Ионизирующие излучения и их практическое использование

 

Таблица 3. Радионуклидные источники гамма-излучения.

Изотоп	Название	Период полураспада	Энергия линий излучения, кэВ	Выход квантов в % на Бк
24Na 59Fe 60Co 65Zn 75Se 85Sr 113Sn 124Sb 131I 137Cs 141Се 192Ir 222Rn	Натрий-24 Железо-59 Кобальт-60 Цинк-65 Селен-75 Стронций-85 Олово-113 Сурьма-124 Йод-131 Цезий-137 Церий-141 Иридий-192 Радон-222	14,9 часа 45 суток 5.27 года 245 суток 127 суток 64 сутки 119 суток 60.8 суток 8.1 суток 26.6 года 32.5 суток 74 сутки 3.82 суток	1380; 2760 1100; 1290 1170; 1330 1120 120; 136; 265; (280; 400) 513 393 610; 640-1450; 1690; 2080 360; 630-720 661 145 296-316 241-2452	110 56; 44 110 45.5 15; 54; 56; 36 100 69.4 100; 35; 50; 6.5 78; 12 92 67 1.36 2.00

 

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.

 

3.2 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.

Изотоп	Название	Период полураспада	Энергии излучения, кэВ	Выход, %/Бк
55Fe 57Co 109Cd 119Sn 153Gd 170Tm 241Am	Железо-55 Кобальт-57 Кадмий-109 Олово-119 Гадолиний-153 Туллий-170 Америций-241	2,9 года 270 суток 470 суток 250 суток 236 суток 129 суток 458 лет	5.9 6.4; 14.4; 122; 136 22.1; 88 25.2; 23.8 41.5; 70; 97; 103 52.3; 84 14-18; 59.6; 26.4	26 51; 9; 85; 11 107; 4 100; 100 110; 3; 30; 20 100; 3 37; 36; 3

 

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 .

 

Рисунок 3. Спектр излучения рентгеновской трубки

 

Типовой спектр излучения  рентгеновской трубки приведен на рисунке 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 (α,n) – поглощение альфа-частицы Þ испускание нейтрона, или (α,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.

Состав	Название	Реакция	Период полу- распада, лет	Средняя энергия, МэВ	Выход, n/3.7 1010 Бк
210Po-Be 239Pu-Be 238Pu-Be 226Ra-Be 241Am-Be 227Ac-Be 210Po-B 124Sb-Be 88Y-Be MsTh-Be 226Ra-Be 88Y-D MsTh-D 226Ra-D 252Cf	Полоний, бериллий Плутоний-239, бериллий Плутоний-238, бериллий Радий, бериллий Америций, бериллий Актиний, бериллий Полоний, бор Сурьма, бериллий Иттрий, бериллий Мезоторий, бериллий Радий, бериллий Иттрий, дейтерий Мезоторий, дейтерий Радий, дейтерий Калифорний	9Be(α,n) “ “ “ “ “ 10B(α,n) 9Be(γ,n) “ “ “ D(γ,n) “ “ 252Cf(n)	0.39 24360 86.4 1620 458 21.7 0.39 0.17 0.29 6.7 1620 0.29 6.7 1620 2.55	4.3 4.5 4.5 3.63 4.3 4.5 2.7 0.024 0.158 0.827 0.1 0.31 0.197 0.12 1.9	1.8 106 2 106 2.8 106 (1-1.7) 107 (2.1-2.5) 106 (1.7-2.5) 107 2 105 2 105 105 3.5 104 3 104 0.3 104 9.5 104 103 1.4 1011