 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Взаимодействие ионзирующего излучения с веществом
Рассмотрим вначале общие параметры, характеризующие это взаимодействие. Основная часть энергии заряженных частиц и g-квантов, взаимодействующих с веществом, идет на его ионизацию. Степень этой ионизации зависит от свойств излучения и от структуры объекта. Кроме того, она зависит от того расстояния l, которое квант излучения или частица проходит в веществе. Так, например, a-частицы и протоны создают максимальную ионизацию в конце своего пробега – перед моментом полной растраты своей энергии.
Для количественной характеристики ионизирующего эффекта частицы, распространяющейся в веществе по направлению l, выделим произвольно тонкий слой вещества толщиной dl. Допустим, в нем образовалось число пар ионов dn (см. рис. 5).
Линейная плотность ионизации (i) - это отношение числа ионов одного знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути dl, к величине этого пути: i = dn / dl. Обычная единица ее измерения – частиц/см или пар ионов/см. Подчеркнем, что линейная плотность ионизации зависит от пути, пройденного частицей в веществе: i = f (l).
Энергия, передаваемая частицей веществу, расходуется не только на его прямую ионизацию, но и на другие структурные перестройки, характер и степень развития которых также зависят от вида излучения и состава вещества. Чем больше энергия dE, выделившаяся в слое толщиной dl, тем сильнее разрушительное действие ионизирующего излучения.
Линейная передача энергии (ЛПЭ) является физической характеристикой качества ионизирующего излучения - это отношение энергии dE, переданной среде движущейся заряженной частицей вследствие столкновений при перемещении ее на расстояние dl, к этому расстоянию: ЛПЭ = dE/dl. Системная единица ее измерения Дж/м. Чаще эту величину измеряют во внесистемых единицах: килоэлектрон-вольт на микрометр воды (кэВ/мкм). Для незаряженных частиц ЛПЭ не применяется, но используются значения ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.
Как и линейная плотность ионизации, ЛПЭ зависит от расстояния, проходимого частицей или квантом в веществе. Быстрые электроны теряют свою энергию при прохождении первых сантиметров биологической ткани. Тяжелые заряженные частицы (альфа- частицы, протоны, дейтроны) вначале своего пробега растрачивают свою энергию довольно равномерно, а в конце его ЛПЭ для этих частиц резко возрастает.
Средний линейный пробег частицы определяется средним значением расстояния между началом и концом пробега.
Рассмотрим теперь особенности взаимодействия с веществом различных частиц.
I) Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью. На рис.2.7. показана зависимость линейной плотности ионизации воздуха от длины пути, проходимого в нем альфа-частицей, возникающей при распаде естественно-радиоактивных нуклидов. По мере продвижения альфа-частицы в вещество вначале плотность ионизации возрастает, а затем, практически при завершении пробега, резко падает. Как видно из рис.2.7, линейная плотность ионизации в воздухе изменяется от 2×104 в начале пробега до 8×104 пар ионов/см в его конце. Суммарное число ионов, образованных в веществе за счет полного пробега альфа-частицы может быть получено интегрированием зависимости i (l). Средний линейный пробег альфа-частицы зависит от ее энергии и свойств вещества. В воздухе он равен нескольким сантиметрам, в жидкостях и биологических тканях: 10¸100 мкм. Несмотря на небольшую глубину проникновения альфа-частиц в биологическую ткань, их разрушительное действие весьма значительно из-за высокой ионизирующей способности. Кроме ионизации при взаимодействии с веществом альфа-частиц развивается и ряд других эффектов: возбуждение атомов, возникновение характеристического рентгеновского излучения, радиолюминесценция и др. Более редкий процесс – взаимодействие альфа-частиц с ядрами атомов, входящих в состав вещества. В этом случае возможны ядерные реакции.
2) Бета-частицы, обладая по сравнению с альфа-частицами меньшим зарядом и существенно меньшей массой, имеют и меньшую ионизирующую способность. В воздухе линейная плотность ионизации может быть рассчитана по формуле: i = к (с/v)2, где с - скорость света в вакууме, v - скорость бета-частицы, к» 46 пар ионов/см. За счет рассеяния на электронах вещества при распространении в нем бета-частицы сильно изменяют свои первичные направления распространения. Глубина проникновения бета-излучения в ткани организма составляет 10 - 15 мм. Кроме ионизации, за счет торможения электронов в веществе возникает тормозноерентгеновскоеизлучение. Позитроны при попадании в вещество могут вступать в реакцию аннигиляции с электронами, образуя гамма-кванты:
.
3) Гамма-излучение. Представляя собой весьма короткие электромагнитные волны это излучение является более жестким, чем рентгеновское, хотя первичные механизмы взаимодействия с веществом во многом аналогичны. В первичных актах взаимодействия меньшее значение здесь имеет когерентное рассеяние, поскольку оно проявляется для энергий кванта, меньших энергии ионизации атома. Гамма-фотон обладает большей энергией, чем квант рентгеновского излучения, и за счет фотоэффекта и некогерентного рассеяния при его взаимодействии с веществом образуются рассеянные вторичные гамма-кванты высоких энергий и электроны, ионизирующие среду. Кроме того, высокоэнергетичные гамма-кванты в силовом поле ядер атомов вещества могут вызывать образование электронно-позитронных пар – процесс, обратный приведенной выше реакции аннигиляции:
.
Поскольку при распространении в веществе гамма-излучение вызывает ряд вторичных процессов, экспоненциальный закон ослабления его интенсивности выполняется приближенно, особенно, для гамма-квантов высоких энергий. Проникающая способность гамма-излучения весьма высока – в воздухе средняя длина пробега квантов превышает десятки и даже сотни метров, тело человека пронизывается ими практически полностью.
4) Нейтроны. Не смотря на отсутствие заряда у нейтрона, нейтронные потоки также производят ионизацию вещества. Ионизирующее действие возникает за счет сложных процессов. Это может быть деление ядер при захвате нейтронов, из-за которого возникают радиоактивные осколки, заряженные частицы и гамма-излучение. Могут происходить ядерные реакции с выделением протонов и альфа-частиц. Поскольку из-за отсутствия заряда нейтроны глубоко проникают в вещество, защита от нейтронного облучения представляет сложную задачу. Быстрые нейроны необходимо сначала замедлить, для чего используются водородосодержащие вещества (например, вода). Затем применяют вещества, активно поглощающие нейтроны (например, кадмиевые поглотители).
Поиск по сайту: