Физико-гигиеническая характеристика основных видов ионизирующих излучений.

Ионизирующими излучениями называются такие виды лучистой энергии, которые, попадая в определенные среды или проникая через них, производят в них ионизацию. Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и др.

Широкое использование атомной энергии в мирных целях, разнообразных ускорительных установок и рентгеновских аппаратов различного назначения обусловило распространенность ионизирующих излучений в народном хозяйстве и огромные, все возрастающие контингенты лиц, работающих в этой области.

Виды ионизирующих излучений и их свойства

Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными; они могут быть естественными, такие, как уран, радий, торий и др. (всего около 50 элементов), и искусственными, для которых радиоактивные свойства получены искусственным путем (более 700 элементов).

При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа, бета и гамма.

Альфа-частица — это положительно заряженные ионы гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементов (радия, тория и др.). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.

Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются. позитроны. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эги лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок (бетатронов и т. п.). По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так — называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность и другие их особенности. Интенсивность всех видов радиоактивного облучения, как и при других видах лучистой энергии, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения, то есть при увеличении расстояния вдвое или втрое интенсивность облучения уменьшается соответственно в 4 и 9 раз.

Радиоактивные элементы могут присутствовать в виде твердых тел, жидкостей и газов, поэтому, помимо своего специфического свойства излучения, они обладают соответствующими свойствами этих трех состояний; они могут образовывать аэрозоли, пары, распространяться в воздушной среде, загрязнять окружающие поверхности, включая оборудование, спецодежду, кожный покров рабочих и т. д., проникать в пищеварительный тракт и органы дыхания.

2. Радиоактивные вещества и источники ионизирующих излучений, виды воздействия их на организм.

Источник ионизирующего излучения (ionizing radiation source) - объект, содержащий радиоактивный материал (радионуклид), или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение. Предназначен для получения (генерации, индуцирования) потока ионизирующих частиц с определенными свойствами.

Источники излучений применяются в таких приборах, как медицинские гамма- терапевтические аппараты, гамма-дефектоскопы, плотномеры, толщиномеры, нейтрализаторы статического электричества, радиоизотопные релейные приборы, измерители зольности угля, сигнализаторы обледенения, дозиметрическая аппаратура со встроенными источниками и т.п.

По физической основе генерации излучения разделяют радионуклидные источники на основе естественных и искусственных радиоактивных изотопов, и физико-технические источники (нейтронные и рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц и пр.).

Для радионуклидных источников различают открытые и закрытые источники излучения.

Открытый источник ионизирующего излучения (unsealed source) - при использовании которого возможно поступление содержащихся в нём радиоактивных веществ в окружающую среду.

Закрытый источник ионизирующего излучения (sealed source) - в котором радиоактивный материал заключён в оболочку (ампула или защитное покрытие), предотвращающую контакт персонала с радиоактивным материалом и его поступление в окружающую среду свыше допустимых уровней в условиях применения и износа, на которые он рассчитан.

По видам излучения выделяют источники гамма-излучения, источники заряженных частиц и источники нейтронов. Для радионуклидных источников такое разделение не является абсолютным, т.к. при ядерных реакциях, индуцирующих излучение, основной вид излучения источника может сопровождаться существенным вкладом сопутствующих видов излучения.

По назначению выделяют калибровочные (образцовые), контрольные (рабочие) и промышленные (технологические) источники.

Промышленные источники излучения применяют в различных производственных процессах и установках производственного назначения (ядерные методы каротажа, бесконтактные методы контроля технологических процессов, методы анализа вещества, дефектоскопия и т.п.).

Контрольные источники используются для проверки и настройки ядерно-физических приборов и установок (спектрометров, радиометров, дозиметров и пр.) путем контроля за стабильностью и повторяемостью показаний приборов в определенной геометрии положения источника относительно детектора излучения.

Калибровочные источники используются при калибровке и метрологической поверке ядерно-физической аппаратуры.

Технические характеристики источников излучения:

1.Вид излучения (для радионуклидных – основной по назначению).

2. Геометрия источника (форма и размеры). Геометрически источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники могут быть линейными, поверхностными или объемными.

3. Активность (количество распадов в единицу времени) и ее распределение по источнику для радионуклидных источников. Мощность или плотность потока излучения для физико-технических источников.

4. Энергетический состав. Энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим (испускаются частицы одной фиксированной энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические частицы нескольких энергий) или непрерывным (испускаются частицы разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).

5. Угловое распределение излучения. Среди многообразия угловых распределений излучений источников для решения большинства практических задач обычно задаются изотропное, косинусоидальное или мононаправленное.

ГОСТ Р 51873-2002 – Источники ионизирующего излучения радионуклидные закрытые. Общие технические требования. Введен в действие в 2003 г. Стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений. Не распространяется на образцовые и контрольные источники, а также на источники, активность радионуклидов в которых не превышает минимально значимой, установленной «Нормами радиационной безопасности».

Согласно стандарту источники должны быть герметичными, с установленными классами прочности, допустимых климатических и механических воздействий по ГОСТ 25926 (но не ниже диапазона от -50 до +50^оС и влажности не менее 98% при +40^оС). Срок службы источника должен быть не менее:

— двух периодов полураспада - для источников с периодом полураспада менее 0, 5 года;

— одного периода полураспада (но не менее 1 года) - с периодом полураспада от 0, 5 до 5 лет;

— 5 лет - для источников гамма- и нейтронного излучений с периодом полураспада 5 и более лет. Для источников альфа-, бета- и рентгеновского излучений с периодом полураспада 5 и более лет срок службы устанавливают в нормативном документе на конкретный тип источника.

Источники относятся к невосстанавливаемым промышленным изделиям и не подлежат ремонту. При сохранении радиационных параметров в пределах, удовлетворяющих пользователя, сохранении герметичности и отсутствии дефектов допускается продление срока эксплуатации источника. Порядок продления устанавливают органы государственного управления использованием атомной энергией.

Единицы измерения радиоактивности и доз облучения.

Мерой радиоактивности радионуклида является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Несистемная единица - Кюри (Ки), активность 1 г радия (Ra). 1 Кюри = 3.7*10¹⁰ Бк.

Доза ионизирующего излучения (radiation dose) - количество энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается некоторой средой за определенный промежуток времени.

Поглощённая доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр) = 1 джоуль на килограмм (Дж/кг).

Поглощённая доза различных видов излучения вызывает в единице массы биологической ткани различное биологическое действие. Эквивалентная доза равна произведению поглощённой дозы на средний коэффициент качества излучения по сравнению с гамма-излучением. Значения коэффициента: рентгеновское излучение, электроны, позитроны, бета-излучение -1, нейтроны тепловые – 3, протоны, нейтроны быстрые – 10, альфа-частицы и ядра отдачи – 20. В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв) - доза любого излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический вред, как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Внесистемная единица - бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Экспозиционная доза (Д_эксп) служит для характеристики фотонного излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе излучения, при которой в 1 кг атмосферного воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл). Д_эксп = Кл/кг. Внесистемная единица - рентген (Р). 1 Р = 2, 58 · 10^-4 Кл/кг.

Основные радионуклиды мониторинга среды. Ниже в таблице приведены краткие данные по ядерно-физическим характеристикам радионуклидов, содержание которых в окружающей среде, в строительных материалах, в рабочих и бытовых помещениях и, особенно, в пищевых продуктах сельского хозяйства может быть значимым по радиационной опасности для здоровья человека.

Особого внимания заслуживает Радон-222, продукт распада Ra-226. Он является инертным газом, и выделяется из любых сред и объектов (почвы, строительные материалы и пр.), которые практически всегда содержат уран и продукты его распада. Средняя концентрация радона на уровне земли вне помещений составляет 8 Бк/м³. Период полураспада радона составляет 3.824 суток, и он может накапливаться в закрытых и плохо вентилируемых помещениях.

Основную часть облучения население Земли получает от естественных источников радиации. Это природные радионуклиды и космические лучи. Полная доза, обусловленная естественными источниками радиации, составляет в среднем около 2, 4 мЗв в год.

2. Источники заряженных частиц.

Известны десятки элементарных заряженных частиц, но время жизни большинства из них не превышает микросекунд. К элементарным заряженным частицам, участвующим в ядерных реакциях, относят бета-частицы (электроны и позитроны), протоны и альфа-частицы (ядра гелия ⁴Не, заряд +2, масса 4).

Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Заряженные частицы относятся к малопроникающим видам ионизирующего излучения. При своем движении в веществе они взаимодействуют с элект­рическими полями атомов среды. В результате взаимодей­ствия электроны атомов среды получает до­полнительную энергию и переходит на более удаленные от ядра энергетические уровни (процесс возбуждения) или совсем покидает атомы (процесс ионизации). При прохождении вблизи атомного ядра частицы испытывает торможение в его электрическом поле, которое сопровождается испусканием тормоз­ного гамма-излучения.

Длина пробега частицы в веществе зависит от ее заряда, массы, началь­ной кинетической энергии, и от свойств среды. Пробег увеличивается с возрастанием энер­гии частицы и уменьшением плотности среды. Массивные частицы обладают меньшими ско­ростями, чем легкие, взаимо­действуют с атомами более эффективно и быстрее теряют свою энергию.

Пробег бета-частиц в воздухе – до нескольких метров в зависимости от энергии. От потока бета-частиц с максималь­ной энергией 2 МэВ полностью защищает слой алюминия толщиной 3, 5 мм, железа – 1, 2 мм, свинца – 0, 8 мм. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц. При внешнем облучении организма на глубину более 1 мм проникает 20—25 % бета-частиц.

Альфа-частицы, имеющие большую массу, при столкновениях с электронами атомных обо­лочек испытывают очень небольшие отклонения от своего перво­начального направления и движутся почти прямолинейно. Про­беги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, у альфа-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2, 5 см, в воде или в мягких тканях животных и человека - сотые доли миллиметра.

Источники бета-излучения.

Бета-излучение (beta radiation) – корпускулярное ионизирующее излучение, поток электронов или позитронов, возникающий при бета-распаде атомных ядер с выбросом из ядра электрона или позитрона со скоростью, близкой к скорости света.

Бета-распад радионуклидов сопровождается излучением нейтрино, при этом разделение энергия распада между электроном и нейтрино имеет случайный характер. Это приводит к тому, что энергетическое распределение излучаемых бета-частиц является непрерывным от 0 до определенной для каждого изотопа максимальной энергии Е_мах, мода распределения сдвинута в область низких энергий, а среднее значение энергии частиц порядка (0, 25-0, 45)Е_мах. Пример энергетического распределения бета-излучения приведен на рис. 1.

Чем меньше период полураспада радионуклида, тем больше максимальная энергия излучаемых бета-частиц. Интервал значений Е_мах для различных радионуклидов простирается от десятка кэВ до десятка МэВ, но периоды полураспада нуклидов в последнем случае очень малы, что затрудняет их использование для технологических целей.

Характеристика проникающей способности излучения обычно дается по средней величине поглощения энергии излучения при прохождении излучения через слой вещества с поверхностной плотностью 1 г/см². Поглощение энергии бета-частиц при прохождении через вещество составляет порядка 2 МэВ на 1 г/см², и защита от излучения радионуклидных источников не представляет проблем. Слой свинца толщиной 1 мм практически полностью поглощает излучение с энергией до 2, 5 МэВ.

Источники бета-излучения (дисковые и точечные) изготавливаются в тонкослойном варианте на специальных подложках, от материала которых существенно зависит коэффициент отражения бета-частиц от подложки (увеличивается с увеличением атомного номера материала, и может достигать десятков процентов для тяжелых металлов). Толщина активного слоя и наличие на активном слое защитного покрытия зависит от назначения источника и энергии излучения. При спектрометрических измерениях поглощение энергии частиц в активном слое и защитном покрытии не должно превышать 2-3%. Диапазон активности источников от 0, 3 до 20 ГБк.

Мощные источники изготавливаются в виде герметических капсул из титана или нержавеющей стали, имеющих специальное выходное окно для бета-излучения. Так, изотопная установка «СИРИУС–3200» на смеси изотопов Sr-Y с активностью 3200 Ки обеспечивает выходную плотность потока электронов до 10⁸ электр·см^–2 ·с^–1.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные радионуклидные источники бета-частиц.

Таблица 1. Радионуклидные источники бета-частиц.

Бета-распад для большинства радионуклидов сопровождается сильным гамма-излучением. Это объясняется тем, что конечное ядро распада образуется в возбужденном состоянии, энергия которого снимается испусканием гамма-квантов. Кроме того, при торможении бета-частиц в плотной среде возникает тормозное гамма-излучение, а перестройка электронной оболочки нового атома сопровождается появлением характеристического рентгеновского излучения.

Промышленные физико-технические источники заряженных частиц - ускорители электронов (микротроны, бетатроны линейные волновые ускорители) используются для получения высокоэнергетических потоков электронов (более 3-5 МэВ).

В отличие от изотопных источников с непрерывным спектром электронов, ускорители дают пучок электронов фиксированной энергии, причём поток и энергия электронов могут варьироваться в широких интервалах.

Рис.2. Ускоритель ЭЛВ-8 (Новосибирск)

В России используются промышленные ускорители серии ЭЛВ с энергией (0.2-2.5) МэВ, мощностью до 400 кВт, и серии ИЛУ с энергией (0.7-5) МэВ, мощностью до 50 кВт. Машины рассчитаны на непрерывную работу в промышленных условиях, снабжены разнообразными системами развертки пучка электронов для облучения различных продуктов. Они применяются для радиационно-химических технологий, используемых при производстве кабельной продукции с термостойкой изоляцией, полимерных труб горячего водоснабжения, термоусаживаемых труб, хладостойких полимеров, полимерных рулонных композитных материалов и т.п. Импульсный ускоритель РИУС-5 создает ток электронов в импульсах (0.02-2) мкс до 100 кА при энергии электронов до 14 МэВ. Малогабаритные импульсные бетатроны типа МИБ используются для радиографического контроля качества материалов и изделий в нестационарных условиях.

Источники альфа-излучения.

Альфа-излучение – это корпускулярное ионизирующее излучение, представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия) с энергией до 10 МэВ, начальная скорость около 20 тыс. км/с. Эти частицы испускаются при распаде радионуклидов с большим атомным номером, в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92. Их ионизирующая способность огромна, а проникающая способность незначительна. Длина пробега в воздухе составляет 3—11 см (примерно равна энергии частиц в МэВ), в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра. Слой вещества с поверхностной плотностью 0, 01 г/см² полностью поглощает излучение с энергией до 10 МэВ. Внешнее альфа-излучение поглощается в роговом слое кожи человека.

В радионуклидных источниках альфа-излучения используется альфа-распад нестабильных ядер как естественных изотопов, так и тяжелых искусственных изотопов. Основной диапазон энергий альфа-частиц при распаде от 4 до 8 МэВ. Энергетическое распределение излучения дискретно и представлено альфа-частицами нескольких групп энергий. Выход альфа-частиц с максимальной энергией обычно максимален, ширина энергетических линий излучения очень мала. Для изготовления радионуклидных альфа-источников используются изотопы с максимальным выходом альфа-частиц и с минимальным сопутствующим гамма-излучением. Изготавливаются источники в тонкослойном варианте на металлических подложках.

Таблица 2. Радионуклидные источники альфа-частиц.

Практически чистые альфа-излучатели (например, полоний-210) являются великолепными источниками энергии. Удельная мощность излучателя на базе Ро-210 составляет более 1200 Ватт на кубический сантиметр. Полоний-210 послужил в качестве обогревателя «Лунохода-2», поддерживая температурные условия, необходимые для работы аппаратуры. В качестве источников энергии полоний-210 широко задействован в качестве источников питания удалённых маяков. Применяется он также для удаления статического электричества на текстильных фабриках, ионизации воздуха для лучшего горения топлива в мартеновских печах, и даже для удаления пыли с фотоплёнок.

Выпускаются и низкоактивные источники, используемые в качестве эталонов излучения для калибровки радиометров, дозиметров и прочей измерительной аппаратуры. Образцовые источники альфа-излучения изготавливаются на базе изотопов уран-234 и 238, плутоний-239.

К физико-техническим источникам пучков ионов гелия, протонов или тяжелых ионов относится циклотрон. Это ускоритель протонов (или ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени. Частицы движутся в циклотроне по плоской развертывающейся спирали. Максимальная энергия ускоренных протонов 20 МэВ.

3. Источники электромагнитного (фотонного) излучения.

Источники гамма-излучения.

Гамма-излучение (gamma radiation) - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0, 1 нм, которое возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и при других превращениях элементарных частиц. В виду того, что ядра имеют только определенные разрешенные уровни энергетического состояния, спектр гамма-излучения дискретен и состоит, как правило, из нескольких групп энергий в диапазоне от нескольких кэВ до десятка МэВ. Для радионуклидов с большими атомными номерами количество энергетических групп гамма-квантов может достигать нескольких десятков, но они резко различаются по вероятности выхода и количество квантовых линий с наибольшим выходом обычно невелико.

Поток гамма-квантов обладает волновыми и корпускулярными свойствами и распространяется со скоростью света. Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется отсутствием электрического заряда и значительным запасом энергии. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам в процессе фотоэффекта и эффекта Комптона. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта максимальна в области энергий квантов менее 200 кэВ, и быстро убывает с ростом энергии фотона. В случае эффекта Комптона на выбивание электрона с атомной оболочки расходуется только часть энергии фотона, а сам фотон изменяет направление движения. Комптоновское рассеяние преобладает в области энергий (0.2-5) МэВ и пропорционально атомному номеру среды. При энергии фотона выше 1, 022 МэВ вблизи атомного ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон, вероятность этого процесса увеличивается с ростом энергии фотона.

Пути пробега гамма-квантов в воздухе измеря­ются сотнями метров, в твердом веществе — десятками сантимет­ров. Проникающая способность гамма-излуче­ния увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и умень­шается с увеличением плотности среды. Ослабление фотонного ионизирующего излучения слоем вещества происходит по экспоненциальному закону. Для энергии излучения 1 МэВ толщина слоя десятикратного ослабления составляет порядка 30 г/см² (2, 5 см свинца, 4 см железа или 12-15 см бетона).

Радионуклидные источники гамма-квантов - естественные и искусственные бета-активные изотопы (таблица 3), дешевые и удобные в эксплуатации. При бета-распаде нуклидов ядро - продукт распада, образуется в возбужденном состоянии. Переход возбужденного ядра в основное состояние происходит с испусканием одного или нескольких следующих друг за другом гамма-квантов, снимающих энергию возбуждения. Радионуклидные источники представляют собой герметичные ампулы из нержавеющей стали или алюминия, заполненные активным изотопом. Энергия гамма-квантов радионуклидных источников не превышает 3 МэВ.

Таблица 3. Радионуклидные источники гамма-излучения.

В настоящее время мощные источники гамма-излучения нашли применение в медицине (радиотерапия, стерилизация инструментов и материалов), в геологии и горной промышленности (плотнометрия, рудосортировка), в радиационной химии (радиационно-химическая модификация материалов, синтез полимеров), и во многих других отраслях промышленного производства и строительства (дефектоскопия, массометрия, толщинометрия материалов и многое другое).

В радиологических отделениях онкологических диспансеров эксплуатируются закрытые радионуклидные источники с суммарной активностью до 5*10¹⁴ Бк. Переносные гамма-дефектоскопы типа " Гаммарид" и " Стапель-5М" на основе иридия-192 имеют источники с активностью от 85 до 120 Бк.

Физико-технические источники излучения представляют собой ускорители электронов, которые используются для генерации гамма-излучения. В этих ускорителях электронный поток разгоняется до энергий в несколько МэВ и направляется на мишень (цирконий, барий, висмут и др.), в которой возникает мощный поток гамма-квантов тормозного излучения с непрерывным спектром от нуля до максимальной энергии электронов.

Для создания мощных импульсных потоков тормозного гамма-излучения используются установки ЛИУ–10, ЛИУ–15, УИН–10, РИУС–5. Импульсный ускоритель РИУС-5 создает ток электронов в импульсах (0.02-2) мкс до 100 кА при энергии электронов до 14 МэВ, что позволяет создавать мощность дозы тормозного излучения до 10¹³ Р/с со средней энергией гамма-квантов порядка 2 МэВ.

Малогабаритные импульсные бетатроны типа МИБ используются для радиографического контроля качества материалов и изделий в нестационарных условиях: на монтажных и строительных площадках, при контроле сварных соединений и запорной арматуры нефте- и газопроводов, контроле опор мостов и других ответственных строительных конструкций, а также контроле литья и сварных соединений больших толщин. Максимальная энергия тормозного излучения установок до 7.5 МэВ, максимальная толщина просвечивания материалов до 300 мм.

Источники рентгеновского излучения.

Рентгеновское излучение по своим физическим свойствам аналогично гамма-излучению, но природа его совсем другая. Это низкоэнергетическое (не более 100 кэВ) электромагнитное излучение. Оно возникает при возбуждении атомов элементов потоком электронов, альфа-частиц или гамма-квантов, при котором происходит выброс электронов с электронных оболочек атома. Восстановление электронных оболочек атома сопровождается излучением рентгеновских квантов и имеет линейчатый спектр энергий связи электронов с ядром на электронных оболочках.

Рентгеновское излучение сопровождает также бета-распад радионуклидов, при котором ядро элемента увеличивает свой заряд на +1, и происходит перестройка его электронной оболочки. Этот процесс позволяет создавать достаточно мощные и дешевые радионуклидные источники рентгеновского излучения (таблица 4). Естественно, что такие источники одновременно являются источниками определенного бета- и гамма-излучения. Для изготовления источников используются радионуклиды с минимальной энергией излучаемых бета-частиц и гамма-квантов.

Таблица 4. Радионуклидные источники квантов низких энергий.

Защита от рентгеновского излучения существенно проще защиты от гамма-излучения. Слой свинца 1 мм обеспечивает десятикратное ослабление излучения с энергией 100 кэВ.

Физико-технические источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки, в которых под воздействием потока электронов, разогнанных до нескольких десятков кэВ, в мишени (аноде трубки) возбуждается излучение.

Рентгеновская трубка состоит из стеклянного вакуумного баллона с впаянными электродами – катодом, нагреваемым до высокой температуры, и анодом. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются в пространстве между электродами сильным электрическим полем (до 500 кВ для мощных трубок) и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию характеристического и тормозного излучения. КПД рентгеновских трубок обычно не превышает 3%. Поскольку большая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, анод выполняется из металла с высокой теплопроводностью, а на его поверхность (под 45^о к потоку электронов) в зоне фокусировки потока наносится мишень из материала с большим атомным номером, например вольфрама. Для мощных рентгеновских трубок применяется принудительное охлаждение анода (водой или специальным раствором). Удельная мощность, рассеиваемая анодом в современных трубках, от 10 до 10⁴ Вт/мм².

Рис. 3. Спектр излучения рентгеновской трубки

Типовой спектр излучения рентгеновской трубки приведен на рис. 3. Он состоит из непрерывного спектра тормозного излучения электронного пучка и характеристических линий рентгеновского излучения (острые пики) при возбуждении внутренних электронных оболочек атомов мишени.

4. Источники нейтронов.

Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц, имеющих массу, примерно равную массе протона. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды и обладает достаточно большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии (в сравнении со средней энергией теплового движения E_t ≈ 0.025 эВ) нейтроны условно подразделяют на тепловые (Е ~ E_t), медленные (E_t < E < 1 кэВ), промежуточные (1 < E < 500 кэВ) и быстрые (E > 500 кэВ).

Процесс ослабления нейтронного излучения при прохождении через вещество складывается из процессов замедления быстрых и промежуточных нейтронов, диффузии тепловых нейтронов и их захвата ядрами среды.

В процессах замедления быстрых и промежуточных нейтронов основную роль играет передача нейтронами энергии ядрам среды при прямых столкновениях с ними (неупругое и упругое рассеяние). При неупругом рассеянии часть энергии нейтронов расходуется на возбуждение ядра, которое снимается гамма-излучением. При упругом рассеянии чем меньше масса ядра и больше угол рассеяния, тем большую часть своей энергии передает нейтрон ядру. Вероятность упругого рассеяния практически постоянна до энергий 200 кэВ, и уменьшается в 3-5 раз по мере роста энергии нейтронов.

Радиационный захват нейтронов возможен на любых ядрах, за исключением ядер гелия. При захвате образуется возбужденное ядро, которое переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения, характерного для каждого нуклида, что широко используется для нейтронно-активационного анализа химического состава сред с высочайшей степенью точности (до 10^-8%). На легких ядрах наблюдаются ядерные реакции с вылетом протонов и альфа-частиц. Тяжелые ядра при захвате нейтронов делятся на два более легких ядра с освобождением энергии до 200 МэВ, из которых порядка 160 МэВ передается осколкам деления. Вероятность захвата имеет индивидуальную для нуклидов зависимость от энергии нейтронов, с резонансными пиками и спадом к области высоких энергий. Захват нейтронов преобладает для медленных и тепловых нейтронов.

Защита от нейтронов выполняется из смеси (слоев) тяжелых элементов (железо, свинец для неупругого рассеяния), легких водородо- и углеродосодержащих веществ (вода, парафин, графит – упругое рассеяние), и элементов захвата тепловых нейтронов (водород, бор). При среднем соотношении 1: 4 тяжелых и легких элементов ослабление потока нейтронов в 10: 100: 1000 раз достигается в слоях примерно 20: 32: 40 см.

Из всех видов внешних воздействий на человека нейтронное излучение наиболее опасно, т.к. интенсивно замедляется и поглощается водородосодержащей средой организма и вызывает ядерные реакции в его внутренних органах.

Радионуклидные источники нейтронов (таблица 5) выполняются на основе возбуждения в определенных химических элементах ядерных реакций типа (, n) - поглощение альфа-частицы Þ испускание нейтрона, или (, n) - поглощение гамма-кванта Þ испускание нейтрона. Они представляют собой, как правило, однородную спрессованную смесь элемента-излучателя альфа-частиц или гамма-квантов и элемента-мишени, в котором возбуждается ядерная реакция. В качестве альфа-излучателей используются полоний, радий, плутоний, америций, кюрий, в качестве гамма-излучателей - сурьма, иттрий, радий, мезоторий. Элементы - мишени для альфа-излучателей - бериллий, бор, для гамма-излучателей - бериллий, дейтерий. Смесь элементов запаивается в ампулы из нержавеющей стали.

Наиболее известными ампульными источниками являются радиево-бериллиевый и полониево-бериллиевый. Полоний-210 - практически чистый альфа-излучатель. Распад полония сопровождается гамма-излучением слабой интенсивности. Основной недостаток - небольшой срок службы, определяемый периодом полураспада полония.

В калифорниевом нейтронном источнике используется спонтанная ядерная реакция с выбросом нейтрона из ядра, которая сопровождается сильным гамма-излучением. При каждом делении ядра выделяется четыре нейтрона. 1 г источника в секунду выделяет 2, 4*10¹² нейтронов, что соответствует нейтронному потоку среднего ядерного реактора. Источники имеют постоянный поток нейтронов (не требуется мониторинг), “точечность” излучения, длительный ресурс (более трех лет), сравнительно низкую стоимость.

Источники тепловых нейтронов выполняются аналогично и дополнительно содержат графитовый чехол-замедлитель.

Таблица 5. Радионуклидные источники нейтронов.

Энергетические спектры альфа-нейтронных источников непрерывны, от тепловых до 6-8 МэВ, гамма-нейтронных - приблизительно моноэнергетические, десятки или сотни кэВ. Выход гамма-нейтронных источников на 1-2 порядка меньше, чем альфа-нейтронных, и сопровождается сильным гамма-излучением. У альфа-нейтронных источников сопровождающее гамма-излучение, как правило, низкоэнергетическое и достаточно слабое, за исключением источников с радием (илучение радия и продуктов его распада) и америцием (низкоэнергетическое излучение америция).

Альфа-нейтронные источники обычно ограничены по применению интервалом 5-10 лет, что вызвано возможностью разгерметизации ампулы при накоплении в ней гелия и повышении внутреннего давления.

Физико-техническим источником нейтронов является нейтронная трубка. Она представляет собой малогабаритный электростатический ускоритель заряженных частиц - дейтонов (ядер атомов дейтерия ²Нº D), которые разгоняются до энергии более 100 кэВ, и направляются на тонкие мишени из дейтерия или трития (³Нº T), в которых индуцируются ядерные реакции:

d + D Þ ³He + n + 3.3 МэВ, d + T Þ ⁴He + n + 14.6 МэВ.

Большую часть выделяющейся энергии уносит нейтрон. Распределение энергии нейтронов достаточно узкое и практически моноэнергетическое по углам вылета. Выход нейтронов порядка 10⁸ на 1 микрокулон дейтонов. Работают нейтронные трубки, как правило, в импульсном режиме, при этом мощность выхода может превышать 10¹² n/с.

Портативные нейтронные генераторы практически не обладают радиационной опасностью в выключенном состоянии, имеют возможность регулирования режима излучения нейтронов. К недостаткам генераторов относятся ограниченный ресурс работы (100-300 часов) и нестабильность выхода нейтронов от импульса к импульсу (до 50 %).