Взаимодействие излучений с веществом и основы дозиметрии

Общие проблемы

В радиоэкологии мы имеем дело с загрязнением окружающей среды, радионуклидами, которые в химическом отношении ведут себя, как правило, так же, как и стабильные изотопы данного элемента. Их концентрации вне промышленных площадок и отчужденных территорий настолько малы, что сами атомы не оказывают никакого измеримого токсического воздействия^[1], хотя, находясь в заметных количествах, атомы данного элемента могли бы оказаться токсикантами.

Даже для плутония его химическая токсичность меньше его радиотоксичности. Если в организм может попасть некоторое количество ²³⁹Ри, то концентрации плутония, при которых необходимо принимать меры по защите от его радиотоксичности, в десятки и сотни раз меньше тех, при которых начинает сказываться дополнительный механизм воздействия — «обычный» химический токсикоз.

Мизерные количества разных радиоактивных веществ имеют то общее, что они спонтанно испускают ионизирующие излучения разного типа. Химические свойства радионуклидов оказываются существенными только тогда, когда возникают проблемы их миграции или накопления. Происходит формальное объединение радионуклидов просто на том основании, что они испускают излучения, воздействующие подобным образом на биоту.

В настоящей главе мы ознакомимся с механизмом воздействия излучений на вещество. Все они появляются на время (10^-8—10~¹²) с, ионизуя и возбуждая атомы и молекулы вещества (рис. 3.1). Ионы затем быстро рекомбинируют, и через время ~1СН⁰ с свободных ионов и электронов почти не остается. Можно сказать, что в этот период происходит быстрый локальный разогрев вещества в той области, где произошла ионизация, и затем быстрое рассеяние теплоты.

Только опираясь на знание механизмов взаимодействия излучения каждого типа с веществом, можно правильно оценить роль радионуклидов как экологического фактора, измерить или рассчитать дозу ионизирующих излучений, полученную животным или растением, рационально использовать ионизирующие излучения или строить защиту от них. В одних случаях это может быть защита персонала от облучения, в других случаях — получение желаемых радиационных эффектов, например стерилизации, в третьих — оптимизация работ ядерных энергетических установок и т. д. Все это необходимо, конечно, и просто для идентификации радионуклидов с целью мониторинга.

Рис. 3.1. Схематическое представление акта ионизации молекулы воды.

быстрым электроном Начальный этап воздействия — физический. Как и в случае явления радиоактивности, самым важным, фундаментальным свойством взаимодействия ионизирующих излучений с веществом является его стохастический (случайный) характер. Иными словами, произойдет в данной точке взаимодействие излучения с веществом или нет, мы можем сказать только с некоторой вероятностью. Более того, если взаимодействие в данном месте произошло, то переданная там энергия также есть величина случайная, характеризующаяся своими законами распределения и средними значениями.

Случайный характер взаимодействия излучений с веществом позволяет рассмотреть с самых общих позиций прохождение частицы (кванта) через вещество. При прохождении некоторого пути dx частица может с вероятностью dp_s испытать рассеяние (т. е. изменится ее направление движения и уменьшится энергия); с вероятностью dp_c — поглотиться (частица данного типа исчезнет); с вероятностью dpj-— размножиться (возникнет нескольких частиц, может быть и того же типа) или не провзаимодействовать с веществом. Процессы случайные, поэтому вероятность dp, того, что произойдет г-е взаимодействие частицы с веществом, пропорциональна пройденному частицей пути:

В однородной среде коэффициенты пропорциональности р, зависят от энергии и типа частицы. Они не зависят от пройденного пути и направления движения. Коэффициенты ц, называются линейными коэффициентами ослабления излучения. Они определяют вероятности соответствующих процессов на единицу длины пути частицы. Полный линейный коэффициент ослабления ц равен:

Пусть р (х) — вероятность того, что частица (квант) пройдет в веществе, не взаимодействуя с ним, путь длиной х. По аналогии с уже рассмотренным нами радиоактивным распадом (см. выражение (2.5)) и с учетом начального условия р (0) = 1 мы имеем:

где X = 1/ц — средняя длина свободного пробега. Поток 1(х) частиц, двигающихся в данном направлении с определенной энергией, проходя путь х, убывает пропорционально р (х):

Таким образом, мы получили закон экспоненциального ослабления интенсивности потока коллимированного излучения^[2] с фиксированной начальной энергией.

Практическое применение соотношения (3.1) в радиационной экологии довольно ограничено. Оно нашло употребление только при расчетах прохождения через тонкие слои вещества достаточно хорошо коллимированных потоков у-квантов. Только в этом случае практически любое однократное взаимодействие «убирает» фотон из первоначального потока.

Постепенно выработались два различных подхода к рассмотрению взаимодействия излучений с веществом: микроскопический и макроскопический. Первый призван найти все виды актов взаимодействия частиц (квантов) со средой и дать описание происходящих при этом процессов, включая и вероятности каждого их них. В экологии этот подход необходим при изучении на молекулярном уровне биологических эффектов, индуцированных радиацией. Кроме того, он используется в ядерной физике и химии. Знание элементарных актов взаимодействия необходимо для того, чтобы понять различные макроскопические эффекты.

Задачей макроскопического подхода (теории прохождения или переноса) является вычисление средних показаний детекторов, находящихся в радиационных полях. Это нужно для различных прикладных исследований, например: для решения задач дозиметрии ионизирующих излучений, для создания защиты от излучений и т. д.

При расчете внешнего облучения от радионуклидов, находящихся вокруг нас, или при решении таких задач, как защита персонала от работающих реакторов, говорить о какой-либо коллимации вообще нельзя. Поэтому в 1940;е гг. для разнообразных расчетов, связанных с прохождением гамма-квантов и нейтронов, была развита теория переноса. Затем для расчетов начал находить применение метод Монте-Карло.

Возможны разные классификации ионизирующих излучений. Согласно современной терминологии, ионизирующими излучениями¹, создающими радиационные поля^[3][4], являются потоки частиц или квантов (фотонов). В радиоэкологии интерес представляют потоки, состоящие из: заряженных частиц (электроны, позитроны, протоны, дейтроны, а-частицы, осколки деления и т. д.), у-излучения, рентгеновского излучения, нейтронов и мезонов.

Излучения оказывается удобным разделять на непосредственно ионизирующие излучения и косвенно ионизирующие излучения. Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, например а-частиц, протонов, электронов, позитронов, положительно или отрицательно заряженных мезонов. Косвенно ионизирующими излучениями являются: нейтроны, у-кванты и рентгеновское излучение, которые сами по себе не могут производить с заметной вероятностью ионизацию и возбуждение среды и, следовательно, не могут в ней прямо терять свою энергию^[5].

Коль скоро нас интересуют воздействия излучений на флору и фауну, то ионизация и возбуждение атомов и молекул на первом этапе представляют интерес в той мере, в которой эти процессы приводят к молекулярным или клеточным изменениям в биологических тканях. Что же касается рассеяния энергии — нагревания, то оно не играет в радиоэкологии существенной роли.

• [1] Это, несомненно, верно во всех тех случаях, когда радиационное воздействие данных радионуклидов на человека значимо.
• [2] Коллимированное излучение — излучение, распространяющееся в строго определенном направлении.
• [3] В дальнейшем вместо термина «ионизирующие излучения» мы будем писать просто «излучения», а другие излучения нас интересовать не будут.
• [4] Под радиационными полями или полями ионизирующих излучений мы будемпонимать области пространства, каждой точке которых соответствуют физическиевеличины, являющиеся характеристиками этих полей, — плотность ионизационногоэффекта и поток ионизирующих излучений.
• [5] Нейтрино характеризуются очень слабым взаимодействием с веществом, поэтомув дальнейшем мы будем считать, что они беспрепятственно уходят в космическое пространство и уносят туда ту долю энергии распада, которой они обладают. Даже проходясквозь всю Землю, поток нейтрино почти не ослабляется!