Источники ионизирующих излучений

Для получения ионизирующих излучений используются главным образом ускорители электронов (реже других заряженных частиц), радиоактивные источники и ядерные реакторы.

Ускорители. Принцип работы ускорителей электронов основан на воздействии на электрон силами электрического и магнитного полей. Общим для всех ускорителей электронов является наличие источника электронов (чаще всего используется термоэлектрическая эмиссия электронов из нагреваемого катода), наличие ускоряющего электрического поля и создание в рабочей зоне ускорителя вакуума, обеспечивающего беспрепятственное движение ускоряемых электронов.

По характеру ускоряющего электрического поля различают высоковольтные, индукционные и резонансные ускорители. В первом случае ускоряющее электрическое поле обусловлено большой разностью потенциалов между электродами ускоряющего промежутка и действует в течение интервала времени, значительно превышающего время пролета электроном всего пути ускорения. В ускорителях индукционного типа ускорение электронов осуществляется с помощью возбуждаемого магнитным полем вихревого электрического поля. При резонансном ускорении движение электронов происходит синхронно с переменным ускоряющим полем (например бегущим).

В высоковольтных ускорителях траектория электронов является преимущественно прямолинейной (линейный ускоритель). В ускорителях других типов для многократного воздействия на электрон одной и той же ускоряющей системы обеспечивается их циклическое движение, но круговым орбитам (циклические ускорители). Такая траектория достигается за счет воздействия на движущийся электрон поперечного относительно направления движения магнитного поля.

В результате воздействия на электроны электрическим полем на выходе ускорителя формируется непрерывный либо импульсный поток ускоренных моноэнергетических электронов (Р-частиц). Непосредственно p-излучение ввиду относительно малой проникающей способности не имеет для измерительных преобразований широкого применения. Наибольшее использование оно получило для последующего возбуждения рентгеновского и у-излучения. Для этого на пути электронного пучка размещается пластина (мишень) из материала высокой прочности и с высоким атомным номером (обычно используется вольфрам).

При взаимодействии ускоренного электрона с мишенью происходит преобразование кинетической энергии электрона в энергию фотонного излучения. При этом возможны два варианта взаимодействий. При непосредственном взаимодействии электрона с ядром атома мишени он тормозится ядром, которое вследствие большой массы нс испытывает ощутимого возмущения. В результате вся кинетическая энергия электрона трансформируется в фотон излучения. Возникающее фотонное излучение называется тормозным и характеризуется непрерывным спектром.

Во втором варианте взаимодействия ускоренного электрона с атомом мишени за счет кинетической энергии электрона происходит возбуждение электронной оболочки атома. При этом электрон оболочки атома либо покидает атом, либо переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома является неустойчивым. Возвращение атома в устойчивое состояние сопровождается испусканием одного или нескольких фотонов, энергия которых определяется разницей энергетических уровней, занимаемых электроном в неустойчивом и устойчивом состояниях электронной оболочки атома. Возникающее при этом фотонное излучение называется характеристическим и имеет дискретный спектр.

На рис. 10.6 для иллюстрации принципа получения фотонного рентгеновского излучения показана рентгеновская трубка, являющаяся основным элементом рентгеновского аппарата (пример высоковольтного линейного ускорителя).

Рис. 10.6. Принцип действия рентгеновского аппарата:

• 1 — баллон с вакуумом; 2 — нагреваемый катод; 3 — анод с мишенью;
• 4 -рентгеновское излучение

Радиоактивные источники. Ядра атомов, содержащие избыточное число протонов или нейтронов, нестабильны. Они самопроизвольно превращаются в другие, более стабильные ядра, и называются радионуклидами или радиоизотопами. Поэтому другим названием радиоактивного источника является радионуклидный. Радиоактивные нуклиды дополнительно помечаются звездочкой: ^Л_Х . Превращение радионуклида сопровождается испусканием частиц, характеризующих данное ядерное превращение. Именно эти потоки частиц, которые испускает радионуклид, образуют ядерное излучение, используемое, в том числе, для измерительных преобразований.

Самопроизвольное превращение радионуклида можно выразить с помощью уравнения:

Это ядерное превращение описывается следующей временной зависимостью:

где n (t) и по — число нуклидов ^АХ' в момент времени t и начальный момент времени, соответственно; s — постоянная распада (с¹).

Характеристикой активности радиоактивного источника является период полураспада Т, представляющий собой интервал времени, необходимый для того, чтобы половина начального количества радиоизотопа претерпела ядерный переход:

Значение Т для различных радиоизотопов находится в интервале от 10″ ⁶ с до 10⁹ лет. Для измерительных преобразований наиболее широкое применение имеют радионуклиды с периодом полураспада от десятков суток до нескольких лет.

До применения искусственно созданных радиоактивных источников для измерительных преобразований в основном использовался радий. В настоящее время используются главным образом полученные искусственным путем радиоизотопы ⁶⁰Со, ^l37Cs, ^l92Ir, ^|70Тш и другие. Существует три основных способа получения искусственных радиоизотопов: при помощи нейтронной активации путем облучения в ядерном реакторе, разделением продуктов ядерпого деления, бомбардировкой заряженными частицами на ускорителях.