Глава 4. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разных знаков.

Ионизирующее излучение делится на корпускулярное, к которому относится излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (т.е. α - и β -частицы, нейтроны, протоны, мезоны и др.) и электромагнитное – фотонное излучение, в которое входит рентгеновское и γ -излучение. По виду взаимодействия ионизирующее излучение подразделяется на непосредственное и косвенное ионизирующее.

Непосредственное ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, например, из электронов, протонов, α -частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении с атомами среды. В результате такого взаимодействия выбиваются орбитальные электроны из атомов прямо при кулоновском взаимодействии, и образуются ионы.

Косвенное ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц, например, из нейтронов или фотонов, создающих непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывающих ядерные превращения с образованием ионизирующих частиц. Энергия этих частиц передается вначале заряженной частице (электрону или протону), а затем эти вторичные частицы уже производят ионизацию атомов и (или) вызывают ядерные превращения.

Проходя через вещество, ядерное излучение взаимодействует с орбитальными электронами атома и ядром посредством различных физических процессов. Характер взаимодействия зависит от вида и энергии излучения, а также от свойств среды, в которой происходит взаимодействие.

Различают два типа взаимодействия – упругое и неупругое. При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий и взаимодействующих частиц не изменяется, а происходит лишь перераспределение энергии между ними. При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий участников взаимодействия уменьшается, так как часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергию возбуждения, энергию разрыва связей и др.) и, в конечном счете, рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.

Ионизирующее излучение, в зависимости от массы и заряда, можно подразделить на четыре группы:

1) тяжелые заряженные частицы: α -частицы, протоны, ядра отдачи и др.;

2) легкие заряженные частицы: электроны и позитроны;

3) фотонное излучение: рентгеновское и γ -излучение;

4) нейтронное излучение: нейтроны различных энергий.

Рентгеновское излучение бывает двух видов:

а) характеристическое излучение, возникающее при переходе электронов с одного атомного уровня на другой;

б) тормозное излучение, возникающее при торможении заряженных частиц в веществе.

Характеристическое излучение является дискретным, тогда как тормозное излучение имеет непрерывный спектр.

4.1. Взаимодействие α -частиц с веществом

a-частицы, как и другие тяжёлые заряженные частицы (например, протоны, дейтоны), взаимодействуют главным образом с орбитальными электронами атомов, вызывая их ионизацию и возбуждение. Вероятность же протекания ядерных реакций при энергиях α -частиц, испускаемых радиоактивными ядрами (до 9 МэВ), примерно в 10³ раз меньше и зависит от заряда ядер материала.

Проходя через вещество, α -частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Из законов механики следует, что максимальная энергия, которую может получить атомарный электрон при взаимодействии с α -частицей, равна . Благодаря значительной массе α -частицы траектория ее движения в веществе практически не отклоняется от первоначального направления (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Траектория движения α -частиц в веществе

и процесс ионизации среды

Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь энергии , где dE – энергия, теряемая частицей в слое вещества толщиной dx. Если энергия заряженной частицы теряется на ионизацию среды, то говорят об удельных ионизационных потерях. Удельная ионизация не является постоянной величиной, а зависит от пройденного расстояния α -частицей. Если измерить зависимость удельной ионизации от расстояния, пройденного частицей, то получится кривая, показанная на рис. 4.2.

α -частицы обладают очень большой ионизирующей способностью и поэтому теряют свою энергию на поглощение в сравнительно тонких слоях материала поглотителя. Ионизационные потери α -частиц, а также протонов, дейтронов и др. тяжелых частиц , пропорциональные числу электронов в 1 см³ поглотителя и обратно пропорциональные энергии частицы, вычисляются по уравнению:

, (4.1)

где Е – кинетическая энергия нерелятивистской частицы (все α -частицы, испускаемые радионуклидами, имеют кинетическую энергию меньше 9 МэВ и поэтому не являются релятивистскими); и v – заряд и скорость частицы; N – число атомов в 1 см³; Z – эффективный заряд материала, так что ZN – среднее число электронов в 1 см³; и m – заряд и масса электрона; I – средний ионизационный потенциал.

Рис. 4.2. Кривая Брега для α -частиц с различной энергией

На образование одной пары ионов в воздухе a-частица теряет примерно 33, 85 эВ, т.е. если начальная кинетическая энергия a-частицы равна 4 МэВ, то она полностью затормозится с образованием 4× 10⁶/33, 85 @ 1, 18·10⁵ пар ионов.

Уравнение (4.1) показывает, что ионизационные потери частицы растут с уменьшением ее кинетической энергии и при одинаковой энергии пропорциональны квадрату заряда частицы.

Пробег a-частиц. a-частицы, имеющие одинаковую энергию, проходят в среде до полного замедления практически одно и то же расстояние. Зависимость числа частиц, прошедших определенный слой вещества, от толщины слоя имеет форму кривой (интегральная кривая), представленной на рис. 4.3. Дифференциальная кривая отражает число α ‑ частиц в единицу времени, которые проходят расстояние от источника, лежащее в пределах от R _ср до R _ср + d R. Дифференциальная кривая совпадает по форме с кривой Гаусса. Максимум этой кривой приходится на величину среднего пробега частиц R _ср. Разброс пробега называется страгглингом.

Рис. 4.3. Кривые интегрального и дифференциального распределения пробегов

α -частиц для тонкого источника

Если экстраполировать наклонный линейный участок интегральной кривой до оси абсцисс, то мы получим экстраполированный пробег α -частиц в веществе R _э, который всегда больше чем, средний.

Разница между экстраполированным и средним пробегом составляет приблизительно 1 % от полного пробега α -частиц с энергией 5 МэВ.

Между пробегом α -частиц в воздухе и их энергией были установлены эмпирические соотношения. Так, средний пробег в воздухе при комнатной температуре и нормальном давлении для a-частиц с энергией 2¸ 10 МэВ связан с энергией E _α в МэВ эмпирической формулой

. (4.2)

При меньших энергиях величина пробега оказывается пропорциональной Е ^3/4, а при более высоких энергиях – Е ².

Разброс пробегов зависит от нескольких причин. Первая причина – флуктуация числа атомов на пути частицы. Если среднее число ионов, образуемых α -частицей на длине ее пробега, равно N, то возможное отклонение от этого числа согласно статистическому закону равно . Среднее число пар ионов, образуемых a-частицей с энергией 4 МэВ, равно 1, 14·10⁵. Флуктуация этого значения составит = 338, 06, что составляет 0, 3 %. Однако реальные изменения в пробегах частиц значительно выше.

Второй причинной, вызывающей страгглинг, является перезарядка частиц при их движении через среду. При прохождении α ‑ частиц через вещество к ним может примкнуть один или два электрона. Таким образом, на всем пути частица имеет разный заряд. Опытным путем было установлено, что быстрая α -частица движется в основном как двухзарядный ион, при уменьшении скорости она будет терять заряд, двигаясь как однозарядный ион или даже как нейтральная частица. В результате перезарядка вызывает дополнительные флуктуации в ионизации, а значит, и в величине пробега. Эта величина дает 1, 5–1, 7 % разброса пробегов.

Пробеги α -частиц и протонов в некоторых средах приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Пробег α -частиц в различных веществах

в зависимости от энергии Е _α

Отношение пробегов для двух веществ, представленных в табл. 4.1, практически не зависят от энергии частицы и определяется отношением электронных плотностей ZN в уравнении (4.1). Для элементов значение

, (4.3)

где A – атомная масса; ρ – плотность; N _А – число Авогадро.

Отношение Z/A для легких элементов близко к 0, 5 и уменьшается до 0, 39 для урана. Другим исключением является водород, для которого оно равно 1. Для водородсодержащих веществ максимальное значение у метана – 0, 625, а других меньше: полиэтилен – 0, 57, вода – 0, 56 и т.д. Таким образом, с точностью не хуже 20 % можно принять, что

, (4.3а)

а произведение R ·ρ (размерность г/см²) с точностью до 20 % является инвариантным и не зависит от природы вещества.