ГЛABA 2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С ВЕЩЕСТВОМ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разных знаков.
Ионизирующее излучение способно выбивать электроны из атомов. При этом, видимый свет, ультразвук, ультрафиолетовое, лазерное, Черенковское, микроволновое излучения к ионизирующему излучению не относятся.
Ионизирующее излучение делится на непосредственное и косвенное.
Непосредственное ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, например, из электронов, протонов, α-частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении, которые выбивают орбитальные электроны из атомов прямо при кулоновском взаимодействии.
Косвенное ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц, например, из нейтронов или фотонов, создающих непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывающих ядерные превращения. Энергия этих частиц передается вначале заряженной частице (электрону или протону), а затем эти вторичные частицы уже производят ионизацию атомов и (или) вызывают ядерные превращения.
Термин "ионизирующее излучение" впервые в 1896 г. ввели Томсон и Резерфорд, описывая свойства рентгеновских лучей.
К фотонному ионизирующему излучению относятся: γ-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц; тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц; характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома; рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.
К корпускулярному излучению относится ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, т.е. α-и β-частицы, нейтроны, протоны, мезоны и др.
Частицы корпускулярного ионизирующего излучения или фотоны принято называть ионизирующими частицами.
Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением.
Различают моноэнергетическое и немоноэнергетическое ионизирующее излучение.
Под моноэнергетическим понимается ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией.
Немоноэнергетическое излучение имеет фотоны разной энергии или частицы одного вида с разной кинетической энергией.
Принято различать первичное и вторичное ионизирующее излучение.
Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное.
Вторичное ионизирующее излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой.
Законы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом являются теоретической и практической основой радиационной защиты, на них базируются методы расчета защиты и методы регистрации ионизирующего излучения.
Ионизирующее излучение, в зависимости от массы и заряда, можно подразделить на четыре группы:
•Тяжелые заряженные частицы, к ним относятся α-частицы, протоны и др.
Легкие заряженные частицы: электроны и позитроны.
Фотонное излучение: рентгеновское и γ-излучение.
Нейтронное излучение: нейтроны различных энергий.
Механизм потери энергии
Из заряженных частиц в радиационной защите берут в расчет α- и β-частицы, некоторые мезоны и др. Выше было отмечено, что рентгеновское и γ-излучения относятся к излучению, состоящему из незаряженных частиц и взаимодействуют с веществом посредством механизмов, которые будут рассмотрены позже. Механизм взаимодействия заряженных частиц с поглощающим веществом состоит в том, что частица, пролетая сквозь вещество, "расталкивает" атомные электроны своим кулоновским полем, за счет чего теряет свою энергию, ионизируя либо возбуждая атомы. Основное правило, применяемое ко всем заряженным частицам, это правило, согласно которому они передают свою энергию поглощающему веществу более или менее постоянно на своем пути. Таким образом заряженная частица всегда выходит из поглотителя с меньшей энергией, чем до поглотителя, в отличие от которой γ-квант (незаряженная частица) может пройти толстый защитный экран и на выходе иметь ту же энергию, что и на входе.
При работе специалистов по радиационной защите наибольший практический интерес представляет интервал энергий частиц от нескольких кэВ до 10 МэВ, при этом рассматриваются три основных механизма потери энергии: ионизация, возбуждение и торможение.
Ионизация атомов представляет собой процесс превращения нейтральных атомов среды под действием ионизирующего излучения в заряженные частицы — электроны и ионы, т.е. образование пары ионов. В этом процессе из нейтрального атома выбиваются электроны и он становится ионом. 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 γ-излучение в среднем расходует энергию ε = 33,85 эВ на пару.
Для количественной оценки ионизации атомов вводят понятия полной ионизации и линейной плотности ионизации.
Полная ионизация Nn — это количество пар ионов, образованных ионизирующим излучением, на всем пути в среде:
Nn = Ε/ε, (2.1)
где E — энергия ионизирующего излучения, эВ;
ε — энергия образования пары ионов, эВ/на пару.
Линейная плотность ионизации NL (удельная ионизация) — это количество пар ионов, образованных ионизирующим излучением на единице пути:
NL = N/R = E/sR, (2.2)
где Nn — полная ионизация пар ионов; R — линейный пробег.
Возбуждение атомов — это механизм потери энергии, являющийся следствием кулоновского взаимодействия между заряженной частицей и электронами атома. Если при ионизации удаление электронов с орбиты происходит путем их выбивания из нейтрального атома, то при возбуждении электрону передается энергия, недостаточная для его выбивания, в результате чего электрон переходит на более высокий энергетический уровень, при этом он удерживается атомом и нейтральность атома не нарушается. Этот процесс не ведет к образованию ионных пар и к появлению свободных зарядов в веществе. При переходе электрона на прежнюю орбиту испускается характеристическое излучение, энергия которого зависит от глубины перехода орбитального электрона. На каждую образованную пару ионов при ионизации атома приходится примерно два-три возбужденных атома. Потери энергии при ионизации и возбуждении атомов называются ионизационными потерями.
Торможение частиц в поле ядра. Потери энергии ионизирующего излучения в поле ядра называют радиационными потерями, они представляют из себя уменьшение энергии в результате торможения заряженной частицы в поле ядра поглотителя и связаны с испусканием тормозного излучения. Заряженные частицы, пролетая вблизи ядра атомов поглотителя, тормозятся в поле ядра и меняют направление своего движения. Причина возникновения тормозного излучения—это та же кулоновская сила, которая отклоняет заряженную частицу, изменяя направление ее движения. В физическом смысле изменение направления является замедлением т.к. меняется направление вектора скорости и уменьшается величина скорости из-за потери энергии. Тормозное излучение является фотонным излучением с непрерывным спектром, энергетический диапазон которого входит в диапазон рентгеновских лучей. Тормозное излучение возникает в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и др. Анализ процесса потери энергии на тормозное излучение показывает, что эти потери прямо пропорциональны энергии заряженной частицы и квадрату атомного номера поглотителя, и обратно пропорциональны квадрату массы заряженной частицы. Например, потери энергии протона примерно в 20002 раз меньше потерь энергии электрона.
В случае, когда поглощающим веществом является человеческое тело, на ионизацию и возбуждение приходится 99% поглощенной энергии, в то время, как на тормозное излучение 1% энергии.
Описанные механизмы схематически показаны на рис.2.1.
