Файл: Пикаев, А. К. Дозиметрия в радиационной химии.pdf

После подстановки численных значений формула (17) преобра­ зуется к виду

где Е выражена в эв, а К — в А (1 А = 10-8 см).

Длину волны фотонного излучения в ряде случаев измеряют

вХ-единицах. Одна Х-единица равна 10_и см.

Врадиационной химии используют два вида фотонного излу­ чения: у-излучение и рентгеновское излучение. В табл. 3 с целью сравнения приведены характеристики обычного светового излу­ чения, рентгеновского излучения и у-излучения.

Отметим, что, основываясь на энергетических характеристиках,

резкой границы между ультрафиолетовым светом и рентгенов­ ским излучением провести нельзя. Так, свет способен произво­ дить ионизацию некоторых веществ (процесс фотоионизации). Различие здесь состоит в том, что электрон, образующийся в этом процессе, не обладает энергией, достаточной для дальнейшей иони­ зации. Рентгеновские и у-лучи генерируют электроны, имеющие такую энергию. В этом случае в результате одного акта поглоще­ ния энергии средой возникает несколько пар ионов.

у- Н а л у ч е н и е

у-Излучение возникает при распаде радиоактивных изотопов. Оно возможно только при переходе ядра из возбужденного энер­ гетического состояния в более низкое состояние (в частности, при переходе из возбужденного состояния в основное). у-Лучи монохроматичны или же имеют небольшое число дискретных энергий.

Поскольку у-лучи образуются при возвращении возбужден­ ного ядра в более низкое энергетическое состояние, то энергия у-лучей не может быть выше ~ 3 Мэе. Если энергия возбуждения ядра выше этого значения, то ядро распадается с испусканием нуклона или а-частицы.

Наиболее часто в радиационной химии используется у-излу- чение 60Со и 137Cs. Первый изотоп получают в ядерном реакторе

19

по реакции}

Сначала при распаде атома 60Со выделяется (1-частица (максималь­ ная энергия 0,308 Мэе) и образуется атом 60Ni. р-Частицы полно­ стью поглощаются в материале контейнера, в который помещен препарат 60Со. Атомы °°Ni выделяют примерно равное число у-кваитов с энергиями 1,332 и 1,173 Мэе, так что средняя энергия у-квантов, образующихся при распаде С0Со, равна 1,25 Мэе.

Период полураспада 137Cs составляет 30 лет. Схема его распада следующая:

Максимальная энергия р-частиц, образующихся в этом процессе, равна 1,18 Мэе (8%) и 0,52 Мэе (92%), а энергия у-кваитов —

0,6616 Мэе (82%).

В качестве источников у-излучения иногда применяются также отработанные тепловыделяющие элементы (твэлы) из ядериых реакторов и радиационные контуры при ядериых реакторах.

На раннем этапе развития радиационной химии в качестве источника у-излучения использовался радий, помещенный в кон­ тейнер с толщиной стенок, достаточной для полного поглощения Р~ и а-частиц. В настоящее время радий как источник у-излуче­ ния не применяется.

Рентгеновское излучение

Заряженные частицы, испытывающие ускорение при взаимо­ действии с электрическим полем электронов атома или полем ядер, теряют свою энергию, испуская электромагнитное излу­ чение. Это излучение называется тормозным. Потери энергии на тормозное излучение существенны только для быстрых электро­ нов. Если же тормозятся тяжелые заряженные частицы, то потери их энергии на тормозное излучение малы. Эти потери в (т/М)г раз меньше по сравнению с потерями для электронов (т и М — массы электрона и тяжелой заряженной частицы).

Для торможения электронов обычно используют мишени — материалы с высокими атомными номерами (чаще всего —вольфрам).

*Здесь и далее характеристики радиоактивного распада изотопов приводятся по книгам [18, 19].

20

Тормозное излучение испускается в виде непрерывного спектра с энергией квантов почти от нуля до максимальной энергии тор­ мозящихся частиц. На рис. 1 в качестве примера приведен энерге­ тический спектр тормозного излучения, полученного торможе­ нием электронов с энергией 0,25 Мэе вольфрамовой мишеныо [20]. На этом рисунке два пика при 58 и 70 кэв соответствуют ха­ рактеристическому излучению вольфрама. Это излучение обуслов­ лено электронами, переходящими с внешних оболочек атомов ма­ териала мишени на вакантные внутренние оболочки. В случае

Рис. 1. Энергетический спектр рентгеновского излучения, по­ лученного торможением элект­ ронов с энергией 0,25 Мэе в вольфрамовой мишени

I — интенсивность,

К — энергия излучения

вольфрама линии при указанных энергиях соответствуют пере­ ходам между внешними оболочками и if -оболочкой. Однако интен­ сивность характеристического излучения составляет лишь малую часть общей интенсивности.

Как уже говорилось, совокупность тормозного и характери­

имеет низкую энергию. Очевидно, эта часть поглощается в по­ верхностном слое облучаемого вещества. Вследствие этого распре­ деление поглощенных доз в образце будет неравномерным. Для того, чтобы распределение стало более равномерным, используют металлические фильтры, помещаемые между выходным окном ма­ шины, генерирующей излучение, и образцом.

Рентгеновское излучение обычно подразделяют на длинновол­ новое (эффективная длина волны более 0,25 А или энергия менее 50 кэв) и коротковолновое (эффективная длина волны менее 0,25 А или энергия более 50 кэв). Часто вместо этих терминов исполь­ зуют соответственно термины мягкое и жесткое излучение. В ра­ диационной химии длинноволновое рентгеновское излучение при­ меняется крайне редко.

Для тормозного излучения существует понятие — граничная длина волны. Это — наименьшая длина волны в его спектре. Она, очевидно, соответствует максимальной энергии в спектре.

* В английской литературе это излучение называется Х-излучениен.

21

Взаимодействие фотонного и зл уч ен и я с веществом

Для фотонов с энергией от 20 кэв до 10 Мэе возможны сле­ дующие процессы взаимодействия с веществом: фотоэлектрический эффект, комптоновское (некогерентное) рассеяние, образование электронно-позитронных пар, томсон-рэлеевское (когерентное) рассеяние, флуоресценция, тормозное излучение, аннигиляцион­ ное излучение, когерентное рассеяние на молекулах, потенциаль­ ное (дельбруковское) рассеяние, томпсоновское рассеяние на ядрах, ядерное резонансное рассеяние, ядериый фотоэффект *. Основ­ ными из них являются первые три процесса.

Фотоэлектрический эффект. Фотоэлектрическим эффектом (фото­ эффектом) называется процесс взаимодействия фотонного излу­ чения со связанным электроном, при котором вся энергия первич­ ного фотона hv поглощается атомом и из последнего выбивается электрон с энергией

где Ес — энергия связи выбитого электрона в атоме. Схематически этот процесс показан на рис. 2.

Фотоэлскт- А

В результате выбивания связанного электрона в атоме появ­ ляется свободный уровень. Он заполняется одним из наружных электронов, и акт поглощения фотона заканчивается испусканием вторичного мягкого характеристического излучения, называемого флуоресценцией. Это излучение не имеет места в том случае, когда энергия возбуждения атома передается одному из электронов. Это — явление Оже, и испускаемые при этом электроны назы­ вают электронами Оже. Флуоресцентное излучение наблюдается в материалах с большим атомным номером. В материалах с низким атомным номером преобладает испускание электронов Оже.

Главную роль в фотоэффекте играют электроны /^-оболочки, так как они имеют наибольшую энергию связи. Если энергия фотона меньше энергии связи электрона ^-оболочки, то может

*Когерентное (плп упругое) взаимодействие — это процесс, при котором сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия

ипосле него остается неизменной. Некогерентное (неупругое) взаимодейст­ вие — это процесс, при котором часть кинетической энергии взаимодейст­ вующей системы передается образовавшимися свободными частицами пли квантами.

22