Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Взаимодействие ионизирующих излучений  с веществом

Под взаимодействием излучения  с веществом понимают те физические и химические процессы, которые возникают  в веществе при прохождении через  него излучения. В результате взаимодействия с атомами и молекулами окружающей среды излучения постепенно растрачивают свою энергию. Потери энергии могут быть двух видов: ионизационные и радиационные. 
Ионизационные потери — это энергия излучения, растрачиваемая на ионизацию и возбуждение атомов встречного вещества. Если энергии на ионизацию не хватает (34 эВ на ионную пару), то могут возникнуть возбужденные атомы или молекулы. 
Ионизационные потери тем больше, чем больше заряд частицы и меньше ее скорость. В конечном счете кинетическая энергия, теряемая заряженными частицами, превращается в тепловую, 
Радиационные потери — это процесс потери энергии излучения на торможение в электрическом поле ядра встречных атомов, при этом тормозящаяся частица изменяет свое направление. Радиационные потери тем выше, чем больше порядковый номер атомов среды и энергия частицы. Заряженная частица приобретает в кулоновском поле ядра ускорение, а заряд, испытывающий ускорение, излучает энергию. Чем меньше масса частицы и чем больше заряд ядра, тем большее количество энергии излучается. При торможении частицы происходит излучение большого количества энергии в виде тормозного рентгеновского излучения. 
При прохождении альфа-частиц через вещество их энергия расходуется, главным образом, на взаимодействие с электронами атомов и молекул среды, что приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул. Треки альфа-частиц обычно прямолинейны. Это связано с тем, что их масса примерно в 7000 раз больше масс электронов, с которыми они взаимодействуют. Взаимодействуя с электронами среды, альфа-частицы получают импульс, который слишком мал, чтобы заметно отклонить их от прямолинейного пути. 
Бета-излучение, обладая электрическим зарядом, во взаимодействии с веществом имеет много общего с альфа-излучением. Для бета-частиц низких энергий наибольшее значение имеют ионизационные потери, поскольку большая часть их энергии тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды. В области высоких энергий, наоборот, решающее значение приобретают радиационные потери, т. е. потери на торможение частиц в электрическом поле ядра. 
Бета-частицы из-за малой массы сильно отклоняются электростатическим полем взаимодействующих с ними атомов. Поэтому путь движения бета-частиц в веществе очень извилист и их пробег в веществе нельзя характеризовать длиной трека, так как их действительные траектории движения оказываются в 1,5—4 раза больше толщины поглощающего слоя. 
Гамма-кванты, также как альфа- и бета-частицы, растрачивают свою энергию в основном за счет взаимодействия с электронами атомов среды. При этом имеют место три основных эффекта взаимодействия гамма-лучей с веществом: фотоэффект, Комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар. 
Фотоэффект заключается в том, что гамма-квант, взаимодействуя с атомом или молекулой, выбивает из них электрон (называемый обычно фотоэлектроном). При этом гамма-квант полностью поглощается, вся его энергия передается электрону. В результате электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Этот вид взаимодействия наиболее вероятен, если энергия гамма-кванта меньше 0,1–0,2 МэВ. Фотоэлектрическое поглощение быстро уменьшается с повышением энергии излучения. Вероятность фотоэффекта зависит от атомного номера и пропорциональна числу протонов поглотителя. 
Комптоновское рассеяние – это процесс, при котором g- кванты, сталкиваясь с электронами атомов вещества, передают им не всю свою энергию, а только часть ее, и после соударения изменяют свое направление движения, т. е. рассеиваются. Эффект Комптона возникает, когда поглотитель имеет малый атомный вес, а g- кванты энергию порядка 0,2 МэВ и более. 
Некоторые гамма-кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару «электрон-позитрон». Возникновение пары «электрон-позитрон» приводит (как и фотоэффект) к полному поглощению энергии гамма-кванта. Позитроны, замедляясь веществом, взаимодействуют с электронами среды, давая аннигиляционное гамма-излучение. 
От характера взаимодействия излучения с веществом зависит проникающая способность излучения, знать которую необходимо для решения многих задач, таких как выбор метода регистрации излучения, расчет толщины защитных экранов и др. 
Ионизирующее действие излучений широко используется для их регистрации. 

Методы обнаружения и  регистрации ионизирующих излучений,приборы используемые для регистрации излучений.

В настоящее время существует достаточно много методов регистрации  ионизирующих излучений. Выбор того или иного метода производится с  учетом вида излучения и той информации, которую хотят получать: простое обнаружение излучения, измерение энергии частиц, определение активности и т. д. В соответствии с поставленными задачами выбирают тип измерительных приборов. Для измерения активности и плотности потоков ионизирующих излучений используют радиометры, для определения дозы излучений — дозиметры, для нахождения распределения излучения по определенным параметрам (энергии, заряду, массе) — спектрометры. 
Прибор для регистрации ионизирующих излучений состоит из чувствительного элемента — детектора (датчика) и измерительной аппаратуры. В детектор входит вещество, с которым взаимодействуют частицы, и преобразователь эффектов взаимодействия в регистрируемые величины (импульсы, ток, химический осадок и т. д.), которые фиксируются измерительной аппаратурой. 
К основным и наиболее часто применяемым методам регистрации относятся следующие: ионизационные, оптические (сцинтилляционные), химические и фотографические. 
Ионизационный метод основан на регистрации эффекта ионизации, т. е. на измерении величины заряда ионов, возникающих под действием ионизирующего излучения. Измерить ионизационный эффект можно при помощи электрического поля, которое препятствует рекомбинации ионов и придает им направленное движение к соответствующим электродам. 
В качестве детекторов используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера—Мюллера, полупроводниковые детекторы и др. Эти детекторы, кроме полупроводниковых, представляют собой наполненные газом баллоны с двумя вмонтированными электродами. К электродам подведено напряжение постоянного тока. Детектор включается в электрическую цепь. При прохождении ионизирующей частицы через газовую среду образуются ионы, которые собираются на электродах. Положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду. В электрической цепи образуется ионизационный ток, который регистрируется измерителем тока. По значению этого тока можно судить об интенсивности излучения или отсчитывать число зарегистрированных частиц. Протекание тока наблюдается до тех пор, пока на газ действует излучение. В противном случае ток в цепи не протекает, так как газ является изолятором. 
Взаимодействуя с веществом, ядерное излучение наряду с ионизацией производит возбуждение атомов и молекул. Через некоторое время (в зависимости от вещества) возбужденные атомы и молекулы переходят в невозбужденное состояние с выделением энергии во внешнюю среду. У некоторых веществ (сернистый цинк, йодистый натрий, антрацен, стильбен, нафталин и др.) такой переход сопровождается испусканием энергии возбуждения в виде квантов видимого инфракрасного и ультрафиолетового света. Внешне это проявляется в виде вспышек света — сцинтилляций, которые можно зарегистрировать с помощью соответствующих приборов. На регистрации сцинтилляций, возникающих в определенных веществах при облучении их ионизирующими излучениями, и основаны оптические методы. 
Принцип работы сцинтилляционного детектора следующий: под действием излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированных и возбужденных состояний в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована различными способами. Лучший из них состоит в преобразовании энергии света в электрический сигнал с помощью оптически связанного со сцинтиллятором фотоэлектронного умножителя 
В настоящее время известно очень много различных сцинтилляторов – жидких, твердых, газообразных и в виде порошков различной плотности. Это позволяет подобрать необходимый детектор для наиболее эффективной регистрации любого ионизирующего излучения в широком диапазоне энергий. 
Химические методы основаны на том, что часть поглощенной энергии излучения переходит в химическую, что вызывает цепь химических превращений. Определение наличия излучения, его интенсивности производится по выходу химических реакций. Например, при облучении водного раствора FeSO4 ионы двухвалентного железа Fe2+ превращаются в ионы трехвалентного железа Fe3+. Одновременно при этом изменяется электрический потенциал и окраска раствора, что можно легко определить соответствующими способами. 
Отметим, что при использовании химических методов следует подбирать в качестве детекторов такие вещества, химические изменения в которых пропорциональны дозе или интенсивности ионизирующего излучения 
Фотографические методы основаны на способности излучения разлагать галогениды серебра AgCl или AgBr, входящие в состав чувствительных фотоэмульсий, до металлического серебра. В результате такого взаимодействия вдоль трека (следа прохождения) альфа- и бета-частиц выделяются зерна серебра и при проявлении фотопластинки виден след пробега ядерных частиц — почернение. По характеру трека можно определить вид, интенсивность и энергию излучения. 
В заключение отметим, что большое разнообразие методов регистрации и детекторов связано с причинами различного характера взаимодействия излучения с веществом и различным пробегом. Поэтому невозможно сконструировать универсальный детектор, который одинаково хорошо регистрировал бы гамма-кванты, альфа- и бета-частицы. Легче всего зарегистрировать проникающее гамма-излучение. Для этого хороши счетчики Гейгера—Мюллера, но более эффектны сцинтилляционные детекторы с кристаллическими сцинтилляторами большой плотности. 
Для регистрации бета-излучения применяют жидкие или пластмассовые сцинтилляторы или ионизационные детекторы с очень тонкими стенками. Альфа-излучение из-за малого пробега в веществе регистрировать очень тяжело. В этом случае чаще используют ионизационные методы, но детекторы особых конструкций — открытые газовые или специальные полупроводниковые детекторы. 
При регистрации ионизирующих излучений необходимо помнить о требованиях к измеряемым образцам. Особых требований не существует в случае гамма-излучающих образцов. В образцах, которые испускают бета-частицы, регистрация будет происходить только с верхнего тонкого слоя; все остальное бета-излучение поглощается в самом образце, не достигая детектора. Поэтому бета-излучающие образцы должны быть или очень тонкие или бесконечно толстые. Радиометрия альфа-радионуклидов возможна только с очень тонкой пленки, В этом случае перед измерением необходимо провести радиохимическую* обработку образца; его предварительно сжигают, растворяют, выделяют альфа-излучающий радионуклид, который осаждают на подложку тонким слоем. 
Также отметим, что активность определяют, регистрируя радиоактивное излучение, которое сопровождает распад. Но так как для каждого вида излучения необходим отдельный детектор, активность можно определить только в том случае, когда известен состав радионуклидов в образце и число соответствующих частиц или квантов, которые излучаются при одном акте распада. Например, цезий-137, который распадается, излучая бета-частицу (электрон) и гамма-квант, можно регистрировать как бета-радиометром (с поправкой на эффективность к гамма-излучению), так и гамма-радиометром. При радиометрии стронция-90 необходимо помнить, что данный радионуклид излучает только бета-частицы, причем при распаде образуется иттрий-90, который также испускает бета-частицы, поэтому в образце всегда присутствуют два этих радиоизотопа. 
Устройства, предназначенные для преобразования энергии ионизирующих излучений в другие виды энергии, удобные для индикации, последующей регистрации и измерения, называются детекторами ионизирующего излучения (от латинского слова "detector" – тот, кто раскрывает, обнаруживает), но детекторы, как правило, это лишь часть комплекса аппаратуры, предназначенной для регистрации излучений. Эффект, создаваемый излучением в детекторе, должен быть преобразован в электрический ток, который может привести в действие электрическое регистрирующее измерительное устройство. 
Устройства, предназначенные для регистрации действия ионизирующего излучения на детектор, называются регистраторами. Комплекты устройств – детектор и регистратор – называются радиометрами. Радиометры – приборы, предназначенные для получения информации об активности нуклидов, плотности потока и потоке ионизирующих частиц или фотонов. Разновидность радиометров представляют собой дозиметры, отградуированные в единицах дозы или мощности излучения. Дозиметры – приборы, предназначенные для получения информации об экспозиционной дозе и мощности экспозиционной дозы или (и) об энергии, переносимой ионизирующим излучением или переданной им объекту, находящемуся в поле его действия. 
Существует электрофизическая аппаратура, которая позволяет расшифровать в деталях свойства излучения, проходящего через детектор. Приборы, предназначенные для анализа свойств ионизирующих излучений (радионуклидный состав, энергия, вид излучения, др.), называются анализаторами. В настоящее время различные типы анализаторов принято называть спектрометрами. Спектрометры – приборы, предназначенные для получения информации о спектре распределения ионизирующего излучения по одному или более параметрам, например, по энергии квантов или частиц в потоке излучения. 
Иногда регистрация излучения сводится к регистрации следов прохождения отдельных ионизирующих частиц через вещество. По длине следа обычно определяют энергию зарегистрированных частиц, а по виду следа – вид частиц. Такие детекторы принято называть следовыми камерами, а также это могут быть толстослойные фотоэмульсии.

Список использованной литературы

Александер П., Бак З., Основы радиобиологии, М., 1963

Гродзинский Д. М. Радиобиология. Биологическое действие ионизирующих излучений, М., 1961

Барабой В. А. Популярная радиобиология, Киев, 1988.

Белов А. Д., Киршин В. А. Ветеринарная радиобиология. М.: Агропромиздат, 1987. 287с.

Бесядовский Р. А., Иванов К. В., Козюра А. К. Справочное руководство для радиобиологов, М., 1978

Василенко И. Я., Василенко  О. И. Биологическое действие продуктов ядерного деления, М., Бином, 2011, 384 с.