Пробег альфа частиц испускаемых радиоизотопными источниками в мышечной ткани в среднем составляет

Тестовые задания предназначены для оценки усвоения материалов учебника. Они составлены в соответствии с квалификационными характеристиками врача по радиационной гигиене и образовательной программой дополнительного профессионального образования врача по специальности “Радиационная гигиена”, утвержденной Минздравом России. Квалификационные тесты предназначены для проведения сертификационного экзамена по радиационной гигиене.

В основу квалификационных тестов взяты материалы, разработанные сотрудниками кафедры радиационной гигиены Российской медицинской академии непрерывного образования (РМАПО) под руководством проф., докт. мед. наук С.И. Иванова.

Инструкция выполнения тестовых заданий

1) Если варианты ответов обозначены цифрами, следует выбрать несколько правильных ответов из всех предложенных, обозначив их соответствующими цифрами.

2) Если варианты ответов обозначены буквами алфавита, следует выбрать единственный правильный ответ, обозначив его соответствующей буквой.

Глава 2. Элементы радиационной физики

2.1. Закон радиоактивного распада нуклида характеризуется:

А. постоянной радиоактивного распада

Б. относительным выходом частиц и γ-квантов

В. энергией частиц и γ-квантов

Г. активностью радионуклида

2.2. При радиоактивном распаде относительный выход γ-квантов:

1. равен единице

2. менее единицы

3. равен нулю

4. больше единицы

2.3. α-распад сопровождается изменением атомного номера радионуклида:

А. увеличивается на 1

Б. уменьшается на 1

В. остается неизменным

Г. уменьшается на 2

2.4. β-распад сопровождается изменением атомного номера радионуклида:

2.5. β-распад сопровождается изменением атомного номера радионуклида:

2.6. Захват орбитального электрона сопровождается изменением атомного номера радионуклида:

2.7. Спектр возникающих при радиоактивном распаде β-частиц:

Г. спектр деления

2.8. Спектр возникающих при радиоактивном распаде α-частиц:

2.9. Спектр возникающих при радиоактивном распаде γ-квантов:

2.10. Из образца, содержащего 60Co, вылетают каждую секунду в среднем 20 гамма-квантов и 10 β-частиц. Какова активность образца?

А. 20 Бк

Б. 40 Бк

В. 30 Бк

Г. 10 Бк

2.11. В барботере с радием активностью в 100 МБк через 11 сут после его герметизации активность радона (Т1/2=3,8 сут) приблизительно составит, МБк:

2.12. Активность 99mТс (Т1/2=6 ч) через 1 сут уменьшится в:

А. 8 раз

Б. 16 раз

В. 4 раза

Г. 2 раза

2.13. Если в течение 2 сут активность радионуклида уменьшится в 8 раз, то период полураспада составляет, ч:

2.14. Пробег α-частиц в мышечной ткани в среднем составляет:

А. единицы микрон

Б. десятки микрон

В. сотни микрон

Г. около 1 мм

2.15. Единицы измерения поглощенной дозы:

2.16. Единицы измерения экспозиционной дозы:

2.17. Единицы измерения эквивалентной дозы:

2.18. Единицы измерения эффективной дозы:

Внимательно проверьте ваши ответы перед тем как нажать на кнопку “Сохранить”.

Ваши ответы будут сохранены в Портфолио. Для успешного завершения изучения Вам нужно правильно ответить не менее чем на 70% вопросов

Важнейшим свойством альфа-частиц является их большая ионизирующая способность, обусловленная главным образом наличием у них двойного положительного заряда. Двигаясь в веществе, альфа-частица срывает у атомов, мимо которых пролетает, один или несколько электронов и образует ионы. В воздухе, например, на каждом сантиметре своего пробега альфа-частица ионизирует до 30 000 атомов и образует, следовательно, такое же количество пар ионов.

Растрачивая энергию на ионизацию атомов, альфа-частицы пробегают сравнительно небольшой путь, после чего, присоединяя к себе по два электрона, они превращаются в обычные атомы гелия. Пробег альфа-частиц в воздухе имеет величину 1–16 см.

Пробег альфа-частицы зависит от ее скорости (энергии). Чем больше скорость, тем больше энергия частицы и тем, следовательно, длиннее будет пробег. В подтверждение сказанного ниже приводятся величины пробега альфа-частиц в воздухе при температуре 15° Ц и нормальном давлении для разных скоростей (соответственно разных энергий).

Все альфа-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают приблизительно одинаковой энергией и вследствие этого имеют практически равную длину пробега.

Пробег альфа-частиц зависит также и от плотности среды, в которой они движутся. В твердых веществах, например, в металлах, бумаге, ткани, стекле и т. п., в которых атомы расположены значительно ближе друг к другу, чем в воздухе, пробег альфа-частиц во много раз короче и составляет несколько тысячных долей сантиметра. Поэтому для полного поглощения всех альфа-частиц с энергией не более 5 Мэв требуется листовой алюминий толщиной всего 0,002 см. Ткань нашей одежды полностью поглощает альфа-частицы любых скоростей.

Вторая часть радиоактивного излучения — бета-лучи — представляет собой поток сверхбыстрых электронов, вылетающих из ядер радиоактивных веществ со скоростями, близкими к скорости света, которая для пустоты равна 300 000 км/сек. Бета-лучи — наиболее распространенное излучение при искусственной радиоактивности.

Ионизирующее действие бета-частиц слабее, чем у альфа-частиц, примерно в 100 раз. Поэтому пробег у них значительно длиннее, как это видно из нижеследующей таблицы, в которой приведен пробег бета-частиц в воздухе при 15° Ц и нормальном давлении, в воде и свинце для разных скоростей соответственно разным энергиям.

Как видим, наиболее быстрые бета-частицы пробегают в воздухе до 2000 см, то есть до 20 м, в воде — до 2,6 см, в свинце — до 0,3 см. Таким образом, проникающая способность у бета-лучей гораздо больше, чем у альфа-лучей.

Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают в отличие от альфа-частиц различными скоростями, то есть различной энергией — от нуля и до некоторого максимального значения, вполне определенного для каждого вещества. Например, у радиоактивного кобальта 60 (то есть кобальта с атомным весом 60) максимальная энергия бета-частиц составляет около 0,3 Мэв, у стронция 89 равна 1,5 Мэв. Вследствие этого бета-частицы любого вещества имеют различные пробеги. Поэтому ослабление пучка бета-частиц при прохождении через вещество происходит постепенно, как это показывает кривая поглощения рис. 5. Толщина слоя вещества, в котором пучок бета-частиц полностью поглощается, как раз равна их максимальному пробегу.

Любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрически заряженных частиц, называется ионизирующим. Излучения отличаются по проникающей и ионизирующей способности. Ионизирующая способность излучения обусловлена ионизацией атомов и молекул в результате взаимодействия частиц со средой. Проникающая способность – это проникновение ионизирующих излучений в массу вещества на некоторую глубину.

Ионизирующее излучение – излучение, которое образуется при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков. Ионизирующее излучение не воспринимается органами чувств: мы его не видим и не слышим, не ощущаем воздействия на наши тела. Ионизирующие излучения разделяют на электромагнитное и корпускулярное.

К электромагнитным (фотонным) относят рентгеновское и гамма-излучения, которые представляют собой поток электромагнитной энергии с разной (преимущественно короткой) длиной волны. Солнце является природным источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение поглощается земной атмосферой; если бы этого не происходило, то оно губительно действовало бы на все живое на Земле.

Корпускулярное ионизирующее излучение – поток элементарных частиц, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, либо генерируемых на ускорителях. К нему относятся: бета-частицы (электроны и позитроны), нейтроны, протоны и альфа-частицы (ядра атома гелия).

К ионизирующим относятся также космические излучения, которые приходят на Землю из космического пространства.

Воздействие ионизирующих излучений на вещества называется облучением.

За единицу энергии радиоактивных излучений принят электронвольт (эВ). Электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, проходя в электрическом поле разность потенциалов, равную одному вольту.

Альфа- и бета-частицы, гамма-кванты при распространении в разных средах взаимодействуют с атомами и молекулами вещества, могут передавать последним часть своей энергии и менять направление движения. Атомы и молекулы, получившие избыток энергии, в процессе столкновения переходят в возбужденное состояние. При этом может происходить ионизация атомов или молекул (отрыв электронов), а молекулы могут и диссоциировать на ионы. Для ионизации большинства химических веществ, которые входят в состав биологических объектов, необходима энергия порядка 10 эВ.

Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема, массы среды или на единице длины пути. Энергия, необходимая на образование одной пары ионов, называется потенциалом ионизации данного вещества, или средней энергией ионообразования. Например, потенциал ионизации воздуха составляет в среднем 34 эВ. Если энергия излучения, которая передается атому или молекуле, меньше, чем потенциал ионизации вещества, то происходит возбуждение атома без образования ионов.

Число пар ионов, которые образованы в среде гамма-квантом или частицей на единице длины своего пути, называется линейной плотностью ионизации. При каждом акте взаимодействия частица теряет часть своей энергии и затормаживается, ее скорость уменьшается до того момента, пока не станет равной скорости теплового движения.

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробег –путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия.

Альфа-излучение – это поток частиц, являющихся ядрами атома гелия (

He) и обладающими двумя единицами заряда. Масса альфа-частицы ma = 6,64´10–27 кг и заряд qa = 3,204´10–19 Кл. Радиоактивное превращение атомного ядра, сопровождающееся вылетом из него альфа-частиц, называется альфа-распадом.

Альфа-распад может быть выражен следующим соотношением:

Зарядовое число Z распадающегося ядра

при альфа-распаде уменьшается на две единицы, массовое число A – на четыре единицы. Примером альфа-распада может служить радиоактивное превращение

Основными источниками альфа-излучения являются естественные радиоактивные изотопы, многие из которых испускают при распаде альфа-частицы с энергией в пределах от 2 до 8,8 МэВ. При этом все ядра одних радионуклидов испускают альфа-частицы, обладающие одной и той же энергией. Это моноэнергетические излучатели, например

U (4,5 МэВ),

Po (6,78 МэВ). Ядра других элементов испускают альфа-частицы различных энергий, так, например, при распаде

U примерно 10 % альфа-частиц имеют энергию 4,58 МэВ, 86% – 4,40 МэВ и 4% – 4,18 МэВ. Энергия гамма-квантов, испускаемых дочерними (возбужденными) ядрами после альфа-распада, обычно не превышает 0,5 МэВ.

Альфа-частицы обладают наиболее высокой ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация – линейная плотность ионизации (ЛПИ) – изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. На образование одной пары ионов требуется около 34 эВ. Длина пробега этих частиц в воздухе при нормальных условиях – от 2,5 до 8,6 см; в биологических средах – не превышает 70 мкм.

Длина пробега частиц зависит от энергии. Разные группы альфа-частиц, даже испускаемые одним и тем же радиоактивным ядром, могут иметь различные энергии и, следовательно, различные длины пробега. Скорости движения альфа-частиц в воздухе в зависимости от энергии находятся в интервале от 14 000 до 22 500 км/с.

Длина пробега R a (см) в воздухе альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть вычислена по экспериментальной формуле

Пробег альфа-частиц в веществах, отличающихся от воздуха, находят по формуле Брэгга:

где E a – энергия альфа-частиц, МэВ; Аm – массовое число вещества; r – плотность вещества, г/см3.

Взаимодействие альфа-частицы с веществом проявляется во взаимном отталкивании с положительно заряженными ядрами и притяжении с отрицательно заряженными электронами атомов.

Взаимодействие с ядрами не играет существенной роли, т. к. ядер в веществе значительно меньше, чем электронов. Кинетическая энергия альфа-частиц при их прохождении через вещество затрачивается главным образом на возбуждение и ионизацию атомов среды и диссоциацию молекул.

Когда альфа-частица окончательно расходует весь свой запас кинетической энергии, то присоединяет к себе два электрона и превращается в нейтральный атом гелия.

Кожа человека задерживает полностью альфа-частицы. Для исключения ожога кожи при работе с источниками альфа-излучения используют защитные резиновые перчатки.

Альфа-частицы полностью поглощаются одеждой. Однако при попадании альфа-частиц внутрь организма (с воздухом, пищей, водой или через открытую рану) из-за сильной ионизирующей способности они становятся очень опасными и вызывают в местах контакта необратимые повреждения биологической ткани.

Известно около 300 альфа-активных радионуклидов, из них 40 являются природными. Природные альфа-излучатели: изотопы

В результате аварии на Чернобыльской АЭС были выброшены искусственные альфа-излуча­тели: изотопы плутония

Бета-частицы – поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Электрон (b–-частица) имеет массу me = 9,109´10–31 кг и отрицательный заряд e = 1,6´10–19 Кл. Позитрон (b+-частица) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Массы электрона и позитрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время (доли секунды) из-за аннигиляции с электронами.

Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется природой бета-радиоактивных ядер, при котором образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, бета-частицей и нейтрино.

Энергетический спектр бета-частиц сложный и непрерывный.

Максимальная энергия лежит в пределах от 0,018 до 13,5 МэВ. Поток бета-частиц называется бета-излучением. В результате электронного бета-распада исходное ядро превращается в новое ядро, масса которого остается прежней, а заряд увеличивается на единицу, при этом появляется частица – антинейтрино:

Позитронный бета-распад приводит к образованию ядра с прежней массой и зарядом, уменьшенным на единицу, при этом образуется нейтрино:

Нейтрино от антинейтрино отличается направлением спина по отношению к импульсу.

Электронный захват, при котором ядро притягивает к себе один из электронов, расположенных на внутренних орбитах атома (чаще K-слоя):

Место захваченного электрона сразу же заполняется электроном с более высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение. Ядро же такого атома остается неизменным по массе, превращается в новое ядро с зарядом, уменьшенным на единицу.

Часто один и тот же радионуклид подвергается одновременно нескольким типам распада. Например, K-40 претерпевает электронный распад и электронный захват (K-захват).

Таким образом, при всех видах бета-распада массовое число ядра остается без изменения, а зарядовое число изменяется на единицу.

При взаимодействии бета-частиц с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов, при этом бета-частицы передают атомам свою кинетическую энергию и рассеиваются. Потеря бета-частицей энергии при каждом акте взаимодействия с веществом сопровождается уменьшением ее скорости до тепловой скорости движения вещества. Отрицательная бета-частица при этом либо остается в виде свободного электрона, либо присоединяется к нейтральному атому или положительному иону, превращая первый в отрицательный ион, а второй – в нейтральный атом. Положительная бета-частица (позитрон) в конце своего пути, сталкиваясь с электроном, соединяется с ним и аннигилирует.

Многократные изменения направления бета-частицы при ее взаимодействии с веществом приводят к тому, что глубина проникновения ее в вещество – длина пробега – оказывается значительно меньше истиной длины пути бета-частицы в веществе, а ионизация носит объемный характер.

Средняя величина ЛПИ в воздухе зависит от энергии бета-частиц и составляет 100–300 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег в воздухе достигает нескольких метров, в биологической ткани – сантиметры, в металлах – десятки мкм. Скорость движения бета-частиц в воздухе близка к скорости света (250 000–270 000 км/с).

Для защиты от бета-излучения используются: стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером.

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение бета-частиц, соответствует максимальной длине пробега – длине пробега бета-частиц, имеющих наибольшую энергию в данном спектре, может быть определена по формуле

где R max – максимальная длина пробега (толщина слоя), см; E max – максимальная энергия бета-частиц в спектре, МэВ; r – плотность вещества, г/см3.

Потеря энергии бета-частицами и рассеяние их в веществе приводят к постепенному ослаблению потока бета-частиц, которое выражается экспоненциальной зависимостью

где N – число бета-частиц, прошедших слой вещества толщиной R в единицу времени; N 0 – начальное число бета-частиц, падающих в единицу времени на поглощающий слой; mл – линейный коэффициент поглощения, см–1; R – толщина поглощающего слоя, см.

Свободные нейтроны образуются в процессе спонтанного деления ядра, под которым понимается его расщепление, т. е. распад на два осколка, сумма масс которых примерно равна массе исходного ядра. Возникающие в процессе деления ядер нейтроны имеют энергию около 2 МэВ.

Нейтрон (n) – элементарная, электрически нейтральная частица с массой mn = 1,6748´10–27 кг. Нейтрон в свободном состоянии нестабилен, он самопроизвольно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

время жизни нейтронов составляет около 16 мин.

Около 1% нейтронов испускаются возбужденными осколками деления исходного ядра. При этом изменяется энергетическое состояние ядра-осколка с уменьшением массового числа на единицу:

Такие превращения происходят после завершения процесса деления ядра за время от долей до десятков секунд. Нейтроны, испускаемые спустя период времени порядка секунды после акта деления, называются запаздывающими. Энергия запаздывающих нейтронов – около 0,5 МэВ.

Нейтроны, взаимодействуя с веществом, либо рассеиваются, либо захватываются ядрами атомов вещества. Различаются рассеяние упругое и неупругое и радиационный захват с испусканием заряженных частиц.

Упругим называется такое рассеяние, при котором нейтрон, столкнувшись с ядром атома, передает ему часть кинетической энергии и отскакивает от ядра, изменив направление своего движения, с уменьшенной энергией. При столкновениях переданная нейтроном ядру энергия превращается в кинетическую энергию ядра, которое приходит в движение и называется ядром отдачи (рис. 10). Ядра отдачи, получившие от нейтрона достаточно большую энергию, могут оказаться выбитыми из атомов и будут взаимодействовать с веществом как заряженные частицы, производя ионизацию.

Рис. 10. Упругое столкновение нейтрона с ядром

Наибольшую энергию нейтрон теряет при взаимодействии с ядрами, равными или близкими ему по массе. Так как при этом происходит замедление нейтронов, то особенно эффективными замедлителями являются легкие элементы (водород, бериллий, графит). Вероятность упругого рассеяния растет с уменьшением энергии нейтрона и заряда ядра.

Неупругим рассеянием называется такое взаимодействие нейтрона с ядром, когда нейтрон проникает в него, выбивая из него один из нейтронов меньшей энергии и другого направления, чем первоначальный, и переводит ядро в возбужденное состояние, из которого оно очень быстро переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта (рис. 11).

Рис. 11. Неупругое столкновение нейтрона с ядром

Неупругое рассеяние характерно для взаимодействия нейтронов достаточно больших энергий с ядрами тяжелых элементов.

Явление, при котором нейтрон, проникая в ядро, образует более тяжелый изотоп взаимодействующего с ним ядра, называется захватом нейтронов.

Ядро, захватившее нейтрон, переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в основное состояние, испускает один или несколько гамма-квантов с энергией порядка мегаэлектронвольт или заряженные частицы (рис. 12).

Рис. 12. Захват нейтрона ядром

Захват нейтронов ядрами становится возможен благодаря тому, что не имея заряда и не испытывая вследствие этого отталкивающего электрического воздействия со стороны ядра, нейтрон способен приблизиться к нему на такие небольшие расстояния, на которых сказываются ядерные силы притяжения. Вероятность захвата возрастает для нейтронов малых энергий вследствие большего времени нахождения нейтрона вблизи ядра.

Основной качественной характеристикой нейтронного излучения является энергетический спектр – распределение нейтронов по энергиям. При этом различают следующие энергетические спектры нейтронов: медленные с энергией до 0,5 эВ, промежуточные – с энергией от 0,5 эВ до 200 кэВ, быстрые – с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ и сверхбыстрые – с энергией свыше 20 МэВ.

Нейтронное излучение является косвенно ионизирующим, это объясняется тем, что нейтроны практически не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и непосредственно не ионизируют атомы. Нейтроны движутся в веществе без потери энергии, пока не встретятся с ядрами.

Проникающая способность нейтронов в воздухе составляет сотни метров и сравнима с проникающей способностью гамма-излучений, или даже больше ее. В воздухе нейтрон проходит около 300 метров между двумя последовательными столкновениями, а в более плотных жидких и твердых веществах – около 1 см.

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами. Гамма-излучение наблюдается при радиоактивном распаде атомных ядер и ядерных реакциях. Испускание гамма-лучей не приводит к превращениям элементов и поэтому не считается видом радиоактивных превращений. Гамма-излучение лишь сопровождает некоторые радиоактивные превращения, в которых ядра образуются в возбужденных состояниях. Возбужденные ядра в течение 10–12 с переходят в основное состояние, испуская избыток энергии в виде гамма-кванта. Иногда ядро последовательно испускает ряд гамма-квантов, переходя каждый раз в менее возбужденное состояние, пока не станет стабильным. Это явление получило название каскадного излучения.

Гамма-кванты не обладают ни зарядом, ни массой покоя. Их испускание не приводит к образованию ядер новых элементов. Возбужденное и стабильное ядро одного элемента отличается только энергией, т. е. при гамма-переходах изменение заряда Z и массового числа А не происходит. Излучение гамма-кванта является процессом, самопроизвольно происходящим в ядрах и характеризующим свойства ядер.

Если значком * обозначить возбужденное состояние ядра, то процесс излучения гамма-кванта h n можно записать так:

где h – постоянная Планка (h = 6,626´10–34 Дж×с); n – частота электромагнитных волн.

Излученные ядром гамма-кванты характеризуются большой энергией, каждый из них может быть обнаружен и зарегистрирован приборами. При радиоактивном распаде ядер обычно наблюдаются гамма-кванты с энергией от 10 кэВ до 5 МэВ, при ядерных реакциях встречаются гамма-кванты с энергиями до 20 МэВ. В современных ускорителях получают гамма-кванты с энергией до 20 ГэВ.

Гамма-излучение ядерного взрыва образуется непосредственно в процессе деления ядер

Pu. Его источником являются также осколки деления, испускающие гамма-квант при переходе из возбужденного состояния в основное.

Среди процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом наибольшую вероятность имеют: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пары электрон-позитрон.

Процесс взаимодействия гамма-кванта с веществом, при котором гамма-квант полностью поглощается атомом вещества и выбивает из атома электрон, называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом). Фотоэффект чаще происходит при малых значениях энергии гамма-квантов и резко уменьшается с ее увеличением (рис. 13).

При энергии гамма-квантов от 0,2 до 1 МэВ наиболее вероятным становится процесс взаимодействия гамма-кванта с одним из внешних электронов. В процессе этого взаимодействия гамма-квант передает электрону часть своей энергии, которая переходит в кинетическую энергию электрона (Ее) и расходуется вторичным электроном на ионизацию атомов вещества. Соответственно уменьшается энергия гамма-кванта (Е g), при этом изменяется направление его движения. Процесс уменьшения энергии гамма-квантов и рассеяния их электронами получил название Комптон-эффекта (неупругое рассеяние) (рис. 14).

Рис. 13. Фотоэффект Рис. 14. Эффект Комптона

При взаимодействии гамма-квантов с электромагнитным полем ядра он может прекратить свое существование как гамма-квант и превратиться в две частицы: электрон и позитрон. Такой процесс взаимодействия гамма-квантов с веществом называется образованием пар электрон-позитрон. Такое взаимодействие возможно, если гамма-квант имеет энергию, равную или большую 1,02 МэВ. Это объясняется тем, что энергия покоя электрона и позитрона соответственно равна 0,51 МэВ, то на их образование расходуется 1,02 МэВ.

Вся избыточная энергия, которой обладает гамма-квант сверх 1,02 МэВ, сообщается поровну в виде кинетической энергии электрону и позитрону. Возникающие при образовании пары электрон и позитрон расходуют свою кинетическую энергию на ионизацию среды, после чего позитрон аннигилирует, соединяясь с одним из имеющихся в среде свободных электронов (рис. 15).

Рис. 15. Образование электронно-позитронной пары

В отличие от альфа- и бета-частиц, непосредственно ионизирующих атомы, гамма-кванты во всех случаях, взаимодействуя с веществом, вызывают появление в нем свободных вторичных электронов и позитронов, которые производят ионизацию.

Для гамма-излучения характерна очень низкая вероятность взаимодействия с веществом. Это означает, что фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар при прохождении гамма-излучения через вещество проходят достаточно редко. Ионизирующая способность гамма-квантов при одинаковой энергии гамма-квантов и заряженных частиц и при одинаковой взаимодействующей среде в тысячи раз меньше, чем ионизирующая способность заряженных частиц.

В воздухе линейная плотность ионизации (ЛПИ) гамма-квантов составляет 2–3 пары ионов на 1 см пути. Проникающая способность гамма-квантов в воздухе сотни метров.

Ослабление (поглощение) интенсивности гамма-излучения в веществе определяется по закону Бугера:

где I – интенсивность гамма-излучения на глубине R в веществе; I 0 – интенсивность гамма-излучения при входе в вещество; m – линейный коэффициент ослабления.

Коэффициент m состоит из коэффициента поглощения при фотоэффекте mф, коэффициента ослабления при комптон-эффекте mк и коэффициента поглощения при образовании электронно-позитронных пар mпар:

Коэффициент m зависит не только от энергии гамма-квантов, но и от плотности и среднего атомного номера вещества среды. Поэтому поглощение гамма-квантов веществом удобнее выражать через массовый коэффициент ослабления m m = m/r. Тогда получим

Пусть на слой поглотителя перпендикулярно к нему падает пучок однородных частиц с одинаковой энергией E0. Как будет выглядеть зависимость числа этих частиц N от толщины поглотителя x?

Рассматриваем пробеги альфа-частиц в воздухе.

Средний пробег Ra в воздухе при комнатной температуре и нормальном давлении для альфа-частиц, испускаемых естественным изотопом, связан с энергией Ta (в МэВ) эмпирической формулой

Ra (см) = 0.32× (Ta)3/2

Пробеги альфа-частиц (см)

Схематическое представление поведения траекторий первоначально параллельного пучка нерелятивистских частиц в веществе. а – альфа-частицы, б – электроны.

Для тяжелых заряженных частиц (практически всех частиц, кроме электронов), которые проходят слой поглотителя почти без рассеяния и поэтому имеют прямолинейную траекторию в веществе, все очень просто: частицы выбывают из пучка в основном из-за остановки в результате потерь энергии на ионизацию и возбуждение среды. А так как у них начальная энергия E0 была одинакова и средние потери энергии dE/dx тоже одинаковы, то все частицы должны были бы проходить одинаковые расстояния в веществе. В этом случае кривая поглощения должна описываться горизонтальной резко обрывающейся линией. На самом деле, вместо этой картины

наблюдается разброс величины пробегов, связанный со статистическим характером процесса ионизационных потерь. Частицы теряют свою энергию в очень большом, но конечном числе отдельных актов. Флуктуациям подвержено как число таких актов на единицу длины, так и потери энергии в каждом отдельном акте, в особенности в связи с образованием δ-электронов.

Пробеги отдельных частиц распределены около среднего пробега по закону Гаусса

– средний пробег,

Относительный разброс пробегов

называется стрэгглингом. Наличие этого разброса приводит к тому, что кривая поглощения имеет не резкий, а плавный спад, такой, как изображен на рис. (для α-частиц).

В точке Rα

На основании свойств гауссова распределения можно найти, что интенсивность пучка упадет в два раза в точке x = Rα, которая соответствует среднему пробегу частиц. Более того, в этой точке кривая имеет наибольшую крутизну.

Построив касательную с максимальным наклоном в точке x=Rα и продолжив ее до пересечения с осью абсцисс, можно найти экстраполированный пробег Re. Обычно разность Re –Rα называется параметром разброса. Величина параметра разброса для тяжелых заряженных частиц не так велика и составляет единицы или десятые доли процента от Rα. Это обстоятельство дает возможность по величине пробега с хорошей точностью определять энергию частиц.

Для электронов ситуация с пробегами иная. Понятие пробега для электронов весьма условно, потому что кроме ионизационных потерь для электронов существенную роль играют радиационные потери энергии. Кроме того, электроны испытывают в веществе многократное

рассеяние, и поэтому их путь в веществе не прямолинеен (как для тяжелых частиц). Направление их движения часто меняется, и только небольшое число электронов из пучка проходят максимальное расстояние в поглотителе в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

Кривая поглощения коллимированного пучка моноэнергетических электронов имеет другой, чем для тяжелых частиц, вид:

Кривые поглощения электронов в Al

Рис. Зависимость изменения интенсивности I первоначально моноэнергетического пучка электронов от толщины алюминиевого поглотителя для разных энергий пучка;

Rэ – экстраполированный пробег для моноэнергетических электронов.

Относительный разброс пробегов (стрэгглинг) и параметр разброса для электронов значительно больше, чем для других частиц. Для электронов в качестве средней величины пробегов, как правило, используют экстраполированный пробег, т. е. такую толщину поглотителя, при которой продолжение линейно спадающего участка зависимости интенсивности электронного пучка I (x) пересекает уровень нулевой интенсивности

Экстраполированные пробеги в г/см2 электронов с энергией E (МэВ) в алюминии можно определить по формулам:

Экстраполированный пробег электронов в веществе с зарядом Z и массовым числом А связан с пробегом в алюминии следующим образом:

Rэ (A, Z) = Rэ (Al)(Z / A)Al/(Z / A).

Для того чтобы четко определить пробег частицы, обратимся к эксперименту, представленному схематично на рис. 2-5. Здесь пучек от коллимированного источника моноэнергичных альфа-частиц регистрируется детектром после прохождения через поглотитель переменной толщины (позже мы будем это сопоставлять с поведением других типов излучения в подобных условиях). Для альфа-частиц результаты также представлены на рис. 2-5. При малых значениях толщины поглотителя, единственный эффект – это энергетические потери альфа-частиц в поглотителе по мере того, как они проходят сквозь него. Поскольку траектории в поглотителе довольно прямые, то общее количество частиц, которые достигают детектора, остается тем же самым. Уменьшение количества альфа-частиц не будет набдюдаться, пока толщина поглотителя не приблизится к длине самой короткой траектории в поглощающем веществе. Увеличение толщины в этом случае увеличивает количество остановленных альфа-частиц, и интенсивность регистрируемого пучка резко падает до нуля.

Пробег альфа-частиц в поглощающем веществе может быть определен по этой кривой несколькими способами. Средний пробег mean range определяется как толщина поглотителя, которая уменьшает количество альфа-частицы точно до половины от первоначально количества (в отсутствии поглотителя).

Пробег альфа частиц испускаемых радиоизотопными источниками в мышечной ткани в среднем составляет

Рис. 2-5 Эксперимент передачи энергии альфа-частиц. I – зарегистрированное число альфа-частиц прошедших через толщину поглотителя t, I0 – количество альфа-частиц регистрируемое в отсутствии поглотителя. Средний пробег mean range обозначен Rm, extrapolated range экстраполируемый пробег – Re.

Пробег альфа частиц испускаемых радиоизотопными источниками в мышечной ткани в среднем составляет

Рис. 2-6 График пробег-энергия для альфа-частиц в воздухе при температуре 15°C и давлении 760мм.рт.ст. (From Radiological Health Handbook, U.S. Department of Health, Education and Welfare, Washington, DC, 1970.)

Этот параметр обычно используется в таблицах с численными значениями пробега. Другой параметр, который часто встречается в литературе, это экстраполируемый пробег extrapolated range, который получают путем экстраполяции линейной области конца кривой до нуля.

Таким образом, пробеги заряженных частиц определенной энергии определяются однозначно для определенного поглотителя. Раньше эксперименты по радиационным измерениям, делались по графику на рис. 2-5, и широко использовались, чтобы определять энергию альфа-частиц косвенно, определяя толщину поглотителя, эквивалентную их среднему пробегу mean range. С возможностью исползования детекторов, которые дают выходный сигнал, непосредственно связанный с энергией альфа-частицы, такие косвенные измерения больше не являются необходимыми.

Некоторые кривые пробегов различных заряженных частиц в материалах, используемых в детекторах, приведены на рис. от 2-6 до 2-8. Само собой, у любого детектра, который должен измерять полную энергию налетающей заряженной частицы, активная толщина должна быть больше чем пробег регистрируемой частицы в материале детектора.

Пробег альфа частиц испускаемых радиоизотопными источниками в мышечной ткани в среднем составляет

Рис. 2-7 кривые пробега-энергии для различных заряженных частиц в кремнии. Почти линейное поведение логарифмического по обеим осям графика в данном диапазоне энергий соответствует эмпирическому отношению вида R = aEb, где связанный с наклоном параметр b не отличается для различных частиц. (От Skyrme.3)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *