химический каталог




ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, потоки фотонов или частиц, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. К фотонному ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и др. ядерных реакциях (главным образом g -излучение) и при торможении заряженных частиц в электрич. или магн. поле - тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение. К корпускулярному ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. относят потоки a - и b -частиц, ускоренных ионов и электронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулы среды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация). Если выбиваемые при этом электроны обладают достаточной кинетическая энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны называют d -электронами. Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды. Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преимущественно ядрами отдачи. Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи., называют его полем. Осн. характеристики ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи.: поток ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. Фn = dN/dt, где dN - число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; плотность потока j n = dФn/dS, где dФn - поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф = dE/dt, где dE - суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. - распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Кол-во энергии, переданной ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. единице массы среды, называют поглощенной дозой излучения (см. Доза). Все виды ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. характеризуются так называемой линейной передачей энергии (ЛПЭ) - энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетич. фотоны и электроны) до 104 эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).
Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетическая энергия относит. движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, т.е. поток ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. рассеивается; при неупругих процессах кинетическая энергия ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды. Для потока электронов характерны упругое рассеяние на ядрах атомов среды и неупругие процессы -ионизация и возбуждение атомов и молекул при взаимодействии с их электронными оболочками (ионизационные потери) и генерация тормозного излучения при взаимодействии с атомными ядрами (радиационные потери). Если энергия электронов не превышает 10 МэВ, во всех средах преобладают ионизац. потери. Для потока ускоренных ионов ионизац. потери доминируют при всех энергиях. Энергия, передаваемая заряженной частицей данному веществу на единице длины ее пути, называют тормозной способностью вещества sm = dE/dl (dE - энергия, теряемая частицей при прохождении элементарного пути dl). Значение sm снижается с увеличением энергии заряженных частиц и растет с повышением ат. номера элемента, из которого состоит вещество среды. Глубина проникновения заряженных частиц в вещество характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не2+ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ -2,5 см. Для фотонного ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. имеют место упругое рассеяние (классич. рассеяние) и неупругие процессы, основные из которых - фотоэффект, эффект Комптона и образование пар электрон - позитрон. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта с К-оболочки атома пропорциональна Z5 (Z - aт. номер элемента) и быстро убывает с ростом энергии фотона (кривая 1 на рис. 1). В случае эффекта Комптона происходит рассеяние фотона на одном из атомных электронов; при этом уменьшается энергия фотона, изменяется направление его движения и происходит ионизация атомов среды. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z и зависит от энергии фотонов (кривые 2 и 3 на рис. 1). При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон. Вероятность этого процесса пропорциональна Z2 и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классич. рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ - эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ - образование пар. Ослабление фотонного ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. слоем вещества происходит по экспоненц. закону и характеризуется линейным коэффициент ослабления m , который показывает, на какой толщине слоя вещества интенсивность падающего пучка ослабляется в е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэффициент ослабления m / r ( r - плотность вещества): Фn = Ф0nе -(m/r).r x, где х - толщина слоя веществa, Ф0n и Фn - падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэффициент ослабления и поглощения; второй коэффициент численно меньше первого. Каждый вид взаимодействие излучения со средой характеризуется своими массовыми коэффициент, зависящими от энергии фотонов и ат. номера элемента, из которого состоит вещество среды. Нейтронное излучение взаимодействие только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абс. температура) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E < 103 эВ), промежуточные (103 <E < 5 * 105 эВ) и быстрые (E > 5 * 105 эВ). Нейтроны в веществе испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизир. атомы из среды (так называемой ядра отдачи). При захвате нейтронов атомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием которых является испускание g -квантов, a - и b -частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Фn = Ф0nе - N sa , где N - число атомов данного вида в единице объема, s - так называемой сечение захвата. Значение s убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в которых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2 * 10 - 33 м2 для 15N до 3,6 * 10 - 22 м2 для 135Хе.

Рис. 1. Зависимость массового коэффициента ослабления m/r g -излучения в воде от энергии квантов: 1 - фотоэффект; 2 и 3 - ионизационная и рассеивательная составляющие эффекта Комптона соответственно; 4 - эффект рождения пары электрон-позитрон.

Глубину проникновения фотонного и нейтронного ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. в среду характеризуют слоем половинного ослабления D 1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды D 1/2 = 9 см для направленного потока g -излучения 60Со с энергией 1,25 МэВ и D 1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ. Акт. взаимодействие любого ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. с частицами среды продолжается не более 10 - 15 с. За это время возможна перестройка электронной подсистемы молекул среды (ядерная подсистема остается неизменной). В среде появляются продукты взаимодействие: однозарядные ионы в основном и возбужденном состояниях, электроны различные энергий, двухзарядные ионы, синглетные и триплетные возбужденные состояния, так называемой сверхвозбужденные состояния (СВС), имеющие энергию выше первого потенциала ионизации I1 частиц среды. В газовой фазе количество возбужденных состояний превышает количество образовавшихся ионов, в конденсир. фазе - наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетич. уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимодействие ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. со средой характеризуют средней энергией новообразования W - энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I1 в 1,5-2,5 раза. Осн. доля энергии ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. передается вторичными d -электронами. Мгновенное распределение первичных и вторичных электронов по энергиям в среде - так называемой спектр деградации излучения - позволяет рассчитать все процессы взаимодействие по их сечениям в системе и найти состав и вероятность образования различные ионизированных и возбужденных состояний. В случае взаимодействие ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. с многокомпонентной системой (например, раствором) распределение энергии излучения между компонентами происходит пропорционально электронной доле e этих компонентов - отношению числа электронов, принадлежащих данному компоненту, к общему числу всех электронов системы в единице массы (или объема). Переданная веществу энергия ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. распределяется неравномерно вдоль траектории ионизирующих частиц, поэтому пространств. распределение продуктов взаимодействие также неоднородно. Степень неоднородности тем выше, чем больше ЛПЭ излучения. Это приводит к неодинаковым конечным эффектам при взаимодействии со средой ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. с различным ЛПЭ (см. Радиационно-химические реакции). Источники ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. различаются видом и энергетич. спектром излучения, конструкцией, геометрией расположения облучающих элементов, мощностью поглощенной дозы и ее распределением в облучаемом объекте. Выделяют следующей группы: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки. Среди изотопных источников наиболее распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами 60Со и l37Cs.

Рис. 2. Схема гамма-изотопного источника для облучения контейнеров: a - вид сверху, б - вид сбоку; 1 - камера для облучения; 2 - помещение для загрузки контейнеров 5; 3 - источник излучения в рабочем положении; 4 - он же в положении хранения; 6 - транспортная линия для контейнеров; 7 - пульт управления; 8 - бетонная защита; 9 - зубцы защитного лабиринта; 10 - система подъема источников из хранилища 11; 12 - пультовая; 13 - система дозиметрич. контроля.

На рис. 2 представлена схема гамма-установки для облучения объектов большого размера. В рабочей камере 1 расположены излучающие элементы, которые могут находиться в рабочем положении 3 или в хранилище 4 (при таком положении помещение 1 доступно для людей). Объекты для облучения погружаются в контейнеры 5 и по транспортной линии 6 доставляются дистанционно к облучателю 3. Все помещения находятся под дозиметрич. контролем 13. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. ядерных реакторов состоит из g -излучения, быстрых и тепловых нейтронов, осколков деления. Ускорители заряженных частиц - устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрич. поле (магн. поле может быть использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два основные конструкционных типа ускорителей: линейные, в которых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в которых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрич. поля ускорители делят на высоковольтные, в которых направление электрич. поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в которых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрич. поля. В циклический ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукц. ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) - за счет приложения высокочастотного электрич. поля к линейной периодической системе электродов. Осн. элементы ускорителя - высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в которой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Некоторые типы высоковольтных ускорителей (например, каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитронов, протонов, дейтронов, Не2+ и положит. ионов более тяжелых элементов. Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ - в радиационно-химический исследованиях (см. Импульсный радиолиз); высоковольтные электронные ускорители - в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1-0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в несколько МэВ с мощностью до 100 и выше кВт). Перечисленные выше ускорители - аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соединение, содержащих D, Т или др. нуклиды; получаемый поток может превышать 1011 нейтрон/с (см. Нейтронные источники). Генераторы нейтронов наряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии. Рентгеновское излучение генерируют врентгеновских трубках, в которых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиац. потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме. Разл. установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2 * 105 Вт/ч в стационарном режиме и 108 Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биологическое действия ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиац. безопасности (подробнее см. в ст. Радиационная защита). ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. создают в облyчаемых объектах различные химический, физических и биологическое эффекты. В больших дозах ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиац. стерилизации мед. препаратов и инструментов, консервации пищевая продуктов. В малых дозах ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (например, при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. находят применение как диагностич. средство и для лучевой терапии опухолей. Использование ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. в промышлености - основа радиац. технологии, частью которой является радиационно-химическая технология. Прир. источники ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. - естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космич. излучение, высокоэнергетич. компонента солнечного излучения, радиац. пояса Земли. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯи. считается одним из природные факторов, повлиявших на развитие жизни на Земле; оно способствовало образованию угля, нефти и ряда др. полезных ископаемых. Солнечное и космич. излучения определяют химический состав верх. слоев планетных атмосфер.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
вывоз и хранение вещей на время ремонта
багеты для плазм
Bodum Presso
производство из листового металла на заказ

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(04.12.2016)