Взаимодействие ионизирующего излучения со средой

Ионизирующее излучение, образующееся в процессе ядерных превращений, распространяется в веществе окружающей среды и взаимодействует с его атомами. Выяснение характера и особенностей этого взаимодействия имеет важное значение для предупреждения или снижения вредного влияния ИИ на организм человека, а также для оценки его последствий.

При взаимодействии со средой ИИ передают ей свою энергию, однако для каждого вида излучений этот процесс и его последствия, в том числе радиобиологические эффекты, имеют выраженную специфику (рис. 3).

Рис. 3. Основные виды ионизирующего излучения и их проникающая способность

Корпускулярное непосредственно ионизирующее излучение (поток положительно или отрицательно заряженных частиц) взаимодействует главным образом с электронами оболочек атомов среды и в очень малой мере — с электрическим полем ядер атомов, поскольку диаметр всего атома (с электронными оболочками) примерно в 105 раз больше, чем диаметр ядра, а различие в их объемах составляет соответственно 1015 раз. В процессе взаимодействия энергия частиц излучения постепенно расходуется в основном на ионизацию и возбуждение атомов среды и, в конечном счете, полностью передается среде. После этого частица завершает пробег и прекращает свое существование.

Длина пробега частицы, имеющая важное значение для оценки радиобиологического эффекта, зависит от ее энергии, массы и величины заряда, а также от характера облучаемой среды. С энергией частицы пробег связан прямой зависимостью, с массой и величиной заряда — обратной. Отсюда следует, что пробег α-частицы с энергией 4 МэВ будет меньше, чем α-частицы, имеющей энергию 9 МэВ, в одной и той же среде. Рассмотрим теперь в этом плане α-частицу и отрицательную β-частицу (электрон) с одинаковыми величинами энергии. Поскольку масса электрона в несколько тысяч раз меньше массы альфа-частицы, скорость электрона будет значительно больше (так, если скорость α-частиц достигает 20 тыс. км/с, то скорость полета β-частицы близка к скорости света и составляет 200-270 тыс. км/с). Чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, следовательно, больше потери энергии на единице пути пробега, а значит, и меньше пробег. Кроме того, заряд электрона по абсолютной величине вдвое меньше заряда α-частицы. Вследствие этого вероятность взаимодействия электрона с атомами среды в один и тот же момент времени и соответственно количество образуемых ионов на единице пробега будет меньше, чем у α-частицы.

Таким образом, при равенстве энергии длина пробега электрона будет значительно больше, чем у α-частицы в одной и той же среде, а плотность ионизации существенно меньше. Так, например, при энергии около 4 МэВ пробег β-частиц составляет в воздухе 17 м, в мягкой биологической ткани — 2 см; α-частиц — 2,5 см и несколько десятков (порядка 30) микрон соответственно.

Повреждающее действие излучений на биологическую ткань находится в прямой зависимости от удельной ионизации — числа пар ионов, образующихся на единице пути пробега частицы. Этот показатель связан с линейной передачей энергии (ЛПЭ) — величиной энергии, теряемой заряженной частицей на единицу длины пробега. Значения этих показателей в одной и той же среде для α-частиц существенно больше, чем для β-частиц при одинаковой начальной энергии.

Что касается характера облучаемой среды, то пробег заряженных частиц в среде будет тем меньше, чем больше в ней концентрация электронов. Более высокой концентрацией электронов обладают атомы тяжелых элементов, и это обстоятельство учитывается при выборе материалов для защиты от непосредственно ионизирующего (корпускулярного) излучения.

Линейная и объемная плотности ионизации (число пар ионов, возникающих на единицу пути пробега или в данном объеме вещества), производимой α-частицами, очень велики. Полная ионизация составляет 120-250 тыс. пар ионов при энергии 4-9 МэВ; удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Чем выше энергия частицы, то есть чем быстрее ее полет, тем меньше вызываемая ею плотность ионизации. Но по мере растрачивания энергии пробег α-частицы в веществе замедляется и к концу пробега удельная плотность производимой ею ионизации возрастает в 3-4 раза, а затем падает до нуля. Так как пробег обратно пропорционален плотности вещества поглотителя, а биологическая ткань примерно в 730 раз плотнее воздуха, то, например, пробег α-частицы ²¹⁰Ро в биологических тканях равен лишь 45 мкм, но зато удельная плотность ионизации огромна. В среднем она составляет более 3400 пар ионов на 1 мкм пути. Обладая большой массой, α-частицы при взаимодействии со встречными атомами практически не меняют своего движения, а создаваемая ими ионизация носит колонный характер, образуя плотные скопления ионов вдоль вектора пробега (так называемые «треки»). Когда α-частица окончательно израсходует весь свой запас кинетической энергии, то присоединяет к себе два свободных электрона, которые всегда есть в веществе, и превращается в нейтральный атом гелия.

Обладая относительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность. Вследствие этого они могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины хирургических перчаток и эпидермисом кожи. Однако при попадании α-излучающих нуклидов внутрь организма степень их опасности резко возрастает.

β-излучение возникает при радиоактивном распаде ядер или нестабильных частиц или при взаимодействии фотонов с веществом.

Как уже отмечалось, скорость полета β-частиц по сравнению с α-частицами значительно выше и может достигать величин, соизмеримых со скоростью света. Благодаря такой скорости и меньшему заряду проникающая способность β-частиц примерно на два порядка больше, а линейная плотность ионизации примерно в 800 раз меньше и составляет в среднем примерно 100—300 пар ионов на 1 см пути в воздухе. Свою энергию бета-частицы затрачивают не только на ионизацию, но и на рассеяние. Имея малую массу, большую скорость и отрицательный заряд, они отскакивают от орбитальных электронов встречных атомов.

При столкновении с электроном β-частица передает ему (так называемому дельта-электрону) энергию до 1000 эВ. Обладая такой энергией, дельта-электроны производят вторичную ионизацию, при которой образуется до 30-40% и более пар ионов от общего количества, создаваемого при прохождении β-частиц. Отклоняясь многократно от первоначального направления, β-частица может даже полететь в обратном направлении (обратное рассеяние). Истинная протяженность пробега β-частиц в 1,5-4,0 раза больше толщины слоя вещества, через которое они прошли. Чем меньше кинетическая энергия β-частиц и чем плотнее поглотитель, тем короче их пробег и наоборот. Общее количество пар ионов, создаваемых β-частицей при прохождении в веществе, пропорционально се начальной энергии.

Определение толщины слоя различных экранов, полностью поглощающих β-частицы различных энергий, имеет решающее значение для расчета защиты. Толщину слоя поглощения обычно выражают в единицах поверхностной плотности, то есть в граммах на квадратный сантиметр (г/см²), другими словами, указывают число граммов, находящихся в столбике данного вещества с основанием в 1 см² и с высотой, равной пробегу. Глубина проникновения 1 г/см² равносильна 1 см пробега в воде.

При расчетах широко используется такая характеристика, как слой половинного ослабления потока β-частиц представляющий собой такую толщину поглотителя, которая ослабляет интенсивность пучка β-частиц данной энергии в два раза.

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение β-частиц, соответствует максимальной длине пробега β-частиц с энергией, равной граничной энергии данного β-спектра.

β-частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой обуви, но могут вызывать поражение кожных покровов, роговицы и т. п. Поэтому даже при работе с мягкими β-излучателями руки должны быть защищены перчатками, а от жестких β-частиц (с энергией 1,5 МэВ и выше) следует защищаться экранами из органического стекла.

Корпускулярное косвенно ионизирующее излучение (поток нейтронов) взаимодействует ввиду отсутствия заряда только с ядрами облучаемой среды при непосредственном контакте с ними. Результатом взаимодействия, сопровождающегося передачей энергии среде и ослаблением нейтронного потока, является образование непосредственно и косвенно ионизирующего излучения с уменьшенными по сравнению с исходными величинами энергии. Полного поглощения нейтронов (в отличие от заряженных частиц) в среде не происходит, нейтронный поток ослабляется по экспоненциальному закону.

Основными типами взаимодействия нейтронов с облучаемой средой являются упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват и реакции деления ядер.

Упругое рассеяние заключается в том, что нейтрон, обладающий определенным запасом энергии, при столкновении с ядром атома передает ему часть энергии, а сам изменяет направление своего движения. Суммарная энергия нейтрона и ядра до и после взаимодействия не изменяется, причем, чем больше масса неподвижного ядра по сравнению с массой движущегося нейтрона, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении. При равных массах сталкивающихся объектов (например, с ядром водорода) движущееся тело (в данном случае нейтрон) будет терять в среднем половину своей энергии. Ядро атома, получившее дополнительную энергию («ядро отдачи»), покидает свои электронные оболочки и, обладая положительным зарядом, производит ионизацию. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона последовательно уменьшается и достигает значения, равного примерно 0,025 эВ, что соответствует энергии теплового движения атомов и молекул среды. В связи с этим такие нейтроны называются тепловыми. В последующем происходит реакция радиационного захвата — поглощение теплового нейтрона ядром одного из атомов среды с выделением избытка энергии в виде гамма-излучения и образованием изотопа исходного нуклида, как правило, радиоактивного.

Неупругое рассеяние происходит путем поглощения нейтрона ядром, но с последующей ядерной реакцией того или иного типа с выделением α-частицы или протона и образованием ядра нового нуклида. После поглощения нейтрона ядром возможна также реакция с выделением нейтрона меньшей энергии, γ-излучения и образованием ядра исходного нуклида.

Вероятность того или иного типа взаимодействия зависит от энергии нейтронов и характера ядер атомов облучаемой среды. По уровню энергии нейтроны условно могут быть разделены на:

- медленные: холодные, тепловые и надтепловые (с энергией от 0,025 до нескольких эВ);

- резонансные (до 500 эВ);

- промежуточные (0,5 эВ - 0,5 МэВ);

- быстрые (быстрые, очень быстрые и сверхбыстрые) с энергией от 0,5 до 300 МэВ и более.

Разной энергии соответствует и разная скорость полета, которая у медленных (тепловых) нейтронов составляет около 2200 м/с, тогда как скорость нейтронов с энергией в 1 МэВ достигает 14 000 км/с.

Для нейтронов с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ доминирующим является упругое рассеяние, эффективность которого в отношении потери энергии нейтронами находится в обратной зависимости от массы ядер атомов облучаемой среды. Так, при каждом акте упругого рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет в среднем 50% энергии, на ядрах углерода (более тяжелого нуклида) — от 14 до 17 %.

Для того чтобы быстрый нейтрон с энергией в 1 МэВ стал тепловым (медленным) с Еn- 0,025 эВ, необходимо, чтобы в течение 10^-6 с произошло его столкновение с 25 ядрами водорода, 100 ядрами углерода или с 2100 ядрами урана. В связи с этим в качестве замедлителей быстрых нейтронов используют материалы, содержащие преимущественно легкие элементы (водород, бор, углерод и другие). Чаще всего в качестве таких материалов применяют воду, пластмассы, парафин.

Для нейтронов с энергией 0,5 эВ-200,0 кэВ наиболее характерно неупругое рассеяние, происходящее, как правило, на ядрах атомов элементов середины и конца Периодической системы Д. И. Менделеева.

Тепловые нейтроны с энергией до 0,5 эВ подвергаются главным образом радиационному захвату, причем ядра атомов ряда химических элементов отличаются избирательно высокой способностью поглощать тепловые нейтроны (бор, бериллий, кадмий, европий и некоторые другие), что используется в построении биологической защиты и системах управления ядерным реактором.

Фотонное ионизирующее излучение (γ-, рентгеновское), проходя через среду, взаимодействует преимущественно с электронными оболочками. В незначительной мере имеет место также взаимодействие с электрическим полем и нуклонами ядер. В результате этих процессов энергия фотонного излучения убывает по экспоненциальному закону, преобразуясь в кинетическую энергию электронов, которые и производят ионизацию в облучаемой среде.

Энергия γ-квантов различных гамма-излучателей колеблется от 0,01 (мягкие у-лучи) до 3 МэВ (жесткие) и редко достигает величины 5-6 МэВ. Как уже отмечалось, у-источники практически не бывают моноэнергетическими. Однако «набор» различных величин энергии для каждого источника постоянен и образует дискретный спектр излучения.

Так как γ-излучение равномерно и прямолинейно распространяется во все стороны, то акты первичной ионизации встречных атомов реализуются в случае столкновения кванта с одним из орбитальных электронов и поэтому возможны значительно реже, чем, например, при облучении β-частицами. Электрон, выбитый квантом при ионизации, в свою очередь уже ионизирует другие встречные атомы, и такая вторичная ионизация по частоте значительно превосходит первичную. В зависимости от атомного номера облучаемого вещества и от величины энергии γ-квантов их взаимодействие с атомами вещества происходит по-разному.

Мягкое γ-излучение с энергией до 0,05 МэВ преимущественно вызывает фотоэффект, излучение с энергией от 0,05 до 1 МэВ — комптоновский эффект, а жесткое (более 1,02 МэВ) — образование пар электрон-позитрон.

Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение) заключается в полном поглощении энергии γ-кванта каким-либо орбитальным электроном (чаще всего электроном К-слоя). Часть энергии кванта при этом затрачивается на преодоление энергии связи электрона с ядром, а остаток ее сообщается выбиваемому электрону («электрон отдачи»), который покидает оболочку атома и на своем пути ионизирует атомы и молекулы вещества. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон L-слоя, причем разность энергии высвечивается квантом рентгеновского излучения. На L-слой перескакивает электрон М-слоя и т. д. Вероятность фотоэффекта возрастает с увеличением атомного номера элемента. С увеличением же энергии фотонного излучения вероятность фотоэффекта быстро падает.

Комптоновский эффект (комптоновское или некогеррентное рассеяние) возникает тогда, когда γ-квант выбивает с внешней оболочки атома орбитальный электрон, передавая ему часть своей энергии, а сам продолжает движение в несколько ином направлении (рассеивается под некоторым углом). После нескольких актов комптоновского рассеяния при уменьшении энергии кванта до 0,05 МэВ происходит его фотоэлектрическое поглощение. Выбитые с орбит электроны производят вторичную ионизацию других атомов.

Вероятность рассеяния возрастает пропорционально концентрации электронов в веществе, которая постоянна у легких (за исключением водорода) и средних элементов и несколько снижается у тяжелых.

Образование пар (электрон-позитронных) происходит при пролете γ-кванта вблизи ядра атома. Под воздействием электрического поля ядра он превращается в пару частиц: электрон и позитрон. Последний, встретившись с любым свободным или орбитальным электроном, немедленно с ним аннигилирует, «уничтожается» с образованием двух γ-квантов меньших энергий, которые в дальнейшем претерпевают комптоновское превращение или фотоэлектрическое поглощение.

Образование пар может происходить только в том случае, когда энергия фотона больше суммы энергий, взаимосвязанных с массой покоя электрона и позитрона, равных по 0,511 МэВ, то есть при энергии фотона больше 1,02 МэВ. Вероятность образования пар растет с увеличением энергии фотона и атомного номера элемента - поглотителя.

Вероятность попадания γ-кванта в орбитальный электрон атома поглотителя невелика, и, следовательно, плотность первичной и вторичной ионизации, вызываемой γ-квантами, очень мала. По сравнению с плотностью ионизации, производимой β-частицами, она меньше примерно на два порядка, а α-частицами — на четыре порядка. Поскольку уменьшение энергии γ-излучения в веществе на единицу пути относительно невелико, то оно обладает сильной проникающей способностью.

Ослабление γ-излучения тем сильнее, чем меньше энергия квантов и больше объем, плотность и порядковый номер поглотителя и, следовательно, количество орбитальных электронов. Поэтому при выборе материалов для защиты учитывают, что ослабление γ-излучения наиболее эффективно происходит в веществах, содержащих тяжелые элементы, поскольку они имеют большое количество электронов на оболочках. Эффективность различных защитных материалов оценивают через слой половинного ослабления γ-излучения, который, в частности, для γ-квантов с энергией 2,5 МэВ в воздухе составляет 200 м, в свинце — 1,8 см, в бетоне — 10 см, а в дереве — 25 см.