4 Воздействие ионизирующих излучений на различные материалы
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.
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.4.1). 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. 4.1). 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. 4.1). 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 ионизирующого 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.
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.
Рисунок 4.1 - 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.
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.
Рисунок 4.2 - 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.
Список использованной литературы
1 ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения».
2 ГОСТ 25645.323-88 Методы радиационных испытаний
3 ГОСТ 6433.2-71 Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения электрического сопротивления при постоянном напряжении
4 ГОСТ 15484-81 « Излучения ионизирующие и их измерения».
5 Пикаев А. К., Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная техника и методы, М., 1985.
6 Савенко В.С. Радиоэкология. — Мн.: Дизайн ПРО, 1997.
7 П.Д. Хазов. Лучевая диагностика. Цикл лекций. Рязань. 2006