Іонізуючі випромінювання, потоки фотонів або частинок, взаємодія яких із середовищем призводить до іонізації її атомів або молекул. Розрізняють фотонное (електромагнітне) і корпускулярне іонізуюче випромінювання. До фотонного іонізуючого випромінювання відносять вакуумне УФ і характеристичне рентгенівське випромінювання, а також випромінювання, що виникають при радіоактивному розпаді та інших ядерних реакціях (головним чином γ-випромінювання) і при гальмуванні заряджених частинок в електричному або магнітному полі - гальмівне рентгенівське випромінювання, синхротронне випромінювання .
Просторово-часовий розподіл заряджених частинок або квантів, що становлять іонізуюче випромінювання, називають його полем. Основні характеристики іонізуючого випромінювання: потік іонізуючого випромінювання Ф n = dN / dt, де dN - число частинок, що падають на дану поверхню за інтервал часу dt; щільність потоку jn = d Фn / dS, де d Фn - потік, який припадає на площу поперечного перерізу dS поглинає обсягу; потік енергії Ф = dE / dt, де dE - сумарна енергія випромінювання (за винятком енергії маси спокою); енергетичний спектр дозою випромінювання.
Всі види іонізуючого випромінювання характеризуються так званої лінійної передачею енергії (ЛПЕ) - енергією, переданої середовищі іонізуючої часткою в заданій околиці її траєкторії на одиницю довжини. ЛПЕ може приймати значення від 0,2 (високоенергетичної фотони і електрони) до 104 еВ / нм (осколки поділу важких ядер).
Взаємодія випромінювання з середовищем. При проходженні іонізуючого випромінювання в середовищі можливі пружне розсіяння частинок, складових випромінювання, і непружні процеси. При пружному розсіянні кінетична енергія відносного руху частинок залишається постійною, але змінюється напрямок їх руху, тобто потік іонізуючого випромінювання розсіюється; при непружних процесах кінетична енергія електронів характерні пружне розсіяння на ядрах атомів середовища і непружні процеси - іонізація і збудження атомів і молекул при взаємодії з їх електронними оболонками (іонізаційні втрати) і генерація гальмівного випромінювання при взаємодії з атомними ядрами (Радіаційні втрати). якщо енергія електронів не перевищує 10 МеВ, у всіх середовищах переважають іонізаційні втрати. Для потоку прискорених іонів іонізаційні втрати домінують при всіх енергіях. Енергія, що передається зарядженою часткою даної речовини на одиниці довжини її шляху, наз. гальмівний здатністю речовини sm = dE / dl (dE - енергія, що втрачається частинкою при проходженні елементарного шляху dl). Значення sm знижується зі збільшенням енергії заряджених частинок і ростуть з підвищенням атомного номера елемента, з якого складається речовина середовища. Глибина проникнення заряджених частинок в речовину характеризується пробігом R; в воді для іонів Не2 + з енергією 5,3 МеВ R становить 39 мкм, для електронів з енергією 5 МеВ -2,5 см.
Ослаблення фотонного е раз. Зазвичай вимірюють ослаблення потоку випромінювання і вводять масовий коефіцієнт ослаблення m / r (r - щільність речовини): Фn = Ф0n е - (m / r) .r x, де х - товщина шару веществa, Ф0n і Фn - падаючий і минулий потоки відповідно . При проходженні потоку фотонів через середу частина їх розсіюється, частина поглинається, тому розрізняють масові коефіцієнти ослаблення і поглинання; другий коефіцієнт чисельно менше першого. Кожен вид взаємодії випромінювання з середовищем характеризується своїми масовими коефіцієнтами, залежними від енергії фотонів і атомного номера елемента, з якого складається речовина середовища.
Нейтронне випромінювання взаємодіє тільки з атомними ядрами середовища. За енергії нейтрони (в порівнянні з середньою енергією теплового руху kT, де k - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура) підрозділяють на холодні (Е kT), теплові (Е ~ kT), повільні (kT 103 еВ), проміжні (103 E 5 еВ) і швидкі (E> 5.105 еВ). Нейтрони в речовині відчувають пружне і непружні розсіювання. При достатньої енергії нейтрони можуть вибивати частково іонізовані атоми з середовища (так звані ядра віддачі). при захопленні нейтронів атомними ядрами можуть відбуватися ядерні реакції, наслідком яких є випускання γ-квантів, α- і β-частинок, осколків поділу ядра і ін. Ослаблення потоку нейтронів відбувається за експоненціальним законом Фn = Ф0nе-Nsa, де N - число атомів даного виду в одиниці об'єму, s - так зване перетин захоплення. Значення s зменшується обернено пропорційно швидкості нейтронів, але на цій залежності є максимуми (резонансні області захоплення), в яких перетин типова для кожного нукліда і може приймати значення від 2.10-33 м2 для 15N до 3,6.10-22 м2 для 135Хе.
Мал. 1. Залежність масового коефіцієнта ослаблення m / r g-випромінювання в воді від енергії квантів: 1 - фотоефект; 2 і 3 - іонізаційна і рассеівательная складові ефекту Комптона відповідно; 4 - ефект народження пари електрон-позитрон.
Активна взаємодія будь-якого -15 с. За цей час можлива перебудова електронної підсистеми молекул середовища (ядерна підсистема залишається незмінною). У середовищі з'являються продукти взаємодії: однозарядні іони в основному і збудженому станах, електрони різних енергій, двозарядні іони, синглетні і триплетні порушені стану, так звані сверхвозбужденние стану (СВС), що мають енергію вище першого потенціалу іонізації I1 частинок середовища. У газовій фазі кількість порушених станів перевищує кількість які утворилися іонів, в конденсованої фазі - навпаки. Іонізація і збудження частинок середовища можуть відбуватися з будь-якого електронного енергетичного рівня, але процес тим імовірніше, чим менше енергія зв'язку електрона в атомах і молекулах середовища. Ефективність взаємодії іонізуючого випромінювання з середовищем характеризують середньою енергією новоутворення W - енергією, що витрачається на освіту однієї пари іонів, причому W перевищує I1 в 1,5-2,5 рази.
Основна частка енергії електронів по енергіях в середовищі - так званий спектр деградації випромінювання - дозволяє розрахувати всі процеси взаємодіють з їх перетинах в системі і визначити склад і ймовірність утворення різних іонізованих та збуджених станів. У разі взаємодії іонізуючих випромінювань з багатокомпонентної системою (наприклад, розчином) розподіл енергії випромінювання між компонентами відбувається пропорційно електронної частці e цих компонентів - відношенню числа електронів, що належать даному компоненту, до загальної кількості всіх електронів системи в одиниці маси (або об'єму). Передана речовини енергія Джерела іонізуючого випромінювання розрізняються видом і енергетичним спектром випромінювання, конструкцією, геометрією розташування облучающих елементів, потужністю поглиненої дози і її розподілом в опромінюється об'єкті. Виділяють наступні групи: ізотопні джерела, ядерні реактори, прискорювачі заряджених частинок, рентгенівські установки. Серед ізотопних джерел наиб. поширені гамма-установки з довгоживучими радіонуклідами 60З і l37Cs.
Мал. 2. Схема гамма-ізотопного джерела для опромінення контейнерів: a - вид зверху, б - вид збоку; 1 - камера для опромінення; 2 - приміщення для завантаження контейнерів 5; 3 - джерело випромінювання в робочому положенні; 4 - він же в положенні зберігання; 6 - транспортна лінія для контейнерів; 7 - пульт управління; 8 - бетонна захист; 9 - зубці захисного лабіринту; 10 - система підйому джерел зі сховища 11; 12 - пультова; 13 - система дозіметріч. контролю.
На рис. 2 представлена схема гамма-установки для опромінення об'єктів великого розміру. У робочій камері 1 розташовані випромінюють елементи, які можуть перебувати в робочому положенні 3 або в сховище 4 (при такому положенні приміщення 1 доступно для людей). Об'єкти для опромінення занурюються в контейнери 5 і по транспортної лінії 6 доставляються дистанційно до опромінювача 3. Всі приміщення знаходяться під дозиметричним контролем 13.
Прискорювачі заряджених частинок - пристрої, що прискорюють електрони або іони в електричному полі (магнітне поле може бути використано для управління потоком заряджених частинок). Розрізняють два основних конструкційних типу прискорювачів: лінійні, в яких заряджені частинки рухаються прямолінійно, і циклічні, в яких рух йде по круговій траєкторії. За типом прискорює електричного поля прискорювачі ділять на високовольтні, в яких напрямок електричного поля під час прискорення не змінюється, і резонансні, в яких безперервне прискорення досягається за рахунок того, що заряджена частинка знаходиться в прискорює фазі змінного високочастотного електричного поля. У циклічних прискорювачах (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон та ін.) Необхідна енергія досягається при багаторазовому проходженні ускоряемой частки по окружності апарату, в лінійних (лінійний індукційних прискорювач, лінійний резонансний прискорювач і ін.) - за рахунок застосування високочастотного електричного поля до лінійної періодичної системі електродів. Основні елементи прискорювача - високовольтний генератор, джерело заряджених частинок (іонний джерело) і система, в якій проводиться прискорення. У резонансних прискорювачах процес накопичення часткою енергії відбувається за певний час, що залежить від необхідної енергії і типу прискорених частинок, тому вони працюють в імпульсному режимі. Деякі типи високовольтних прискорювачів (напр., Каскадний прискорювач) можуть використовуватися в режимі постійного потоку прискорених частинок. Більшість типів прискорювачів застосовують для прискорення як електронів, так і позитрон .в, протонів, дейтронів, Не2 + і покладе. іонів важчих елементів.Резонансні прискорювачі високих енергій (до десятків ГеВ) застосовують в ядерній фізиці; лінійні прискорювачі з енергією до десятків МеВ - в радіаційно-хімічних дослідженнях; високовольтні електронні прискорювачі - в прикладних цілях (використовують як прискорювачі на енергії 0,1-0,5 МеВ з потужністю в десятки кВт, так і прискорювачі на енергії в кілька МеВ з потужністю до 100 і вище кВт).
Перераховані вище прискорювачі - апарати з виведеним пучком заряджених частинок. Але в самому апараті за рахунок заряджених частинок можна отримати нейтрони або рентгенівське випромінювання. Нейтрони отримують в нейтронних генераторах при бомбардуванні прискореними протонами або дейтронами мішеней із з'єднань, що містять D, Т або інші нукліди; одержуваний потік може перевищувати 1011 нейтрон / с. Генератори нейтронів поряд з ядерними реакторами використовують в активаційному аналізі, нейтронографії.
Рентгенівське випромінювання генерують в рентгенівських трубках, в яких прискорені електрони гальмуються в товстій мішені з важкого елементу (електрод); при цьому радіаційні втрати значні. Рентгенівські трубки випускають для отримання випромінювань з енергіями від десятків до сотень кеВ; вони можуть працювати в безперервному або в імпульсному режимі.
Різні установки створюють в опромінюється середовищі потужність поглиненої дози від часткою Вт / г до 2.105 Вт / ч в стаціонарному режимі і 108 Вт / год в імпульсному. З огляду на сильного біол. дії Іонізуючі випромінювання створюють в облyчаемих об'єктах різні хімічні, фізичні та біологічні ефекти. У великих дозах іонізуюче випромінювання пригнічує життєдіяльність рослин, мікроорганізмів і тварин. Цей ефект лежить в основі радіаційної стерилізації медичних препаратів і інструментів, консервації харчових продуктів. У малих дозах Природні джерела іонізуючого випромінювання - природно розподілені в породах Землі довгоживучі радіонукліди, космічне випромінювання, високоенергетичного компонента сонячного випромінювання, радіаційного поясу Землі вважається одним з природних факторів, що вплинули на розвиток життя на Землі; воно сприяло утворенню вугілля, нафти і ряду ін. корисних копалин. Сонячне і космічне випромінювання визначають хімічний склад верхніх шарів планетних атмосфер.
Літ .: ГОСТ 15484-81. Випромінювання іонізуюче і їх вимірювання; Пікаєв А. К., Сучасна радіаційна хімія. Основні положення. Експериментальна техніка та методи, М., 1985. Л. Т. Бугаєнко.