Ионизирующие излучения. 
Ядерные технологии

В данной главе мы рассмотрим основные свойства ионизирующих излучений и обсудим процессы их взаимодействия с веществом.

Начнём с определения некоторых понятий.

Альфа-излучение — корпускулярное излучение, состоящее из а-частиц (ядер ⁴Не), испускаемых при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях, превращениях.

Аннигиляционное излучение — фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, при взаимодействии /?- электрона и р*-позитрона).

Бета-излучение — корпускулярное излучение с непрерывным энергетическим спектром, состоящее из отрицательно заряженных электронов (fr-частицы) или положительно заряженных позитронов (р*-частицы) и возникающее при радиоактивном p-распаде ядер или нестабильных элементарных частиц. Характеризуется граничной (максимальной) энергией электронов (позитронов). Гамма-излучение — фотонное излучение, возникающее при ядерных превращениях или аннигиляции частиц (диапазон энергий от десятков кэВ до нескольких МэВ).

Ионизирующее излучение" (радиация) — вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций (видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям).

Нейтронное излучение — поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

Протонное излучение — излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтронно-дефицитных атомных ядер или как пучок на выходе ионного ускорителя (например, синхрофазотрона).

Рентгеновское излучение — фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемое, например, рентгеновскими трубками. Занимает спектральную область между гаммаи ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн ю-з+юо нм (iia+io* см). Энергетический диапазон юо эВ-ю, 1 МэВ. Рентгеновские лучи с длиной волны менее 0,2 нм (Е>50 кэВ) называются жёсткими, а с длиной волны более 0,2 нм (Е<50 кэВ) — мягкими рентгеновскими лучами.

Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле, характеризуется непрерывным энергетическим спектром. Иногда в понятие тормозного излучения включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (синхротронное излучение). Фотонное излучение — электромагнитное косвенно ионизирующее излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

К ионизирующим излучениям относят фотоны электромагнитного излучения (уи рентгеновское излучение с длиной волны менее 20 нм) и корпускулярные излучения. Фотонное излучение с энергией от 50 эВ до 500 эВ называют рентгеновским излучением, а при более высоких энергиях — у-излучением.

Энергия электромагнитного излучения (эВ):

где постоянная Планка /1=6,626 юи Дж-с=4,135*ю¹5 эВ-e, с=з*ю⁸ м/с — скорость света, v — частота колебаний волны.

К корпускулярному ионизирующему излучению относят a-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения.

Электронное излучение — обычно пучок электронов на выходе электронного ускорителя. Оно характеризуется средней энергией излучения и дисперсией (разбросом), а также шириной пучка. Специальными мерами можно получить моиоэнергетический узкий пучок высокоэнергетических электронов.

Бета-излучение сопровождает /2-распад. Так как скорость /2-частиц значительно выше скорости а-частиц, они реже взаимодействуют с атомами среды; плотность ионизации на единиц)' пробега у них в сотни раз ниже, чем у or-частиц, а пробег в воздухе достигает ю м. В отличие от электронного излучения /2-излучение сопровождается потоком антинейтрино для электронов и нейтрино для позитронов. Позитронное излучение сопровождается ещё и аннигиляционным у-излучением (с энергией 0,51 и/или 1,02 МэВ).

Корпускулярное и электромагнитное излучения взаимодействуют преимущественно с электронами атомов. При этом происходит возбуждение и ионизация атомов.

Скорость, с которой электрон передает энергию материалу, определяется линейной передачей энергии (ЛПЭ) и выражается в терминах количества энергии, переданного веществу на единице пути. Единицей является килоэлектровольт на микрометр, кэВ/мкм, или эВ/нм. В конкретном материале ЛПЭ обратнопропорционально связана со скоростью электрона. По мере того, как электрон теряет энергию, его скорость уменьшается, и значение ЛЭП увеличивается.

Линейная передача энергии (ЛПЭ) — характеристика качества ионизирующего излучения; величина ионизационных потерь энергии на единице пути в веществе. Определяется как отношение части полной энергии dE, переданной веществу частицей из-за столкновений на отрезке пути dl, к длине этого пути: L=dE/dl. Измеряют в эВ/нм. Значения ЛПЭ варьируются от 0.2 для высокоэнергетических фотонов до 10−1 эВ/нм для осколков деления ядер урана.

Ослабление /2-излучения с непрерывным энергетическим спектром описывается законом, представляющим собой суперпозицию, возникающую при сложении множества линейных кривых ослабления, соответствующих моноэнергетическим электронам со всевозможными энергиями от нулевой до максимальной энергии Ети данного спектра /2-излучения. Однако начальный участок кривой поглощения (при толщинах менее 0,3R_max) довольно хорошо описывается экспоненциальной зависимостью:

где J и Jo — интенсивности в присутствии поглотителя с толщиной d ив отсутствие его, р — линейный коэффициент ослабления излучения.

В интегпальной сЬооме закон поглощения v-квантов имеет вил:

где р — полный линейный коэффициент ослабления излучения (он имеет размерность см^-1 и численно равен доле моноэнергетических у-квантов, выбывающих из параллельного пучка на единице пути излучения в веществе); х — толщина экрана.

Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Проходя через вещество, они непосредственно не ионизируют ни атомы, ни молекулы. При столкновениях нейтронов с атомными ядрами может происходить упругое или неупругое рассеяние.

Быстрые нейтроны могут испытывать упругие соударения, но с очень небольшим сечением. Они передают энергию в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Для тепловых нейтронов (0,025 эВ при комнатной температуре) основное взаимодействие — упругое рассеяние на ядрах вещества. При неупругом взаимодействии могут происходить ядерные реакции типа (я, а), (я, р), (я, у), (я, 2я) и т. д., а также деление ядер. Обычно нейтроны захватываются по (я, у)-реакции.

Ослабление узкого коллимированного пучка нейтронов тонким слоем вещества пиоисхолит по экспоненциальному закону:

где Jo и J{x) -плотности потока до и после прохождения слоя вещества толщиной х, N — число ядер в единице объема вещества, а — сечение взаимодействия нейтронов с веществом. Размерность сечения [см²], единица измерения — барн (1 барн =ю^-28 M^a=io^_a* см²).

Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. В зависимости от энергии нейтронов, их подразделяют на следующие группы:

• — ультрахолодные нейтроны — нейтроны с энергией менее ю «эВ.
• — холодные нейтроны — нейтроны с энергией меньше 5-Ю'³ эВ.
• — тепловые нейтроны — нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей среды. Их скорости характеризуются энергией Е₀=к-Т', соответствующей максиму максвелловского распределения (Г — абсолютная температ>^гра среды, сквозь которую диффундируют нейтроны, к — постоянная Больцмана).
• — надтепловые нейтроны — нейтроны с энергией от ол эВ до 0.5 кэВ. При прохождении надтепловых нейтронов через поглощающие и рассеивающие среды сечение взаимодействия подчиняется в основном закону i/v, где v скорость нейтрона. При определенных значениях энергии нейтронов возникают реакции радиационного захвата — реакции (я, у).
• — нейтроны промежуточных энергий — нейтроны с энергией от 0.5 кэВ до 0.2 МэВ. Для нейтронов этих энергий наиболее типичным процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.
• — быстрые нейтроны — нейтроны с энергией от 0.2 МэВ до 20 МэВ. Характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением пороговых ядерных реакций.
• — сверхбыстрые (релятивисткие) нейтроны — нейтроны, обладающие энергией свыше 20 МэВ. Они отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц. При энергии нейтронов выше 300 МэВ наблюдается слабое взаимодействие нейтронов с ядром (прозрачность ядер для сверхбыстрых нейтронов) и появление «реакции скалывания», в результате которой бомбардируемое ядро испускает несколько осколков.

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции о (п, а), а (п, р), а (п, у), а (п, 2п) и т. д.

Макроскопическое сечение данного вещества для данной реакции:

где N — число ядер в 1 смз поглощающего вещества.

Так как N=N₀p/A, где N₀ — число Авогадро, то Z=oN₀p/A.

Быстрые нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (Еядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния. Для быстрых нейтронов наиболее вероятными являются упругие (п, п) и неупругие (п, п') столкновения с атомными ядрами. Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Е_п, характерных для данного вещества.