новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас


контакты
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Ионизирующие излучения


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Ионизирующие излучения, потоки фотонов или частиц, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ионизирующие излучения. К фотонному ионизирующему излучению относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и других ядерных реакциях (главным образом γ-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрическом или магнитном поле - тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение.

К корпускулярному ионизирующtve излучению относят потоки α- и β-частиц, ускоренных ионов и электронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулы среды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация). Если выбиваемые при этом электроны обладают достаточной кинетической энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны называют d-электронами. Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды. Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преимущественно ядрами отдачи.

Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих ионизирующее излучение, называют его полем. Основные характеристики ионизирующего излучения: поток ионизирующего излучения Фn = dN/dt, где dN - число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; плотность потока jn = dФn/dS, где dФn - поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф = dE/dt, где dE - суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр <ионизирующие излучения - распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Количество энергии, переданной <ионизирующие излучения единице массы среды, называют поглощенной дозой излучения.

Все виды ионизирующего излучения характеризуются так называемой линейной передачей энергии (ЛПЭ) - энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетической фотоны и электроны) до 104 эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).

Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ионизирующего излучения в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетическая энергия относительного движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, то есть поток ионизирующего излучения рассеивается; при неупругих процессах кинетическая энергия <ионизирующие излучения расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды. Для потока электронов характерны упругое рассеяние на ядрах атомов среды и неупругие процессы - ионизация и возбуждение атомов и молекул при взаимодействии с их электронными оболочками (ионизационные потери) и генерация тормозного излучения при взаимодействии с атомными ядрами (радиационные потери). Если энергия электронов не превышает 10 МэВ, во всех средах преобладают ионизационные потери. Для потока ускоренных ионов ионизационные потери доминируют при всех энергиях. Энергия, передаваемая заряженной частицей данному веществу на единице длины ее пути, наз. тормозной способностью вещества sm = dE/dl (dE - энергия, теряемая частицей при прохождении элементарного пути dl). Значение sm снижается с увеличением энергии заряженных частиц и растет с повышением атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды. Глубина проникновения заряженных частиц в вещество характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не2+ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ -2,5 см.

Для фотонного ионизирующего излучения имеют место упругое рассеяние (классическое рассеяние) и неупругие процессы, основные из которых - фотоэффект, эффект Комптона и образование пар электрон - позитрон. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта с К-оболочки атома пропорциональна Z5 (Z - aтомный номер элемента) и быстро убывает с ростом энергии фотона (кривая 1 на рис. 1). В случае эффекта Комптона происходит рассеяние фотона на одном из атомных электронов; при этом уменьшается энергия фотона, изменяется направление его движения и происходит ионизация атомов среды. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z и зависит от энергии фотонов (кривые 2 и 3 на рис. 1). При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон. Вероятность этого процесса пропорциональна Z2 и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классическое рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ - эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ - образование пар.

Ослабление фотонного <ионизирующие излучения слоем вещества происходит по экспоненциальному закону и характеризуется линейным коэффициентом ослабления m, который показывает, на какой толщине слоя вещества интенсивность падающего пучка ослабляется в е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэффициент ослабления m/r (r - плотность вещества): Фn = Ф0nе-(m/r).rx, где х - толщина слоя веществa, Ф0n и Фn - падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэффициенты ослабления и поглощения; второй коэффициент численно меньше первого. Каждый вид взаимодействия излучения со средой характеризуется своими массовыми коэффициентами, зависящими от энергии фотонов и атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды.

Нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E < 103 эВ), промежуточные (103 <E < 5.105 эВ) и быстрые (E > 5.105 эВ). Нейтроны в веществе испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизированные атомы из среды (так называемые ядра отдачи). При захвате нейтронов атомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием которых является испускание γ-квантов, α- и β-частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Фn = Ф0nе-Nsa, где N - число атомов данного вида в единице объема, s - так называемое сечение захвата. Значение s убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в которых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2.10-33 м2 для 15N до 3,6.10-22 м2 для 135Хе.

Рис. 1. Зависимость массового коэффициента ослабления m/r g-излучения в воде от энергии квантов: 1 - фотоэффект; 2 и 3 - ионизационная и рассеивательная составляющие эффекта Комптона соответственно; 4 - эффект рождения пары электрон-позитрон.

Глубину проникновения фотонного и нейтронного <ионизирующие излучения в среду характеризуют слоем половинного ослабления D1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды D1/2 = 9 см для направленного потока γ-излучения 60Со с энергией 1,25 МэВ и D1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ.

Активное взаимодействие любого <ионизирующие излучения с частицами среды продолжается не более 10-15 с. За это время возможна перестройка электронной подсистемы молекул среды (ядерная подсистема остается неизменной). В среде появляются продукты взаимодействия: однозарядные ионы в основном и возбужденном состояниях, электроны различных энергий, двухзарядные ионы, синглетные и триплетные возбужденные состояния, так называемые сверхвозбужденные состояния (СВС), имеющие энергию выше первого потенциала ионизации I1 частиц среды. В газовой фазе кол-во возбужденных состояний превышает количество образовавшихся ионов, в конденсированной фазе - наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетического уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения со средой характеризуют средней энергией новообразования W - энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I1 в 1,5-2,5 раза.

Основная доля энергии <ионизирующие излучения передается вторичными d-электронами. Мгновенное распределение первичных и вторичных электронов по энергиям в среде - так называемый спектр деградации излучения - позволяет рассчитать все процессы взаимодействуют по их сечениям в системе и найти состав и вероятность образования различных ионизированных и возбужденных состояний. В случае взаимодействия ионизирующих излучений с многокомпонентной системой (например, раствором) распределение энергии излучения между компонентами происходит пропорционально электронной доле e этих компонентов - отношению числа электронов, принадлежащих данному компоненту, к общему числу всех электронов системы в единице массы (или объема). Переданная веществу энергия <ионизирующие излучения распределяется неравномерно вдоль траектории ионизирующих частиц, поэтому пространств. распределение продуктов взаимод. также неоднородно. Степень неоднородности тем выше, чем больше ЛПЭ излучения. Это приводит к неодинаковым конечным эффектам при взаимод. со средой <ионизирующие излучения с различным ЛПЭ.

Источники ионизирующего излучения различаются видом и энергетическим спектром излучения, конструкцией, геометрией расположения облучающих элементов, мощностью поглощенной дозы и ее распределением в облучаемом объекте. Выделяют следующие группы: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки. Среди изотопных источников наиб. распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами 60Со и l37Cs.

Рис. 2. Схема гамма-изотопного источника для облучения контейнеров: a - вид сверху, б - вид сбоку; 1 - камера для облучения; 2 - помещение для загрузки контейнеров 5; 3 - источник излучения в рабочем положении; 4 - он же в положении хранения; 6 - транспортная линия для контейнеров; 7 - пульт управления; 8 - бетонная защита; 9 - зубцы защитного лабиринта; 10 - система подъема источников из хранилища 11; 12 - пультовая; 13 - система дозиметрич. контроля.

На рис. 2 представлена схема гамма-установки для облучения объектов большого размера. В рабочей камере 1 расположены излучающие элементы, которые могут находиться в рабочем положении 3 или в хранилище 4 (при таком положении помещение 1 доступно для людей). Объекты для облучения погружаются в контейнеры 5 и по транспортной линии 6 доставляются дистанционно к облучателю 3. Все помещения находятся под дозиметрическим контролем 13. <ионизирующие излучения ядерных реакторов состоит из g-излучения, быстрых и тепловых нейтронов, осколков деления.

Ускорители заряженных частиц - устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрическом поле (магнитное поле может быть использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два основных конструкционных типа ускорителей: линейные, в которых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в которых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрического поля ускорители делят на высоковольтные, в которых направление электрического поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в которых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрического поля. В циклических ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукционных ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) - за счет приложения высокочастотного электрического поля к линейной периодической системе электродов. Основные элементы ускорителя - высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в которой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Некоторые типы высоковольтных ускорителей (напр., каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитрон.в, протонов, дейтронов, Не2+ и положит. ионов более тяжелых элементов.

Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ - в радиационно-химических исследованиях; высоковольтные электронные ускорители - в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1-0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в несколько МэВ с мощностью до 100 и выше кВт).

Перечисленные выше ускорители - аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соединений, содержащих D, Т или другие нуклиды; получаемый поток может превышать 1011 нейтрон/с. Генераторы нейтронов наряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии.

Рентгеновское излучение генерируют в рентгеновских трубках, в которых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиационные потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме.

Различные установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2.105 Вт/ч в стационарном режиме и 108 Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биол. действия <ионизирующие излучения все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиационной безопасности.

Ионизирующие излучения создают в облyчаемых объектах различные химические, физические и биологические эффекты. В больших дозах ионизирующее излучение угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиационной стерилизации медицинских препаратов и инструментов, консервации пищевых продуктов. В малых дозах <ионизирующие излучения служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (например, при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине ионизирующие излучения находят применение как диагностическое средство и для лучевой терапии опухолей. Использование ионизирующего излучения в промышленности - основа радиационной технологии, частью которой является радиационно-химическая технология.

Природные источники ионизирующего излучения - естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космическое излучение, высокоэнергетического компонента солнечного излучения, радиационного пояса Земли считается одним из природных факторов, повлиявших на развитие жизни на Земле; оно способствовало образованию угля, нефти и ряда др. полезных ископаемых. Солнечное и космическое излучения определяют химических состав верхних слоев планетных атмосфер.

Лит.: ГОСТ 15484-81. Излучения ионизирующие и их измерения; Пикаев А. К., Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная техника и методы, М., 1985. Л. Т. Бугаенко.





выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVII
Контактная информация