Особенности ионизирующего излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. Виды ионизирующего излучения и его характеристики

2. Источники ионизирующего излучения

3. Приёмники ионизирующего излучения

4. Принципы построения приборов на основе ионизирующего излучения

5. Изменение свойств материалов и элементов радиоэлектронной аппаратуры под действием ионизирующих излучений

6. Дефекты, образующиеся в материалах при воздействии на них ионизирующих излучений

7. Практическое использование излучений

Список литературы

1. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Радиоактивность (от лат. radio - излучаю и activus-действенный), самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в др. ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагнитного излучения (рентгеновского или г-излучения). Ядра нового нуклида, которые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), могут быть стабильными или радиоактивными.

Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность - это самопроизвольный распад ядер, встречающийся у некоторых веществ в природе (уран, радий, полоний и др.).

Искусственная радиоактивность связана с распадом ядер веществ, полученных в результате ядерных реакций. Такие вещества называют радионуклидами.

В технике, в основном, применяются радионуклиды или радиоизотопы. Радиоактивность сопровождается ионизирующим излучением.

В измерительной технике в основном используются следующие виды ионизирующего излучения: б, в, г, нейтронное и рентгеновское излучения.

б - излучение - это положительно заряженные частицы (ядра гелия), обладают слабой проникающей способностью. Их задерживает лист бумаги;

в - излучение - это электроны и позитроны, обладают средней проницающей способностью, проходят через пластину алюминия в несколько миллиметров;

г - излучение - это высокочастотное электромагнитное излучение с высокой проницающей способностью, проходят через пластину свинца в несколько сантиметров.

ионизирующий излучение радиоэлектронный аппаратура

Нейтронное излучение - это нейтральные частицы с массой протона, являются неустойчивыми и используются для определения характеристик горных пород - нейтронный каротаж.

Рентгеновское излучение - это высокочастотные электромагнитные излучения с высокой проникающей способностью. Является управляемым излучением.

Распад ядер происходит по экспоненте Nt = N0e - лt ,

где N0 - число ядер в начале распада;

л - постоянная распада.

Радиоактивность часто характеризуется периодом полураспада.

Период полураспада - это время в течении которого распадается половинка ядер.

.

Периоды полураспада:

Стронций (Sr) - 54 суток;

Стронций-90 - 2,7 года;

Иод (J) - 8,08 суток;

Цезий (Cs) - 30 лет;

Радий (Ra) - 1600 лет;

Плутоний (Pu) - 2,44*104 лет.

Активность радиоактивного распада - это число распадов в единицу времени, измеряется в Беккерелях [А] = 1 Бк = 1 1 / с.

Интенсивность излучения - это энергия излучения, проходящая в единицу времени через единицу поверхности. [J] = 1 Вт / м².

Старая единица в микрорентген в час. Естественный фон: J = 10 ч 11 мкР / час.

2. ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В измерительной технике в качестве источников ионизирующего излучения используются изотопы, а для получения рентгеновского излучения - рентгеновские трубки.

Рентгеновское излучение возникает при бомбардировании анода электронами высоких энергий. Преимущество рентгеновского излучения связано с его управляемостью. При применении источников ионизирующего излучения необходимо соблюдать меры безопасности. Наибольшую опасность представляет г-излучение.

Источником ионизирующего излучения называют объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать ионизирующее излучение.

Современные ядерно-технические установки обычно представляют собой сложные источники излучений. Например, источниками излучений действующего ядерного реактора, кроме активной зоны, являются система охлаждения, конструкционные материалы, оборудование и др. Поле излучения таких реальных сложных источников обычно представляется как суперпозиция полей излучения отдельных, более элементарных источников.

Любой источник излучения характеризуется:

- видом излучения - основное внимание уделяется наиболее часто встречающимся на практике источникам -излучения, нейтронов, -, ⁺-, ^--частиц;

- геометрией источника (формой и размерами) - геометрически источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники представляют суперпозицию точечных источников и могут быть линейными, поверхностными или объемными с ограниченными, полубесконечными или бесконечными размерами. Физически точечным можно считать такой источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и длины свободного пробега в материале источника (ослаблением излучения в источнике можно пренебречь). Поверхностные источники имеют толщину много меньшую, чем расстояние до точки детектирования и длина свободного пробега в материале источника. В объемном источнике излучатели распределены в трехмерной области пространства;

- мощностью и ее распределением по источнику - источники излучения наиболее часто распределяются по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону;

- энергетическим составом - 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);

- угловым распределением излучения - среди многообразия угловых распределений излучений источников для решения большинства практических задач достаточно рассматривать следующие: изотропное, косинусоидальное, мононаправленное. Иногда встречаются угловые распределения, которые можно записать в виде комбинаций изотропных и косинусоидальных угловых распределений излучений.

Источниками ионизирующих излучений являются радиоактивных элементы и их изотопы, ядерные реакторы, ускорители заряженными частиц и др. рентгеновские установки и высоковольтные источники постоянного тока относятся к источникам рентгеновского излучения.

Здесь следует отметить, что при нормальном режиме их эксплуатации радиационная опасность незначительна. Она наступает при возникновении аварийного режима и может долго проявлять себя при радиоактивном заражении местности.

Радиоактивный фон, создаваемый космическими лучами (0,3 мЭв / год), дает чуть меньше половины всего внешнего облучения (0,65 мЭв / год), получаемого населением. Нет такого места на Земле, куда бы ни проникали космические лучи. При этом надо отметить, что Северный и Южный полюса получают больше радиации, чем экваториальные районы. Происходит это из-за наличия у Земли магнитного поля, силовые линии которого входят и выходят у полюсов.

Однако более существенную роль играет место нахождения человека. Чем выше поднимается он над уровнем моря, тем сильнее становится облучение, ибо толщина воздушной прослойки и ее плотность по мере подъема уменьшается, а следовательно, падают защитные свойства.

Те, кто живет на уровне моря, в год получают дозу внешнего облучения приблизительно 0,3 мЭв, на высоте 4000 метров - уже 1,7 мЭв. На высоте 12 км доза облучения за счет космических лучей возрастает приблизительно в 25 раз по сравнению с земной. Экипажи и пассажиры самолетов при перелете на расстояние 2400 км получают дозу облучения 10 мкЗв (0,01 мЭв или 1 мбэр), при полете из Москвы в Хабаровск эта цифра уже составит 40-50 мкЭв. Здесь играет роль не только продолжительность, но и высота полета.

Земная радиация, дающая ориентировочно 0,35 мЭв / год внешнего облучения, исходит в основном от тех пород полезных ископаемых, которые содержат калий - 40, рубидий - 87, уран - 238, торий - 232. Естественно, уровни земной радиации на нашей планете неодинаковы и колеблются большей частью от 0,3 до 0,6 мЭв / год. Есть такие места, где эти показатели во много раз выше.

Внутренне облучение населения от естественных источников на две трети происходит от попадания радиоактивных веществ в организм с пищей, водой и воздухом. В среднем человек получает около 180 мкЭв / год за счет калия - 40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивным калием, необходимым для жизнедеятельности. Нуклиды свинца - 210, полония - 210 концентрируются в рыбе и моллюсках. Поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, получают относительно высокие дозы внутреннего облучения.

Жители северных районов, питающиеся мясом оленя, тоже подвергаются более высокому облучению, потому что лишайник, который употребляют олени в пищу зимой, концентрирует в себе значительные количества радиоактивных изотопов полония и свинца.

Недавно ученые установили, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является радиоактивный газ радон - это невидимый, не имеющий ни вкуса, ни запаха газ, который в 7,5 раз тяжелее воздуха. В природе радон встречается в двух основных видах: радон - 222 и радон - 220. Основная часть радиации исходит не от самого радона, а от дочерних продуктов распада, поэтому значительную часть дозы облучения человек получает от радионуклидов радона, попадающих в организм вместе с вдыхаемым воздухом.

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, поэтому максимальную часть облучения от него человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении нижних этажей зданий, куда газ просачивается через фундамент и пол. Концентрация его в закрытых помещениях обычно в 8 раз выше, чем на улице, а на верхних этажах ниже, чем на первом. Дерево, кирпич, бетон выделяют небольшое количество газа, а вот гранит и железо - значительно больше. Очень радиоактивны глиноземы. Относительно высокой радиоактивностью обладают некоторые отходы промышленности, используемые в строительстве, например, кирпич из красной глины (отходы производства алюминия), доменный шлак (в черной металлургии), зольная пыль (образуется при сжигании угля).

За последние десятилетия человек усиленно занимался проблемами ядерной физики. Он создал сотни искусственных радионуклидов, научился использовать возможности атома в самых различных отраслях - в медицине, при производстве электро- и тепловой энергии, изготовлении светящихся циферблатов часов, множества приборов, при поиске полезных ископаемых и в военном деле. Все это, естественно, приводит к дополнительному облучению людей. В большинстве случаев дозы невелики, но иногда техногенные источники оказываются во много тысяч раз интенсивнее, чем естественные.

3. ПРИЁМНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Для обнаружения, измерения и преобразования ионизирующего излучения применяются следующие приборы и преобразователи.

1. Счётчик Гейгера. Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью.

При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

2. Пропорциональный счетчик. Пропорциональный счетчик имеет такую же конструкцию, как и счётчик Гейгера. Однако за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси в пропорциональном счетчике при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в 103 - 106 раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц.

3. Ионизационная камера. Так же как в счетчике Гейгера и пропорциональном счетчике в ионизационной камере используется газовая смесь. Однако по сравнению с пропорциональным счетчиком напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит. В зависимости от требований эксперимента для измерения энергии частиц используется либо только электронная компонента токового импульса, либо электронная и ионная.

4. Полупроводниковый детектор. Устройство полупроводникового детектора, которые обычно изготовляются из кремния или германия, аналогично устройству ионизационной камеры. Роль газа в полупроводниковом детекторе играет определенным образом созданная чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием приложенного к напыленным на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию об количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. И, если частица полностью потеряла энергию в чувствительной области, проинтегрировав токовый импульс получают информацию об энергии частицы. Полупроводниковые детекторы обладают высоким энергетическим разрешением.

Число пар ионов n в полупроводниковом счётчике определяется формулой

n = E / W,

где E - кинетическая энергия частицы,

W - энергия, необходимая для образования одной пары ионов.

Для германия и кремния W ~ 3 - 4 эВ и равна энергии необходимой для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Малая величина W определяет высокое разрешение полупроводниковых детекторов, по сравнению с другими детекторами, в которых энергия первичной частицы тратится на ионизацию (Еион >> W).

5. Камера Вильсона. Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа

6. Пузырьковая камера. Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и поэтому пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

7. Ядерные эмульсии. Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.

8. Искровая камера. Искровая камера состоит нескольких плоских искровых промежутков, объединённых в одном объёме. После прохождения заряженной частицы через искровую камеру на её электроды подаётся короткий высоковольтный импульс напряжения. В результате вдоль трека образуется видимый искровой канал. Искровая камера, помещённая в магнитное поле, позволяет не только детектировать направление движения частицы, но и по искривлению траектории определять тип частицы и её импульс. Размеры электродов искровых камер могут доходить до нескольких метров.

9. Стриммерная камера. Это аналог искровой камеры, с большим межэлектродным расстоянием ~0.5 м. Длительность высоковольтного разряда подаваемого на искровые промежутки составляет ~10-8 с. Поэтому образуется не искровой пробой, а отдельные короткие светящиеся световые каналы - стриммеры. В стриммерной камере можно регистрировать одновременно несколько заряженных частиц.

10. Пропорциональная камера. Пропорциональная камера обычно имеет плоскую или цилиндрическую форму и в каком-то смысле является аналогом многоэлектродного пропорционального счетчика. Высоковольтные проволочные электроды отстоят друг от друга на расстоянии нескольких мм. Заряженные частицы, проходя через систему электродов, создают на проволочках импульс тока длительностью ~10-7 с. Регистрируя эти импульсы с отдельных проволочек можно с точностью до нескольких микрон восстановить траекторию частиц. Разрешающее время пропорциональной камеры составляет несколько микросекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры ~5-10%.

11. Дрейфовая камера. Это аналог пропорциональной камеры, позволяющий с ещё большей точностью восстановить траекторию частиц. Искровая, стриммерная, пропорциональная и дрейфовая камеры обладая многими преимуществами пузырьковых камер, позволяют запускать их от интересующего события, используя их на совпадения со сцинтиляционными детекторами.

12. Сцинтилляционный детектор. Сцинтилляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтиллировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтилляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, например, NaI, BGO, так и пластиковые и жидкие. Кристаллические сцинтилляторы в основном используются для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения, пластиковые и жидкие - для регистрации нейтронов и временных измерений. Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

13. Калориметры. Калориметры представляют собой чередующиеся слои вещества, в котором тормозятся частицы высоких энергий (обычно это слои железа и свинца) и детекторы, в качестве которых используют искровые и пропорциональные камеры или слои сцинтилляторов. Ионизирующая частица высокой энергии (E > 1010 эВ), проходя через калориметр, создаёт большое число вторичных частиц, которые, взаимодействуя с веществом калориметра, в свою очередь создают вторичные частицы - образуют ливень частиц в направлении движения первичной частицы. Измеряя ионизацию в искровых или пропорциональных камерах или световой выход сцинтилляторов, можно определить энергию и тип частицы.

4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Принцип действия большинства приборов ионизирующего излучения основан на поглощении этого излучения исследуемым веществом.

Примеры применения приборов ионизирующего излучения:

- измерение толщины

1 - источник ионизирующего излучения;

2 - приёмник излучения;

3 - исследуемое вещество.

Uвых = f(h).

- дефектоскопия. Качество сварных швов контролируется с помощью рентгеновского излучения;

- измерение уровня жидких и сыпучих продуктов в герметичных сосудах;

- определение структуры горных пород с помощью нейтронного и г-каротажа.

5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Радиоэлектронная аппаратура, находящаяся в зоне действия ионизирующих излучений, может существенно изменять свои параметры и выходить из строя. Эти повреждения происходят в результате изменения физических и химических свойств радиотехнических (полупроводниковых, изоляционных, металлических и др.) материалов, параметров приборов и элементов электронной техники, изделий электротехники и радиоэлектронных схемных устройств.

Способности изделий выполнять свои функции и сохранять характеристики и параметры в пределах установленных норм во время и после воздействия ионизирующих излучений называют радиационной стойкостью.

Степень радиационных повреждений в облучаемой системе зависит как от количества энергии, передаваемой при облучении, так и от скорости передачи этой энергии. Количество поглощённой энергии и скорость передачи её в свою очередь зависят от вида и параметров излучения и ядерно-физических характеристик веществ, из которых изготовлен облучаемый объект.

6. ДЕФЕКТЫ, ОБРАЗУЮЩИЕСЯ В МАТЕРИАЛАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Все виды электронного и корпускулярного излучений, проходя через вещество, взаимодействуют либо с ядрами атомов, либо с орбитальными электронами, приводя к изменению свойств облучаемого вещества.

Обычно различают первичную и вторичную стадии этого процесса. Первичная стадия, или прямой эффект, состоит в возбуждении электронов, в смещении атомов из узлов решётки, в возбуждении атомов и молекул и в ядерных превращениях. Вторичные процессы состоят в дальнейшем возбуждении и нарушении структуры выбитыми (смещёнными) из «своих мест» атомами, ионами и элементарными частицами в результате первичных процессов. Законы, которым они подчиняются, такие же, как законы, управляющие первичными стадиями процесса. Таким образом, частицы или кванты высокой энергии могут вызвать каскадный процесс с образованием большого числа смещённых атомов, вакансий, ионизированных атомов, электронов и т.д.

Современная интерпретация изменений свойств веществ, возникающих в результате взаимодействия ионизирующих излучений, основывается на рассмотрении процесса образования различных дефектов в материале.

Радиационные изменения в материалах бывают следующих типов:

- Вакансии (вакантные узлы)

- Атомы примесей (примесные атомы)

- Столкновения при замещениях

- Термические (тепловые) пики

- Пики смещения

- Ионизационные эффекты

7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Область применения ионизирующих излучений очень широка:

- в промышленности - это гигантские реакторы для атомных электростанций, для опреснения морской и засолённой воды, для получения трансурановых элементов; также их используют в активационном анализе для быстрого определения примесей в сплавах, металла в руде, качества угля и т.п.; для автоматизации различных процессов, как то: измерение уровня жидкости, плотности и влажности среды, толщины слоя;

- на транспорте - это мощные реакторы для надводных и подводных кораблей;

- в сельском хозяйстве - это установки для массового облучения овощей с целью предохранения их от плесени, мяса - от порчи; выведение новых сортов путём генетических мутаций;

- в геологии - это нейтронный каротаж для поисков нефти, активационный анализ для поисков и сортировки металлических руд, для определения массовой доли примесей в естественных алмазах;

- в медицине - это изучение производственных отравлений методом меченых атомов, диагностика заболевания при помощи активационного анализа, метода меченых атомов и радиографии, лечение опухолей г-лучами и в-частицами, стерилизация фармацевтических препаратов, одежды, медицинских инструментов и оборудования г-излучением и т.д.

Применение ионизирующих излучений имеет место даже в таких сферах деятельности человека, где это, на первый взгляд, кажется совершенно неожиданным. Например, в археологии. Кроме того, ионизирующие излучения используются в криминалистике (восстановление фотографий и обработка материалов).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов В.И. Дозиметрия ионизирующих излучений, Атомиздат, 1964.

2. Исследования в области измерений ионизирующих излучений. Под редакцией М.Ф. Юдина, Ленинград, 1985.

3. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

4. Пригожин И.,Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

5. Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант. М., 1994.

6. Кременчугская М., Васильева С., Химия - М: Слово, 1995. - 479 с.

7. Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа,1990. - 446 с.

8. Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Атомиздат, 1971.

9. Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. М., Просвещение, 1977.

Размещено на Allbest.ru