Типы ионизирующего излучения

Альфа-частицы

Альфа-частица представляет собой тесно связанный набор из двух протонов и двух нейтронов. Он идентичен гелию-4 (⁴Он) ядро. Действительно, его окончательная судьба после того, как он потеряет большую часть своей кинетической энергии, состоит в том, чтобы захватить два электрона и стать атомом гелия.

Альфа-излучающие радионуклиды обычно представляют собой относительно массивные ядра. Почти все альфа-излучатели имеют атомный номер больше или равный атомному номеру свинца (⁸²Пб). Когда ядро ​​распадается с испусканием альфа-частицы, его атомный номер (число протонов) и число нейтронов уменьшаются на два, а его атомное массовое число уменьшается на четыре. Например, альфа-распад урана-238 (²³⁸U) до тория-234 (²³⁴Th) представлен:

Верхний левый индекс — это атомное массовое число (количество протонов плюс нейтронов), левый нижний индекс — атомный номер (количество протонов), а правый нижний индекс — количество нейтронов.

Обычные альфа-излучатели испускают альфа-частицы с кинетической энергией от 4 до 5.5 МэВ. Такие альфа-частицы имеют пробег в воздухе не более примерно 5 см (см. рис. 1). Для проникновения в эпидермис (защитный слой кожи толщиной 7.5 мм) необходимы альфа-частицы с энергией не менее 0.07 МэВ. Альфа-излучатели обычно не представляют внешней радиационной опасности. Они опасны только при попадании внутрь организма. Поскольку они отдают свою энергию на небольшом расстоянии, альфа-частицы представляют собой излучение с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ) и имеют большой весовой коэффициент излучения; как правило, w _R= 20.

Рис. 1. Энергетическая дальность излучения медленных альфа-частиц в воздухе на высотах 15 и 760 м.

Бета-частицы

Бета-частица — это высокоэнергетический электрон или позитрон. (Позитрон является античастицей электрона. Он имеет ту же массу и большинство других свойств, что и электрон, за исключением его заряда, который точно такой же по величине, как и у электрона, но положителен.) Бета-излучающие радионуклиды могут иметь высокий или низкий атомный вес.

Радионуклиды, имеющие избыток протонов по сравнению со стабильными нуклидами примерно того же атомного массового числа, могут распадаться при превращении протона в ядре в нейтрон. Когда это происходит, ядро ​​испускает позитрон и чрезвычайно легкую, очень невзаимодействующую частицу, называемую нейтрино. (Нейтрино и его античастица не представляют интереса для радиационной защиты.) Когда позитрон отдает большую часть своей кинетической энергии, в конце концов он сталкивается с электроном, и оба аннигилируют. Произведенное аннигиляционное излучение почти всегда представляет собой два фотона с энергией 0.511 кэВ (килоэлектрон-вольт), движущихся в направлениях, разнесенных на 180 градусов. Типичный распад позитрона представлен:

где позитрон представлен β⁺ и нейтрино n. Обратите внимание, что полученный нуклид имеет такое же атомное массовое число, что и исходный нуклид, атомное (протонное) число больше на единицу и число нейтронов меньше на единицу, чем у исходного нуклида.

Электронный захват конкурирует с распадом позитрона. При распаде электронного захвата ядро ​​поглощает орбитальный электрон и испускает нейтрино. Типичный распад электронного захвата определяется выражением:

Захват электрона всегда возможен, когда полученное ядро ​​имеет меньшую полную энергию, чем исходное ядро. Однако для распада позитрона необходимо, чтобы полная энергия начального атом больше, чем в результате атом более чем на 1.02 МэВ (вдвое больше энергии покоя позитрона).

Подобно распаду захвата позитронов и электронов, негатрон (β^–) распад происходит для ядер, имеющих избыток нейтронов по сравнению со стабильными ядрами примерно того же атомного массового числа. В этом случае ядро ​​испускает негатрон (энергетический электрон) и антинейтрино. Типичный распад негатрона представлен:

где негатрон представлен β^– и антинейтрино by`n Здесь образовавшееся ядро ​​получает один нейтрон за счет одного протона, но опять же не меняет своего атомного массового числа.

Альфа-распад — это реакция двух тел, поэтому альфа-частицы испускаются с дискретной кинетической энергией. Однако бета-распад — это реакция трех тел, поэтому бета-частицы испускаются в широком спектре энергий. Максимальная энергия в спектре зависит от распадающегося радионуклида. Средняя бета-энергия в спектре составляет примерно одну треть от максимальной энергии (см. рис. 2).

Рис. 2. Энергетический спектр негатронов, испускаемых ³²P

Типичные максимальные энергии бета-излучения находятся в диапазоне от 18.6 кэВ для трития (³H) до 1.71 МэВ для фосфора-32 (³²П).

Пробег бета-частиц в воздухе составляет примерно 3.65 м на МэВ кинетической энергии. Бета-частицы с энергией не менее 70 кэВ необходимы для проникновения в эпидермис. Бета-частицы представляют собой излучение с низкой ЛПЭ.

Гамма излучение

Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ядром при переходе из более высокого в более низкое энергетическое состояние. Количество протонов и нейтронов в ядре при таком переходе не меняется. Ядро могло остаться в более высоком энергетическом состоянии после более раннего альфа- или бета-распада. То есть гамма-лучи часто испускаются сразу после альфа- или бета-распада. Гамма-лучи также могут возникать в результате захвата нейтронов и неупругого рассеяния субатомных частиц ядрами. Наиболее энергичные гамма-лучи наблюдались в космических лучах.

На рис. 3 представлена ​​схема распада кобальта-60 (⁶⁰Ко). На нем показан каскад из двух гамма-лучей, испускаемых никелем-60 (⁶⁰Ni) с энергиями 1.17 МэВ и 1.33 МэВ после бета-распада ⁶⁰Co.

Рисунок 3. Схема радиоактивного распада для ⁶⁰Co

На рис. 4 представлена ​​схема распада молибдена-99 (⁹⁹Мо). Обратите внимание, что полученный технеций-99 (⁹⁹Tc) ядро ​​находится в возбужденном состоянии, которое длится исключительно длительное время (t_½ = 6 ч). Такое возбужденное ядро ​​называется изомер. Период полураспада большинства возбужденных ядерных состояний составляет от нескольких пикосекунд (пс) до 1 микросекунды (мкс).

Рисунок 4. Схема радиоактивного распада для ⁹⁹Mo

На рис. 5 представлена ​​схема распада мышьяка-74 (⁷⁴Как). Он показывает, что некоторые радионуклиды распадаются более чем одним путем.

Рисунок 5. Схема радиоактивного распада для ⁷⁴Поскольку, иллюстрируя конкурирующие процессы эмиссии негатронов, эмиссии позитронов и захвата электронов (m₀ масса покоя электрона)

В то время как альфа- и бета-частицы имеют определенный диапазон в веществе, гамма-лучи затухают экспоненциально (без учета накопления, возникающего в результате рассеяния внутри материала) по мере прохождения через вещество. Когда накоплением можно пренебречь, затухание гамма-излучения определяется по формуле:

в котором I (х) - интенсивность гамма-излучения как функция расстояния x в материале, а μ — массовый коэффициент затухания. Массовый коэффициент ослабления зависит от энергии гамма-излучения и от материала, с которым взаимодействуют гамма-лучи. Значения массового коэффициента ослабления сведены в таблицы во многих источниках. На рис. 6 показано поглощение гамма-лучей веществом в условиях хорошей геометрии (наростами можно пренебречь).

Рис. 6. Ослабление гамма-излучения с энергией 667 кэВ в Al и Pb в условиях хорошей геометрии (штриховая линия представляет затухание полиэнергетического фотонного пучка)

Нарастание происходит, когда широкий гамма-пучок взаимодействует с веществом. Измеренная интенсивность в точках внутри материала увеличивается по сравнению с ожидаемым значением «хорошей геометрии» (узкий луч) из-за гамма-лучей, рассеянных по сторонам прямого луча в измерительное устройство. Степень нарастания зависит от геометрии луча, материала и энергии гамма-лучей.

Внутренняя конверсия конкурирует с гамма-излучением, когда ядро ​​переходит из более высокого энергетического состояния в более низкое. При внутренней конверсии внутренний орбитальный электрон выбрасывается из атома вместо того, чтобы ядро ​​испускало гамма-лучи. Выброшенный электрон непосредственно ионизируется. Когда внешние орбитальные электроны переходят на более низкие электронные энергетические уровни, чтобы заполнить вакансию, оставленную выброшенным электроном, атом испускает рентгеновское излучение. Вероятность внутренней конверсии по отношению к вероятности гамма-излучения увеличивается с увеличением атомного номера.

Х-лучи

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение и, как таковые, идентичны гамма-излучению. Различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами заключается в их происхождении. В то время как гамма-лучи возникают в атомном ядре, рентгеновские лучи возникают в результате взаимодействия электронов. Хотя рентгеновские лучи часто имеют более низкую энергию, чем гамма-лучи, это не критерий их дифференциации. Можно производить рентгеновские лучи с энергией, намного превышающей гамма-лучи, возникающие в результате радиоактивного распада.

Внутренняя конверсия, рассмотренная выше, является одним из методов получения рентгеновских лучей. В этом случае результирующие рентгеновские лучи имеют дискретные энергии, равные разности энергетических уровней, между которыми проходят орбитальные электроны.

Заряженные частицы испускают электромагнитное излучение всякий раз, когда они ускоряются или замедляются. Количество испускаемого излучения обратно пропорционально четвертой степени массы частицы. В результате электроны излучают гораздо больше рентгеновского излучения, чем более тяжелые частицы, такие как протоны, при прочих равных условиях. Рентгеновские системы производят рентгеновские лучи, ускоряя электроны при большой разности электрических потенциалов в несколько кВ или МВ. Затем электроны быстро тормозятся в плотном термостойком материале, таком как вольфрам (W).

Рентгеновские лучи, испускаемые такими системами, имеют энергию, разбросанную по спектру в диапазоне примерно от нуля до максимальной кинетической энергии, которой обладают электроны до торможения. Часто на этот непрерывный спектр накладываются рентгеновские лучи с дискретной энергией. Они образуются, когда замедляющиеся электроны ионизируют материал мишени. Когда другие орбитальные электроны движутся, чтобы заполнить вакансии, оставшиеся после ионизации, они испускают рентгеновские лучи с дискретными энергиями, подобно тому, как испускаются рентгеновские лучи после внутренней конверсии. Их называют характеристика рентгеновские лучи, потому что они характерны для материала мишени (анода). См. рисунок 7 для типичного рентгеновского спектра. На рис. 8 изображена типичная рентгеновская трубка.

Рисунок 7. Спектр рентгеновских лучей, иллюстрирующий вклад характеристических рентгеновских лучей, возникающих при заполнении электронами дырок в K-оболочке W (длина волны рентгеновских лучей обратно пропорциональна их энергии)

Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом так же, как и гамма-лучи, но простое уравнение экспоненциального затухания неадекватно описывает затухание рентгеновских лучей в непрерывном диапазоне энергий (см. рис. 6). Однако, поскольку рентгеновские лучи с более низкой энергией удаляются из луча быстрее, чем рентгеновские лучи с более высокой энергией, когда они проходят через материал, описание затухания приближается к экспоненциальной функции.

Рис. 8. Упрощенная рентгеновская трубка со стационарным анодом и нагреваемой нитью накала.

Нейтроны

Как правило, нейтроны не испускаются в результате естественного радиоактивного распада. Они образуются в ходе ядерных реакций. Ядерные реакторы производят нейтроны в наибольшем количестве, но ускорители частиц и специальные источники нейтронов, называемые (α, n) источниками, также могут генерировать нейтроны.

Ядерные реакторы производят нейтроны, когда ядра урана (U) в ядерном топливе расщепляются или делятся. Действительно, производство нейтронов необходимо для поддержания ядерного деления в реакторе.

Ускорители частиц производят нейтроны, ускоряя заряженные частицы, такие как протоны или электроны, до высоких энергий для бомбардировки стабильных ядер в мишени. Нейтроны — лишь одна из частиц, которые могут образоваться в результате таких ядерных реакций. Например, следующая реакция производит нейтроны в циклотроне, который ускоряет ионы дейтерия для бомбардировки бериллиевой мишени:

Альфа-излучатели, смешанные с бериллием, являются портативными источниками нейтронов. Эти (α, n) источники производят нейтроны в результате реакции:

Источником альфа-частиц могут быть такие изотопы, как полоний-210 (²¹⁰По),
плутоний-239 (²³⁹Pu) и америций-241 (²⁴¹Являюсь).

Нейтроны обычно классифицируются в соответствии с их энергией, как показано в таблице 1. Эта классификация несколько произвольна и может варьироваться в разных контекстах.

Таблица 1. Классификация нейтронов по кинетической энергии

Существует ряд возможных режимов взаимодействия нейтронов с веществом, но двумя основными режимами с точки зрения радиационной безопасности являются упругое рассеяние и захват нейтронов.

Упругое рассеяние - это средство, с помощью которого нейтроны с более высокой энергией восстанавливаются до тепловых энергий. Нейтроны более высоких энергий взаимодействуют главным образом за счет упругого рассеяния и, как правило, не вызывают деления или образования радиоактивного материала за счет захвата нейтронов. Именно тепловые нейтроны в первую очередь ответственны за последние типы взаимодействия.

Упругое рассеяние происходит, когда нейтрон взаимодействует с ядром и отскакивает с уменьшенной энергией. Взаимодействующее ядро ​​поглощает кинетическую энергию, которую теряет нейтрон. После такого возбуждения ядро ​​вскоре отдает эту энергию в виде гамма-излучения.

Когда нейтрон в конце концов достигает тепловой энергии (так называемой, потому что нейтрон находится в тепловом равновесии со своим окружением), он легко захватывается большинством ядер. Нейтроны, не имеющие заряда, не отталкиваются положительно заряженным ядром, как протоны. Когда тепловой нейтрон приближается к ядру и попадает в зону действия сильного ядерного взаимодействия, порядка нескольких фм (фм = 10^-15 метров), ядро ​​захватывает нейтрон. Результатом может быть радиоактивное ядро, испускающее фотон или другую частицу, или, в случае делящихся ядер, таких как ²³⁵U и ²³⁹Pu, захватывающее ядро, может делиться на два меньших ядра и большее количество нейтронов.

Законы кинематики показывают, что нейтроны быстрее достигают тепловых энергий, если упругая рассеивающая среда включает большое количество легких ядер. Нейтрон, отскакивая от легкого ядра, теряет гораздо больший процент своей кинетической энергии, чем при отскоке от тяжелого ядра. По этой причине вода и водородосодержащие материалы являются лучшими защитными материалами для замедления нейтронов.

Моноэнергетический пучок нейтронов будет экспоненциально затухать в материале, подчиняясь уравнению, аналогичному приведенному выше для фотонов. Вероятность взаимодействия нейтрона с данным ядром описывается величиной поперечное сечение. Поперечное сечение имеет единицы площади. Специальной единицей поперечного сечения является сарай (б), определяемый:

Чрезвычайно трудно производить нейтроны без сопутствующих гамма- и рентгеновских лучей. В целом можно предположить, что если присутствуют нейтроны, то присутствуют и фотоны высокой энергии.

Источники ионизирующего излучения

Первичные радионуклиды

Первичные радионуклиды встречаются в природе потому, что их периоды полураспада сравнимы с возрастом Земли. В таблице 2 перечислены наиболее важные первичные радионуклиды.

Таблица 2. Первичные радионуклиды

Изотопы урана и тория возглавляют длинную цепочку дочерних радиоизотопов, которые в результате также встречаются в природе. Рисунок 9, AC, иллюстрирует цепочки распада для ²³²Чт, ²³⁸U и ²³⁵У соответственно. Поскольку альфа-распад обычно превышает атомное массовое число 205, а атомное массовое число альфа-частицы равно 4, для тяжелых ядер существует четыре различных цепочки распада. Одна из этих цепочек (см. рис. 9, Г), та, что для ²³⁷Np, в природе не встречается. Это связано с тем, что в ней нет первичных радионуклидов (то есть ни один радионуклид в этой цепочке не имеет периода полураспада, сравнимого с возрастом Земли).

Рисунок 9. Серия распада (Z = атомный номер; N = атомный массовый номер)    

 Обратите внимание, что изотопы радона (Rn) встречаются в каждой цепочке (²¹⁹Р-н, ²²⁰Рн и ²²²Рн). Поскольку Rn представляет собой газ, после образования Rn у него есть шанс выйти в атмосферу из матрицы, в которой он образовался. Однако период полувыведения ²¹⁹Rn слишком короток, чтобы позволить его значительному количеству достичь зоны дыхания. Относительно короткий период полувыведения ²²⁰Rn обычно делает его менее опасным для здоровья, чем ²²²Рн.

Исключая Rn, первичные радионуклиды, находящиеся вне организма, доставляют населению в среднем около 0.3 мЗв в год эффективной дозы. Фактическая годовая эффективная доза варьирует в широких пределах и определяется в первую очередь концентрацией урана и тория в местной почве. В некоторых частях мира, где распространены монацитовые пески, годовая эффективная доза на члена населения достигает около 20 мЗв. В других местах, например на коралловых атоллах и вблизи морских берегов, значение может составлять всего 0.03 мЗв (см. рис. 9).

Радон обычно рассматривается отдельно от других встречающихся в природе наземных радионуклидов. Он просачивается в воздух из почвы. Попадая в воздух, Rn далее распадается на радиоактивные изотопы Po, висмута (Bi) и Pb. Эти дочерние радионуклиды прикрепляются к частицам пыли, которые могут вдыхаться и задерживаться в легких. Будучи альфа-излучателями, они доставляют почти всю энергию своего излучения в легкие. Подсчитано, что средняя годовая эквивалентная доза в легких от такого облучения составляет около 20 мЗв. Эта эквивалентная доза для легких сравнима с эффективной дозой для всего тела, равной примерно 2 мЗв. Ясно, что Rn и его дочерние радионуклиды вносят наибольший вклад в эффективную дозу фонового излучения (см. рис. 9).

Космические лучи

К космическому излучению относятся энергичные частицы внеземного происхождения, попадающие в атмосферу Земли (главным образом частицы и в основном протоны). Он также включает вторичные частицы; в основном фотоны, нейтроны и мюоны, генерируемые при взаимодействии первичных частиц с газами в атмосфере.

В силу этих взаимодействий атмосфера служит экраном от космического излучения, и чем тоньше этот экран, тем больше эффективная мощность дозы. Таким образом, эффективная мощность дозы космических лучей увеличивается с высотой. Например, мощность дозы на высоте 1,800 метров примерно вдвое больше, чем на уровне моря.

Поскольку первичное космическое излучение состоит в основном из заряженных частиц, на него влияет магнитное поле Земли. Люди, живущие в более высоких широтах, получают большие эффективные дозы космического излучения, чем люди, живущие ближе к экватору Земли. Изменение из-за этого эффекта имеет порядок
от 10%.

Наконец, эффективная мощность дозы космических лучей изменяется в зависимости от модуляции выхода космических лучей Солнца. В среднем космические лучи вносят около 0.3 мЗв в эффективную дозу фонового излучения на все тело.

Космогенные радионуклиды

Космические лучи производят космогенные радионуклиды в атмосфере. Наиболее известными из них являются тритий (³Н), бериллий-7 (⁷Be), углерод-14 (¹⁴С) и натрий-22 (²²На). Они образуются при взаимодействии космических лучей с атмосферными газами. Космогенные радионуклиды дают около 0.01 мЗв годовой эффективной дозы. Большая часть этого исходит от ¹⁴C.

Радиоактивные осадки

С 1940-х по 1960-е годы проводились масштабные надземные испытания ядерного оружия. В ходе этих испытаний было произведено большое количество радиоактивных материалов, которые были распространены в окружающей среде по всему миру. осадки. Хотя большая часть этого мусора с тех пор распалась на стабильные изотопы, небольшие оставшиеся количества будут источником облучения в течение многих лет. Кроме того, страны, которые продолжают время от времени проводить испытания ядерного оружия в атмосфере, пополняют мировой список ядерных вооружений.

Основным источником радиоактивных осадков в эффективной дозе в настоящее время является стронций-90 (⁹⁰Sr) и цезий-137 (¹³⁷Cs), оба из которых имеют период полураспада около 30 лет. Среднегодовая эффективная доза от радиоактивных осадков составляет около 0.05 мЗв.

Радиоактивный материал в организме

Осаждение встречающихся в природе радионуклидов в организме человека происходит главным образом в результате вдыхания и приема внутрь этих материалов с воздухом, пищей и водой. К таким нуклидам относятся радиоизотопы Pb, Po, Bi, Ra, K (калий), C, H, U и Th. Из этих, ⁴⁰K является крупнейшим вкладчиком. Радионуклиды естественного происхождения, депонированные в организме, вносят около 0.3 мЗв в годовую эффективную дозу.

Машинное излучение

Использование рентгеновских лучей в искусстве лечения является самым большим источником облучения машинным излучением. Миллионы медицинских рентгеновских систем используются по всему миру. Среднее воздействие этих медицинских рентгеновских систем в значительной степени зависит от доступа населения к медицинской помощи. В развитых странах средняя годовая эффективная доза от предписанного врачом облучения рентгеновскими лучами и радиоактивными материалами для диагностики и лечения составляет порядка 1 мЗв.

Рентгеновские лучи являются побочным продуктом большинства ускорителей частиц физики высоких энергий, особенно тех, которые ускоряют электроны и позитроны. Однако надлежащая защита и меры предосторожности, а также ограниченное число людей, подвергающихся риску, делают этот источник радиационного облучения менее значительным, чем вышеупомянутые источники.

Радионуклиды машинного производства

Ускорители частиц могут производить большое количество радионуклидов в различных количествах посредством ядерных реакций. К ускоренным частицам относятся протоны, дейтроны (²ядра H), альфа-частицы, заряженные мезоны, тяжелые ионы и так далее. Материалы мишеней могут быть изготовлены практически из любого изотопа.

Ускорители частиц являются практически единственным источником позитронно-излучающих радиоизотопов. (Ядерные реакторы, как правило, производят богатые нейтронами радиоизотопы, которые распадаются под действием негатронного излучения.) Они также все чаще используются для производства короткоживущих изотопов для медицинских целей, особенно для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Технологически усовершенствованные материалы и потребительские товары

Рентгеновские лучи и радиоактивные материалы появляются, как нужные, так и нежелательные, во многих современных операциях. В таблице 3 перечислены эти источники излучения.

Таблица 3. Источники и оценки соответствующих эффективных доз облучения населения от технологически усовершенствованных материалов и потребительских товаров

Источник: НКРЗ, 1987 г.

Назад