Защита от вредных веществ, образующихся в воздухе под действием ионизирующего излучения

Радиолиз

При прохождении ионизирующего излучения через вещество в нем происходят различные физико-химические и химические процессы (эффекты). Химические изменения вещества под действием излучения называются радиационно-химическими эффектами, или радиолизом. Наблюдаемый при облучении химический эффект определяется поглощенной в веществе энергией, а для количественной характеристики используют величину радиационнохимический выход (G_x) — это число изменившихся (возникших, распавшихся) частиц (молекул, ионов и т. д.) на 100 эВ поглощенной энергии.

Ионизирующее излучение образует в веществе начальные (первичные) продукты радиолиза (электроны, ионы, различные возбужденные состояния). Эти промежуточные частицы с высокой химической активностью взаимодействуют между собой, распадаются, реагируют с исходным веществом и примесями в нем. При этом возможны 3 основных ситуации:

• 1. Первичные продукты в основном взаимодействуют между собой, регенерируя исходное вещество. Выход продуктов превращения (изменения) исходного вещества мал в сравнении с первичными продуктами. Такие вещества являются радиационно стойкими.
• 2. Первичные продукты взаимодействуют между собой или распадаются и дают стабильные продукты радиолиза, отличающиеся от исходного вещества, при этом выход продуктов превращения исходного облученного вещества будет порядка выхода первичных продуктов.
• 3. Первичные продукты способны вызвать цепную реакцию превращения исходного вещества.

В зависимости от рассмотренных ситуаций значения радиационно-химического выхода изменяются в широком диапазоне: от Ю'⁶ до 10^s част./100 эВ.

Весь процесс радиолиза от начала взаимодействия ионизирующего излучения с веществом до окончания процесса образования конечных стабильных продуктов можно разделить на три последовательные стадии.

Первая стадия радиолиза (физическая) — это взаимодействие ионизирующего излучения с веществом и образование первичных продуктов радиолиза первого поколения. Время протекания этой стадии порядка 3 10 ^|(' с. За такое малое время невозможны никакие химические процессы, связанные с перестройкой молекул среды.

Вторая стадия радиолиза (физико-химическая) — эго процессы, протекающие за время существования трека частицы. Трек — это след ионизирующей частицы в среде, регистрируемый в виде промежуточных активных частиц.

Простейшие составляющие грека — эго такие химически активные частицы, как положительные ионы, электроны и возбужденные молекулы. При взаимодействии первичного излучения с атомами и молекулами вещества большая часть выбитых в актах ионизации вторичных электронов {делыпаэлектроны) обладают достаточной энергией, чтобы произвести ионизацию и возбуждение еще нескольких молекул среды. Если принять, что работа, необходимая для образования пары ион-электрон, равна 30 эВ, то при энергии падающего элекгрона 1 МэВ общее число вторичных электронов составляет примерно 3 10⁴. Часть этих электронов является дельта-электронами, и именно они обусловливают основное воздействие ионизирующих излучений на вещество. Участие дельта-электронов в процессах ионизации и возбуждения придает особый характер распределению ионов и возбужденных молекул в объеме облучаемого вещества.

Рис. 16.1. Схематическое изображение отрезков траекторий заряженных частиц в воде с распределением актов ионизации и возбуждения [10]

В зависимости от величины линейной передачи энергии (ЛПЭ) активные частицы располагаются на различных расстояниях друг от друга. Если несколько пар (2−10) активных частиц находятся на расстоянии 10−30 А, то такие скопления называют шпорами. На образование одной шпоры тратится примерно 100 эВ. Размер шпоры изменяется от 1−2 нм в жидкостях до 100 нм в газах, и она содержит в среднем 2−3 иона и 2−3 возбужденные молекулы. Расстояние между шпорами зависит от вида падающей частицы и ее энергии.

Для частиц с большой ЛПЭ (дельта-электроны, протоны, а-частицы, осколки деления ядер) шпоры могут сливаться в сплошную цилиндрическую область радиусом 20−100 А — трек частицы. Радиус трека зависит от плотности вещества. Например, при движении протона в воде продукты радиолиза располагаются в цилиндрическом треке с радиусом порядка 50−100 А.

В случае быстрых электронов с небольшой ЛПЭ шпоры отделены друг от друга. Например, для электронов с энергиями ~ 1 МэВ это расстояние весьма значительно и составляет приблизительно 10² нм в жидкости и примерно 10⁴ нм в газе. От косвенно ионизирующих частиц (фотоны, нейтроны) энергию среде передают в основном вторичные электроны. При этом образующие трек ионы и электроны находятся на большом расстоянии друг от друга. На рис. 16.1 качественно показано, как распределены акты ионизации и возбуждения в воде вдоль треков заряженных частиц с различной ЛПЭ. Как видно из рисунка, на каждый акт ионизации приходится несколько актов возбуждения, поскольку для возбуждения атомов требуются меньшие затраты энергии.

В газовой среде трековые эффекты радиолиза для быстрых электронов и косвенно ионизирующего излучения отсутствуют, т. к. слишком велики расстояния между соседними парами ионов.

Время протекания второй стадии сильно зависит от плотности вещества. Для воды это примерно 10'¹² — К)" с.

Третья стадия радиолиза (химическая) — это химические процессы, протекающие в объеме вещества после «размывания» треков в результате диффузии. Время протекания этой стадии сильно отличается в различных веществах и зависит от плотности вещества и мощности поглощенной дозы. Для воды это время порядка КГ⁶ с.