Носовский А.В. Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на атомных электрических станциях

Подождите немного. Документ загружается.

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, види-

мый свет, ультразвук, ультрафиолетовое, лазерное, Черенковское, микроволновое излуче-

ния 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 ней-

тронов или фотонов, создающих непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызы-

вающих ядерные превращения. Энергия этих частиц передается вначале заряженной

частице (электрону или протону), а затем эти вторичные частицы уже производят иониза-

цию атомов и (или) вызывают ядерные превращения.

Термин "ионизирующее излучение" впервые в 1896 г. ввели Томсон и Резерфорд, опи-

сывая свойства рентгеновских лучей.

К фотонному ионизирующему излучению относятся: γ-излучение, возникающее при из-

менении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при

аннигиляции частиц; тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, воз-

никающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц; характеристиче-

ское излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энер-

гетического состояния электронов атома; рентгеновское излучение, состоящее из тормоз-

ного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному излучению относится ионизирующее излучение, состоящее из час-

тиц 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 фото-

нов, 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 первич-

ного ионизирующего излучения с данной средой.

Законы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом являются теоретиче-

ской 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, некото-

рые мезоны и др. Выше было отмечено, что рентгеновское и γ-излучения относятся к излу-

чению, 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 заря-

женным частицам, это правило, согласно которому они передают свою энергию погло-

щающему 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 рассматри-

ваются три основных механизма потери энергии: ионизация, возбуждение и торможение.

Ионизация атомов представляет собой процесс превращения нейтральных атомов сре-

ды под действием ионизирующего излучения в заряженные частицы — электроны и ионы,

т.е. образование пары ионов. В этом процессе из нейтрального атома выбиваются электро-

ны и он становится ионом. Комбинация выбитого электрона и ионизированного атома на-

зывается ионной парой. В различных материалах на образование ионной пары необходима

энергия 30 — 40 эВ. Эта энергия называется энергией образования пары ионов ε. Для обра-

зования 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 ли-

нейной плотности ионизации.

Полная ионизация N

— это количество пар ионов, образованных ионизирующим из-

лучением, на всем пути в среде:

= Ε/ε, (2.1)

где E — энергия ионизирующего излучения, эВ;

ε — энергия образования пары ионов, эВ/на пару.

Линейная плотность ионизации N

(удельная ионизация) — это количество пар ионов,

образованных ионизирующим излучением на единице пути:

= N/R = E/sR, (2.2)

где N

— полная ионизация пар ионов; R — линейный пробег.

Возбуждение атомов — это механизм потери энергии, являющийся следствием куло-

новского взаимодействия между заряженной частицей и электронами атома. Если при ио-

низации удаление электронов с орбиты происходит путем их выбивания из нейтрального

атома, то при возбуждении электрону передается энергия, недостаточная для его выбива-

ния, 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 кото-

рого 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 яд-

ра называют радиационными потерями, они представляют из себя уменьшение энергии в

результате торможения заряженной частицы в поле ядра поглотителя и связаны с испуска-

нием тормозного излучения. Заряженные частицы, пролетая вблизи ядра атомов поглоти-

теля, тормозятся в поле ядра и меняют направление своего движения. Причина возникно-

вения 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 рентгенов-

ских лучей. Тормозное излучение возникает в рентгеновских трубках, в ускорителях элек-

тронов 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 2000

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 излуче-

ние 1% энергии.

Описанные механизмы схематически показаны на рис.2.1.

Рис 2.1. Механизмы потери энергии заряженными частицами

Тормозная способность

Тормозная способность S — это средняя энергия, теряемая заряженной частицей на

единице своего пути, измеряется в единицах кэВ/мкм. Тормозная способность является

свойством поглощающего вещества и показывает насколько теряется энергия заряженной

частицей в поглотителе.

Чем больше S, тем лучше действует материал в качестве защиты.

Так как ионизационные и радиационные потери зависят от кулоновских сил, то S пря-

мо пропорциональна заряду взаимодействующих частиц и обратно пропорциональна

квадрату расстояния между ними, т.е. S зависит от заряда и атомного номера Z

поглотителя, а фактор обратного квадрата расстояния учитывается по среднему

расстоянию между атомами поглотителя. Отсюда следует зависимость S от плотности

вещества поглотителя. Низкоэнергетические (медленные) частицы в большей степени подвержены влиянию

кулоновских сил, соответственно и потери энергии у них будут большими, поэтому S рас-

тет при уменьшении энергии частиц. Изменения величины S в зависимости от энергии,

заряда частиц и атомного номера поглотителя показаны на рис. 2.2. У α-частиц (Z=2) S

больше, чем у β-частиц (Z=1), а для свинца (Z=82) S больше, чем для алюминия (Z= 13)

при данной энергии. Так как S зависит от плотности ρ поглощающего вещества, то в прак-

тических целях пользуются массовой тормозной способностью, т.е. тормозной способно-

стью на единицу плотности S/r. Тогда, например, ледяная вода и пар будут иметь одинако-

вое значение S/r. Численные же значения S для этих веществ будут различными, хотя хи-

мический состав их идентичен.

Рис. 2.2. Зависимость тормозной способности от энергии частиц.

Пробег заряженных частиц

Линейный пробег R — это путь, пройденный заряженной частицей до полной потери

кинетической энергии, или минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного

поглощения ионизирующего излучения. Понятие пробега относится только к заряженным

частицам, фотонное излучение пробега не имеет.

Если тормозная способность большая, то частица будет замедляться быстрее и, отсю-

да, пробег будет малым, таким образом, пробег обратно пропорционален тормозной спо-

собности.

Пробег зависит от факторов Кулоновского взаимодействия— зарядов взаимодейст-

вующих частиц, плотности вещества-поглотителя и энергии заряженной частицы. Пробег

увеличивается с ростом энергии излучения, пропорционален массе частицы и обратно про-

порционален квадрату ее заряда.

Кривые зависимости пробега от энергии для некоторых заряженных частиц показаны

на рис.2.3. Эти кривые являются "зеркальным отражением" кривых зависимости тормозной

способности от энергии (рис.2.2).

Рис. 2.3 Зависимость пробега от энергии.

Массовый пробег R

—это пробег заряженной частицы в единицах массы, являющийся

произведением линейного пробега R заряженной частицы в данном веществе на плотность

этого вещества ρ:

=Rρ, (2.3)

где R

— массовый пробег, г/см

; R — линейный пробег, см; ρ — плотность по-

глотителя, г/см

Если линейный пробег заряженных частиц в веществе зависит от его плотности, то

массовый пробег становится независимым от плотности вещества поглотителя, поэтому

толщину поглотителя удобнее определять через массовый пробег, ибо для частиц с одина-

ковой энергией в различных веществах поглотителя он имеет примерно одно и то же чи-

словое значение.

Линейная передача энергии

Линейная передача энергии (ЛПЭ) заряженных частиц в поглощающем веществе (или

L) — отношение средней энергии dE, переданной поглощающему веществу движущейся

заряженной частицей вследствие столкновений при перемещении ее на расстояние dl, к

этому расстоянию:

L = dE/dl. (2.4)

Термин ЛПЭ тесно связан с тормозной способностью S. Основное отличие заключается

в том, что ЛПЭ связано с энергией, передаваемой поглощающему веществу, в то время

как S характеризует свойство поглощающего вещества, показывая насколько эффек-

тивно теряет энергию заряженная частица в веществе, т.е. насколько эффективно поглоти-

тель отбирает энергию у заряженной частицы.

ЛПЭ имеет важное значение в радиационной защите, так как с ее использованием вы-

числяется коэффициент качества данного радиационного поля.

ЛПЭ, как и тормозная способность S, измеряется в кэВ/мкм.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

Взаимодействие заряженных частиц разделяют на упругие и неупругие.

К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма кинетических энергий

взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. Таким

процессом является упругое рассеяние.

При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии заряженной частицы пе-

редается образовавшимся частицам или фотонам; другая часть кинетической энергии пере-

дается атому или ядру на их возбуждение или перестройку. К таким взаимодействиям от-

носится неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного

излучения.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом рассмотрим на примере α-

частиц. α-Частица — это ядро атома гелия, она имеет двойной положительный заряд и че-

тыре единицы массы. Масса α-частицы равна 4,002777 а.е.м. Распад, в основном, претерпе-

вают радионуклиды тяжелых элементов. Энергия α-частиц (E

), испускаемых естествен-

ными и искусственными радионуклидами, колеблется в пределах 4,0 — 9,0 МэВ. Так, у

239

Pu Е

= 5,15 МэВ, у

210

Po — 5,3 МэВ, у

226

Ra — 4,777 МэВ. Скорость движения α-частиц

порядка 10

см/сек.

При прохождении через вещество энергия α-частицы, в основном, расходуется на ио-

низацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери), которые

при Е

>0,1 МэВ можно выразить формулой:

ZnBze

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(2-5)

где E

— кинетическая энергия α-частицы; е — заряд электрона; z — заряд α-частицы;

Z — порядковый номер поглотителя; n — число атомов в 1 см

вещества; В — коэф-

фициент торможения; m

— масса покоя электрона; V — скорость частицы.

Одним из наиболее характерных свойств α-частиц является наличие у них определен-

ного пробега. Средний пробег R

моноэнергетических α-частиц обычно рассчитывают по

эмпирическим формулам. В воздухе при нормальных условиях

αα

aER = (2.6)

где R

— пробег, см; — кинетическая энергия α-частиц, МэВ;

n — безразмерный коэффициент, установленный эмпирическим путем.

Для α-частиц, испускаемых естественными α-излучателями (1 < Е

<9МэВ), а = 0,318, n

= 1,5. Для α-частиц с более высокими энергиями (Е

= ≤200 МэВ) а = 0,148, n = 1,8.

Так, α-частицы с энергией E

= 5 МэВ пробегают в воздухе расстояние 3,52 см, а с

энергией Е

= 30 МэВ — 68см.

Длина пробега α-частицы в других средах может быть определена по формуле Брегга:

мкм

= (2.7)

или по формуле Глессена:

мкм

= (2.8)

где Е

— энергия α-частицы, МэВ; А — атомный вес; Z — порядковый номер;

ρ — плотность вещества поглотителя, г/см

К концу пробега энергия α-частицы уменьшается настолько, что она уже не способна

производить ионизацию и, присоединив к себе два электрона, превращается в атом гелия.

Полная ионизация для α-частиц составляет несколько сот тысяч пар ионов. Например, α-

частица с энергией 7 МэВ, согласно (2.1), образует

102

8533

107

⋅=

⋅

эВ/пару,

эВ

пар ионов.

Чем больше энергия α-частицы, тем больше ее пробег и больше образованных пар ио-

нов.

Линейная плотность ионизации также зависит от энергии α-частицы, но зависимость

обратная — чем меньше энергия частицы, а следовательно и скорость, тем больше вероят-

ность взаимодействия ее с орбитальными электронами. Линейную плотность ионизации

воздуха α-частицей, например, для

210

Po (Е

= 5,3 МэВ, линейный пробег R = 3,87 см, энер-

гия образования пары ионов ε = 33,85 эв/пару) определим по формуле (2.2)

104

87,38533

103,5

⋅≈

⋅

,Rε

пар ионов/см.

Максимального значения удельная ионизация достигает в конце пробега.

Линейная плотность ионизации воздуха вдоль пробега α-частицы показана на рис.2.4.

Из рисунка видно, что линейная плотность ионизации распределяется неравномерно, воз-

растает к концу пути, а затем резко падает до нуля. Например, α-частица с энергией 4,8

МэВ в воздухе вначале пути образует 2·10

пар ионов/см, а в конце пути 6·10

пар ио-

нов/см. Увеличение плотности ионизации в конце пути с последующим резким уменьше-

нием до нуля объясняется тем, что α-частица, испытывая торможение, по мере движения в

веществе теряет свою скорость; следовательно, увеличиваются время прохождения ее че-

рез атом в конце пути и, соответственно, вероятность передачи электрону энергии, доста-

точной для его вырывания из атома. Когда же скорость α-частицы становится

сравнимой со скоростью движения атомов вещества, то α-частица захватывает и удер-

живает сначала один, а затем и второй электрон и превращается в атом гелия — ионизация

прекращается.

Рис. 2.4. Линейная плотность ионизации воздуха вдоль пробега α-частицы.

α-Частицы с одинаковой энергией (моноэнергетические) в поглотителе проходят прак-

тически одно и то же расстояние, т.е. число α-частиц почти на всем пути пробега постоян-

но и резко падает до нуля в конце пробега. Спектр распределения пробегов моноэнергети-

ческих α-частиц показан на рис.2.5. Дифференцируя интегральную кривую, можно полу-

чить кривую распределения пробегов α-частиц около среднего значения R

- среднего про-

бега α-частиц.

Пробег α-частиц практически прямолинеен из-за их большой массы, которая препятст-

вует отклонению α-частицы от прямолинейного пути под действием электрических сил

атома. Несмотря на высокие значения энергий α-частиц, их проникающая способность и

пробег крайне малы, например в воздухе 4·10 см, а в мягких тканях человека, в жидких и

твердых веществах будет составлять несколько микрон.

Рис. 2.5. Спектр распределения пробегов моноэнергетических α-частиц: 1 — инте-

гральный; 2 — дифференциальный.

Максимальный пробег α-частиц в воздухе при изменении энергии от 1 до 10 МэВ ме-

няется от 0,52 до 10,5 см и при Е

= 5 МэВ составляет 3.52 см, а в биологической ткани

меняется от 7,2· 10

-1

до 1,2· 10

-2

см, при Е

= 5 МэВ R

max

= 4,4· 10

-3

см.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛЕГКИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

Взаимодействие легких заряженных частиц с веществом рассмотрим на примере β-

частиц. β-Частицы представляют собой поток электронов или позитронов. Электрон и по-

зитрон

имеют одинаковую массу и одинаковый заряд, но различаются знаком заряда. Масса элек-

трона равна 0,000549 а.е.м. В отличие от α-частиц, β-частицы имеют сплошной, непрерыв-

ный, энергетический спектр.

В зависимости от энергии β-частиц различают мягкое и жесткое β-излучение. β-

Частицы, имеющие энергию до нескольких десятков кэВ, называют мягким β-излучением,

а имеющие большую энергию — жестким β-излучением.

Процесс прохождения β-частиц через вещество более сложный, чем процесс прохож-

дения α-частиц. Энергия расходуется на ионизационные и радиационные потери, на рас-

сеяние β-частиц. Ядерные реакции протекают только при больших (более 20 МэВ) энерги-

ях электронов.

Ионизационные потери β-частиц, так же как и для α-частиц, связаны с ионизацией и

возбуждением атомов поглотителя, но вероятность взаимодействия β-частиц с веществом

меньше, чем для α-частиц, так как β-частицы имеют в два раза меньший заряд и во много

раз меньшую массу (в 7000 раз) по сравнению с α-частицами. При ионизации β-частицы

выбивают орбитальные электроны, которые могут производить дополнительную (вторич-

ную) ионизацию. Полная ионизация представляет собой сумму первичной и вторичной

ионизации. На 1 мкм пути в веществе β-частица создает несколько сот пар ионов. Замед-

ленный электрон останется свободным или захватится атомом и окажется в связанном со-

стоянии, а позитрон аннигилирует.

Ионизационные потери зависят от числа электронов в атомах поглотителя. Число элек-

тронов в 1 см

вещества можно вычислить из соотношения

n = ρ·Ν

·(Ζ/Α) = 6,023·10

·ρ·(Ζ/Α), (2.9)

где Ν

— число Авогадро; А — атомный вес; ρ — плотность поглотителя; Z — атом-

ный номер элемента поглотителя.

Следовательно ионизационные потери (dЕ/dх)

ион

≈ ρ·Ζ/Α.

При изменении Z отношение Z/A изменяется от 0,5 для легких веществ до 0,4 для

свинца, т.е. для различных элементов отношение Z/A изменяется незначительно (за исклю-

чением водорода, у которого Z/A = 1), что позволяет считать это отношение приблизитель-

но постоянным. Поэтому, выражая измеряемую толщину поглощающего слоя не в санти-

метрах, а в единицах ρ·см, т.е. в г/см

, можно заключить, что величина поглощения β-

излучения данной энергии будет приблизительно одинаковой для всех веществ.

β-Частицы, пролетая вблизи ядра атомов поглотителя, тормозятся в поле ядра и меняют

направление своего движения. Уменьшение энергии в результате торможения электрона в

поле ядра поглотителя (радиационные потери) связано с испусканием тормозного излуче-

ния.

Для β-частиц больших энергий (несколько МэВ) отношение радиационных потерь к

ионизационным определяется выражением

n = (dE/dx)

рад

/(dE/dx)

ион

= Е

βmах

·Ζ/800, (2.10)

где Е

βmах

—максимальная энергия для непрерывного спектра β-частиц или первона-

чальная энергия моноэнергетических электронов;

Z — атомный номер элемента, в котором происходит торможение электронов.

При определенной энергии β-частиц радиационные потери соизмеримы с ионизацион-

ными. Эта энергия называется критической. При равенстве радиационных и ионизацион-

ных потерь критическая энергия (E

, МэВ) определяется выражением

= 800/Z. (2.11)

Например, для свинца (Z = 82) критическая энергия E

= 800/82 ≈ 10 МэВ.

Так как масса β-частиц невелика, то для них характерен эффект рассеяния. Рассеяние β-

частиц происходит при соударениях с орбитальными электронами атомов вещества погло-

тителя. При рассеянии энергия β-частицы теряется большими порциями, в отдельных слу-

чаях до половины. Рассеяние зависит от энергии β-частиц и от природы вещества поглоти-

теля: с уменьшением энергии β-частиц и с увеличением атомного номера вещества погло-

тителя рассеяние увеличивается.

В результате рассеяния в поглотителе путь β-частиц не является прямолинейным, как

для α-частиц, и истинная длина пути в поглотителе может в 1,5 — 4 раза превосходить их

пробег. Слой вещества, равный длине пробега β-частиц, имеющих максимальную энергию,

полностью затормозит β-частицы, испускаемые данным радионуклидом.

Поглощение β-частиц со сплошным спектром происходит по экспоненциальному зако-

ну. Это объясняется тем, что β-частицы различной энергии полностью поглощаются раз-

личными слоями поглотителя:

φ = φ

ехр(- µd), (2.12)

где φ

— первоначальная плотность потока β-частиц; φ — плотность потока β-частиц

после прохождения поглотителя толщиной d; µ—линейный коэффициент ослабления, ука-

зывающий долю β-частиц, поглощенных в единице толщины поглотителя.

Одним из наиболее характерных свойств β-частиц, как и α-частиц, является наличие у

них определенного пробега в поглощающем веществе, причем в радиационной защите

наиболее часто используются имеющиеся сравнительно надежные и достаточные данные

как для максимальной энергии Е

, так и для максимального пробега R

. График зависимо-

сти максимального пробега β-частиц от их максимальной энергии для нескольких элемен-

тов приведен на рис. 2.6.

Рис. 2.6. График зависимости максимального пробега β-частиц от их максимальной энергии.