Ионизирующие излучения и их практическое использование

Основную часть облучения  население Земли получает от естественных источников радиации. Это природные  радионуклиды и космические лучи. Полная доза, обусловленная естественными источниками радиации, составляет в среднем около 2,4 мЗв в год.

 

2. Источники заряженных  частиц

 

Известны десятки элементарных заряженных частиц, но время жизни  большинства из них не превышает  микросекунд. К элементарным заряженным частицам, участвующим в ядерных реакциях, относят бета-частицы (электроны и позитроны), протоны и альфа-частицы (ядра гелия ⁴Не, заряд +2, масса 4).

 

2.1 Взаимодействие заряженных частиц с веществом

 

Заряженные частицы  относятся к малопроникающим  видам ионизирующего излучения. При своем движении в веществе они взаимодействуют с электрическими полями атомов среды. В результате взаимодействия электроны атомов среды получает дополнительную энергию и переходит на более удаленные от ядра энергетические уровни (процесс возбуждения) или совсем покидает атомы (процесс ионизации). При прохождении вблизи атомного ядра частицы испытывает торможение в его электрическом поле, которое сопровождается испусканием тормозного гамма-излучения.

Длина пробега частицы  в веществе зависит от ее заряда, массы, начальной кинетической энергии, и от свойств среды. Пробег увеличивается с возрастанием энергии частицы и уменьшением плотности среды. Массивные частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие, взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее теряют свою энергию.

Пробег бета-частиц в  воздухе – до нескольких метров в зависимости от энергии. От потока бета-частиц с максимальной энергией 2 МэВ полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм, железа – 1,2 мм, свинца – 0,8 мм. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц. При внешнем облучении организма на глубину более 1 мм проникает 20—25 % бета-частиц.

Альфа-частицы, имеющие  большую массу, при столкновениях  с электронами атомных оболочек испытывают очень небольшие отклонения от своего первоначального направления и движутся почти прямолинейно. Пробеги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, у альфа-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5 см, в воде или в мягких тканях животных и человека - сотые доли миллиметра.

 

2.2 Источники бета-излучения

 

Бета-излучение (beta radiation) – корпускулярное ионизирующее излучение, поток электронов или позитронов, возникающий при бета-распаде атомных ядер с выбросом из ядра электрона или позитрона со скоростью, близкой к скорости света.

Бета-распад радионуклидов  сопровождается излучением нейтрино, при этом разделение энергия распада  между электроном и нейтрино имеет  случайный характер. Это приводит к тому, что энергетическое распределение  излучаемых бета-частиц является непрерывным от 0 до определенной для каждого изотопа максимальной энергии Е_мах, мода распределения сдвинута в область низких энергий, а среднее значение энергии частиц порядка (0,25 – 0,45)Е_мах. Пример энергетического распределения бета-излучения приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Энергетическое распределение бета-излучения

Чем меньше период полураспада  радионуклида, тем больше максимальная энергия излучаемых бета-частиц. Интервал значений Е_мах для различных радионуклидов простирается от десятка кэВ до десятка МэВ, но периоды полураспада нуклидов в последнем случае очень малы, что затрудняет их использование для технологических целей.

Характеристика проникающей  способности излучения обычно дается по средней величине поглощения энергии  излучения при прохождении излучения через слой вещества с поверхностной плотностью 1 г/см². Поглощение энергии бета-частиц при прохождении через вещество составляет порядка 2 МэВ на 1 г/см², и защита от излучения радионуклидных источников не представляет проблем. Слой свинца толщиной 1 мм практически полностью поглощает излучение с энергией до 2,5 МэВ.

Источники бета-излучения (дисковые и точечные) изготавливаются  в тонкослойном варианте на специальных  подложках, от материала которых  существенно зависит коэффициент  отражения бета-частиц от подложки (увеличивается с увеличением атомного номера материала, и может достигать десятков процентов для тяжелых металлов). Толщина активного слоя и наличие на активном слое защитного покрытия зависит от назначения источника и энергии излучения. При спектрометрических измерениях поглощение энергии частиц в активном слое и защитном покрытии не должно превышать 2-3%. Диапазон активности источников от 0,3 до 20 ГБк.

Мощные источники изготавливаются  в виде герметических капсул из титана или нержавеющей стали, имеющих специальное выходное окно для бета-излучения. Так, изотопная установка «СИРИУС–3200» на смеси изотопов Sr-Y с активностью 3200 Ки обеспечивает выходную плотность потока электронов до 10⁸ электр·см^–2 ·с^–1.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные радионуклидные источники бета-частиц.

 

Таблица 2. Радионуклидные источники бета-частиц.

Изотоп	Название	Период полураспада	Максимальная энергия, кэВ
3H 35S 90Sr Þ Þ 90Y 147Pm 204Tl	Тритий Сера-35 Стронций-90, Иттрий-90 Прометий-147 Таллий-204	12.6 лет 87.2 суток 28 лет 64.2 часа 2.6 лет 3.9 лет	18.6 167 540 2270 220 77

 

Бета-распад для большинства  радионуклидов сопровождается сильным  гамма-излучением. Это объясняется  тем, что конечное ядро распада образуется в возбужденном состоянии, энергия которого снимается испусканием гамма-квантов. Кроме того, при торможении бета-частиц в плотной среде возникает тормозное гамма-излучение, а перестройка электронной оболочки нового атома сопровождается появлением характеристического рентгеновского излучения.

Промышленные физико-технические  источники заряженных частиц – ускорители электронов (микротроны, бетатроны линейные волновые ускорители) используются для получения высокоэнергетических потоков электронов (более 3-5 МэВ).

В отличие от изотопных источников с непрерывным спектром электронов, ускорители дают пучок электронов фиксированной энергии, причём поток и энергия электронов могут варьироваться в широких интервалах.

В России используются промышленные ускорители серии ЭЛВ с энергией (0.2-2.5) МэВ, мощностью до 400 кВт, и серии ИЛУ с энергией (0.7-5) МэВ, мощностью до 50 кВт. Машины рассчитаны на непрерывную работу в промышленных условиях, снабжены разнообразными системами развертки пучка электронов для облучения различных продуктов. Они применяются для радиационно-химических технологий, используемых при производстве кабельной продукции с термостойкой изоляцией, полимерных труб горячего водоснабжения, термоусаживаемых труб, хладостойких полимеров, полимерных рулонных композитных материалов и т.п. Импульсный ускоритель РИУС-5 создает ток электронов в импульсах (0.02-2) мкс до 100 кА при энергии электронов до 14 МэВ. Малогабаритные импульсные бетатроны типа МИБ используются для радиографического контроля качества материалов и изделий в нестационарных условиях.

 

2.3 Источники альфа-излучения

 

Альфа-излучение – это корпускулярное ионизирующее излучение, представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия) с энергией до 10 МэВ, начальная скорость около 20 тыс. км/с. Эти частицы испускаются при распаде радионуклидов с большим атомным номером, в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92. Их ионизирующая способность огромна, а проникающая способность незначительна. Длина пробега в воздухе составляет 3-11 см (примерно равна энергии частиц в МэВ), в жидких и твердых средах – сотые доли миллиметра. Слой вещества с поверхностной плотностью 0,01 г/см² полностью поглощает излучение с энергией до 10 МэВ. Внешнее альфа-излучение поглощается в роговом слое кожи человека.

В радионуклидных источниках альфа-излучения используется альфа-распад нестабильных ядер как естественных изотопов, так и тяжелых искусственных  изотопов. Основной диапазон энергий  альфа-частиц при распаде от 4 до 8 МэВ. Энергетическое распределение  излучения дискретно и представлено альфа-частицами нескольких групп энергий. Выход альфа-частиц с максимальной энергией обычно максимален, ширина энергетических линий излучения очень мала. Для изготовления радионуклидных альфа-источников используются изотопы с максимальным выходом альфа-частиц и с минимальным сопутствующим гамма-излучением. Изготавливаются источники в тонкослойном варианте на металлических подложках.

 

Таблица 3. Радионуклидные источники альфа-частиц.

Изотоп	Название	Период полураспада	Энергии частиц, МэВ	Выход/100 Бк
210Po 226Ra 238Pu 239Pu 242Cm 244Cm 252Cf	Полоний-210 Радий-226 Плутоний-238 Плутоний-239 Кюрий-242 Кюрий-244 Калифорний-252	138 суток 1620 лет 86.4 года 24410 лет 163 суток 17.4 года 2.55 года	5.3 4.78; 4.59 5.49; 5.45 5.15; 5.13; 5.1 6.11; 6.07 5.80; 5.76 6.11; 6.07	100 95; 5 72; 28 72; 17; 11 74; 26 77; 23 85; 15

 

Практически чистые альфа-излучатели (например, полоний-210) являются  великолепными источниками энергии. Удельная мощность излучателя на базе Ро-210 составляет более 1200 Ватт на кубический сантиметр. Полоний-210 послужил в качестве обогревателя «Лунохода-2», поддерживая температурные условия, необходимые для работы аппаратуры. В качестве источников энергии полоний-210 широко задействован в качестве источников питания удалённых маяков. Применяется он также для удаления статического электричества на текстильных фабриках, ионизации воздуха для лучшего горения топлива в мартеновских печах, и даже для удаления пыли с фотоплёнок.

Выпускаются и низкоактивные  источники, используемые в качестве эталонов излучения для калибровки радиометров, дозиметров и прочей измерительной аппаратуры. Образцовые источники альфа-излучения изготавливаются на базе изотопов уран-234 и 238, плутоний-239.

К физико-техническим  источникам пучков ионов гелия, протонов или тяжелых ионов относится циклотрон. Это ускоритель протонов (или ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени. Частицы движутся в циклотроне по плоской развертывающейся спирали. Максимальная энергия ускоренных протонов 20 МэВ.

 

3 Источники электромагнитного излучения

 

3.1 Источники гамма-излучения

 

Гамма-излучение (gamma radiation) – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1 нм, которое возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и при других превращениях элементарных частиц. В виду того, что ядра имеют только определенные разрешенные уровни энергетического состояния, спектр гамма-излучения дискретен и состоит, как правило, из нескольких групп энергий в диапазоне от нескольких кэВ до десятка МэВ. Для радионуклидов с большими атомными номерами количество энергетических групп гамма-квантов может достигать нескольких десятков, но они резко различаются по вероятности выхода и количество квантовых линий с наибольшим выходом обычно невелико.

Поток гамма-квантов обладает волновыми и корпускулярными  свойствами и распространяется со скоростью света. Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется отсутствием электрического заряда и значительным запасом энергии. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Гамма-кванты взаимодействуют  в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей  энергии электронам в процессе фотоэффекта  и эффекта Комптона. При фотоэффекте  фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта максимальна в области энергий квантов менее 200 кэВ, и быстро убывает с ростом энергии фотона. В случае эффекта Комптона на выбивание электрона с атомной оболочки расходуется только часть энергии фотона, а сам фотон изменяет направление движения. Комптоновское рассеяние преобладает в области энергий (0.2-5) МэВ и пропорционально атомному номеру среды. При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи атомного ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон, вероятность этого процесса увеличивается с ростом энергии фотона.

Пути пробега гамма-квантов  в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе – десятками сантиметров. Проникающая способность гамма-излучения увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и уменьшается с увеличением плотности среды. Ослабление фотонного ионизирующего излучения слоем вещества происходит по экспоненциальному закону. Для энергии излучения 1 МэВ толщина слоя десятикратного ослабления составляет порядка 30 г/см²  (2,5 см свинца, 4 см железа или 12-15 см бетона).

Радионуклидные источники  гамма-квантов – естественные и искусственные бета-активные изотопы (таблица 3), дешевые и удобные в эксплуатации. При бета-распаде нуклидов ядро - продукт распада, образуется в возбужденном состоянии. Переход возбужденного ядра в основное состояние происходит с испусканием одного или нескольких следующих друг за другом гамма-квантов, снимающих энергию возбуждения. Радионуклидные источники представляют собой герметичные ампулы из нержавеющей стали или алюминия, заполненные активным изотопом. Энергия гамма-квантов радионуклидных источников не превышает 3 МэВ.