Зная

свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, последние можно использовать для защиты как человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения

свеществом зависят:

-от массы, заряда потока частиц и их энергий;

-от вида фотонов и их энергий;

-от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

31

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

Упругое взаимодействие аналогично столкновению бильярдных. шаров и характерно для электрически нейтральных частиц (нейтронов). Нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передать часть энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это атом тяжелого элемента, то передается только часть энергии. При этом нейтрон замедляется и далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать такое количество энергии, которого достаточно, чтобы ядро «выскочило» из электронной оболочки. В этом случае образуются заряженные частицы, обладающие значительной скоростью, которые способны осуществлять ионизацию среды. Результатом упругого взаимодействия может быть и смещениеатомов с узлов кристаллической решетки.

Аналогичным образом взаимодействуют с веществом и фотоны. Фотон самостоятельно не способен ионизировать среду, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды. Таким образом, нейтроны и фотоны способны косвенно ионизировать вещество.

Итак, при упругом взаимодействии не изменяется природа частиц, и их суммарная энергия остается постоянной до и после взаимодействия, происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай упругого взаимодействия, когда не изменяется энергия каждой из взаимодействующих частиц, а происходит толь'ко изменение направления их движения.

При неупругом взаимодействии часть энергии может затрачиваться на нагревание вещества, возбуждение атомов или их ионизацию. В процессе взаимодействия может происходить и изменение природы частиц в результате протекания ядерных реакций, рождения и аннигиляции частиц.

Неупругое взаимодействие характерно для заряженных частиц. В зависимости от знака и величины кинетической энергии они способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома или возбуждать атомы. Попадая в зону действия электрического поля, заряженные частицы тормозятся и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение. Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам, либо испускают характеристическое излучение, либо, соударяясь с другими возбуждёнными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

32

С учетом вышесказанного можно сделать следующие

вь1водгл:

• заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

•при взаимодействии с орбитальными электронами энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ, и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ;

•в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы;

•при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения, или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно 'большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией. Рассмотрим взаимодействие различных видов излучений с веществом.

Гамма - излучение

Взаимодействие гамма-квантов с веществом может сопровождаться фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием электрон-позитронных пар. Вид эффекта зависит от энергии гамма-кванта:

энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (энергия связи выбитого электрона из атома).

33

Фотоэффект возникает при Е^ = 10 эВ-0,2 МэВ, то есть при относительно малых значениях энергий, и происходит на внутренних электронах атома, в основном на электронах К-оболочки. В этом случае вся энергия гаммакванта передается орбитальному электрону и он выбивается Из орбиты (см. рис. 1.5). При этом часть энергии гамма-кванта расходуется на преодоление энергии связи орбитального электрона с ядром, а остальная часть превращается в кинетическую энергию выбитого электрона.

Фотоэлектрон

Электрон Оже

Y

Рис. 1.5. Явление фотоэффекта

Выбитый электрон называется фотоэлектроном. Именно он может вызвать ионизацию других атомов. В результате его отрыва в атоме появляется свободный уровень, который заполняется одним из наружных электронов. При этом либо испускается вторичное мягкое характеристическое излучение (флуоресцентное излучение), либо энергия передается одному из электронов, который покидает атом (электрон Оже). Флуоресцентное излучение наблюдают в материалах с большим атомным номером. В материалах с низким атомным номером преобладает образование электронов Оже. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом атомного номера материала и уменьшается с ростом энергии фотона.

Справка. Название «фотоэффект» дано потому, что этот эффект обнаружен при исследовании солнечного света («фотос» на греческом - «свет»).

34

Сростом энергии гамма-квантов явление фотоэффекта

ст а н о в и т ся все меньше, а п р и энергии 100-200 кэВ начи-

нает преобладать Комптон эффект.

Комптоновским рассеиванием называется процесс взаимодействия фотонного излучения с веществом, в котором фотон в результате упругого столкновения с орбитальным электроном теряет часть своей энергии й изменяет направление своего первоначального движения, а из атома выбивается электрон отдачи (комптоновский электрон). При этом частота, а следовательно, и энергия рассеянного гамма-кванта будут меньше (рис. 1.6).

Такой процесс больше всего характерен для фотонов, энергия которых значительно превышает энергию связи электронов в атоме, поэтому рассеяние происходит только на внешних (валентных) электронах.

На основе законов сохранения импульса и энергии получаем формулу для изменения длины волны ЛХ (нм) рассеянного фотона

Из полученной формулы следует, что увеличение длины волны X рассеянных фотонов не зависит от длины волны Х0 падающих фотонов, а изменяется только от угла рассеивания ср.

35

Образование электрон-позитронных пар

Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то он поглощается ядром, а из последнего одновременно вылетают электрон и позитрон (рис. 1.7). Таким образом, гамма-кванты способны косвенно ионизировать вещество. Возникшей паре передается вся энергия гамма-кванта за вычетом энергии покоя пары, равной f,022 МэВ.

Рис. 1.7. Механизм эффекта образования электроннопозитронной пары

Следует отметить, что позитрон, попадая в среду электронов, быстро исчезает за счет аннигиляции с одним из электронов. В этом случае испускается 2 фотона с энергией по 0,511 МэВ.

Проникающая способность гамма-квантов

Как уже отмечалось, гамма-квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Не имея массы, они не могут замедляться в среде, а лишь поглощаются или рассеиваются.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность излучения по следующему закону (рис. 1.8):

где I = Е • п/t; n/t - число гамма-квантов, падающих на единицу поверхности в единицу времени (плотность потока гамма-квантов); ц - коэффициент поглощения; х - толщина поглотителя (вещества), см; IQ — начальная интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с. Вывод этой формулы аналогичен выводу формулы (1.14).

36

В формуле (1.45) величина ц определяется из таблиц, н 0 она не несет прямой информации о степени поглощения гамма-лучей веществом.

Поэтому в практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя поло- винного ослабления».

х

Рис. 1.8. К оценке ослабления гамма-излучений веществом

Толщина слоя половинного ослабления - это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гамма-квантов уменьшается в 2 раза. Запишем уравнение (1.45) в виде:

Полагая 1о/1 = 2 и логарифмируя правую и левую части уравнения (1.46), получим: 1п2 = fid, d = 0,693/ц.

Тогда формула (1.45) примет вид:

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц, но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала р:

образом:

37

Расчеты показывают, что проникающая способность гамма-излучения в воздухе составляет десятки и сотни метров, в твердых телах - многие сантиметры, в биологической ткани человека часть гамма-квантов проходит через человека без последствий, а часть поглощается.

проходят практически беспрепятственно. Все это необходимо учитывать при организации противорадиационной защиты.

Бета-излучение

Бета-частица Представляет собой электрон или позитрон, выброшенный из ядра атома в результате ядерной реакции. Обладая кинетической энергией, они, проходя через вещество, по-разному взаимодействуют с ним. Диапазон энергий бета-частиц такой, что вызывают в основном процессы, которые рассматриваются ниже.

Бета-частица в виде позитрона, попадая в отрицательное электрическое поле орбитальных электронов, как правило, аннигилирует с одним из них. В результате образуется два фотона, а атом превращается в положительно заряженный ион. Проникновение бета-частицы (позитрона) к ядру атома маловероятно, но в некоторых случаях возможно. В этом случае позитрон тормозится электрическим полем ядра, он излучает тормозное электромагнитное излучение и в зависимости от величины кинетической энергии может претерпеть упругое рассеяние (рис. 1.9). На практике вероятность преодоления бета-частицей (позитроном) воздействия положительного электрического поля ядра и возникновения ядерной реакции близка к нулю.

Бета-частица в виде электрона, попадая в отрицательное электрическое поле орбитальных электронов, начинает тормозиться, испуская тормозное электромагнитное

38

излучение. В дальнейшем возможны следующие варианты взаимодействия. Если кинетическая энергия бета-частиц (электронов) незначительна, то может происходить их упругое рассеяние на электронах атома (рис. 1,10).

Если кинетическая энергия бета-частицы достаточна для преодоления поля орбитальных электронов с учетом энергии, которая израсходована на торможение, то возможно возбуждение атома (переход орбитального электрона на более удаленную орбиту), то есть если кинетической энергии бета-частицы недостаточно для преодоления энергии связи орбитального электрона с ядром. Если кинетическая энергия бета-частицы достаточна для преодоления энергии связи орбитального электрона с ядром, то происходит выбивание электрона за пределы атома с сообщением орбитальному электрону кинетической энергии (рис. 1.11). В последнем случае возможна ионизация атома, если место выбитого электрона не займет бета-частица (электрон). Таким образом, может образоваться пара - положительно заряженный ион и свободный электрон.

Следует подчеркнуть, что энергия бета-частицы в виде электрона при взаимодействии с атомами среды расходуется порциями, а траектория движения бета-частицы представляет ломаную линию. Так, например, при энергии бета-частицы 1000 эВ 9 % расходуется на упругое взаимодействие, 54 % — на возбуждение атомов среды и 37 % - на ионизацию.

Р-

39