Виды радиоактивного излучения. 
Взаимодействие излучения с веществом. 
Защита от альфа-, бета-, гамма-излучения

Ознакомившись с отдельными видами радиоактивного распада и их количественными характеристиками, перейдем к рассмотрению основных свойств ионизирующих излучений.

Прежде чем переходить к описанию различных видов излучения, необходимо оговорить, в каких единицах измеряется энергия излучения. В стандартной системе единиц СИ единицей измерения энергии является джоуль (Дж). Джоуль — это работа силы один Ньютон (1 Н) при перемещении тела на расстояние 1 м в направлении действия силы. Ньютон — единица измерения силы, 1 Н равен силе, придающей телу массой 1 кг ускорение 1 м/с² в направлении ее действия. Килограмм — единица измерения массы. Эта единица постулируется (так же как единицы измерения длины и времени). В СИ за основные единицы приняты метр, секунда, килограмм. Это определение переносится и в область атомной науки и техники, что не особенно удобно. В области традиционной техники СИ адекватна рассматриваемым задачам. В области реакторной физики задачи по своему содержанию и формулировке далеки от задач, возникающих в традиционной технике и базирующихся главным образом на понятиях механики. Это относится прежде всего к выбору единиц энергии. Единица измерения энергии в ядерной физике возникла как единица измерения для перемещения единичного электрического заряда (в первую очередь заряда электрона) в электромагнитном поле. В области ядерной физики удобной оказалась единица энергии, соответствующая той энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Естественно, что подобная единица энергии называется электрон-вольт. Это внесистемная единица (внесистемными называются все единицы измерения, отличающиеся от единиц, употребляемых в СИ). Соотношение между электрон-вольтом (эВ) и прочими единицами следующее. Удобнее это соотношение написать для мегаэлектрон-вольта — миллиона электрон-вольт:

1 МэВ= 10⁶ эВ= 1,6.10- ⁶эрг= 1,6 10- ¹³ Дж =- 4,45 1- ²⁰ кВт ч, Перейдем к перечислению видов излучения, играющих роль в физике реакторов. Все эти виды излучения объединяются в общее понятие «ионизирующее излучение».

Гамма-излучение. Под гамма-излучением (обозначается как г-излучение) понимается электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях. Это электоромагнитные колебания очень большой частоты, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Эти излучения испускаются ядром в виде отдельных порций, называемых г — квантами или фотонами.

Гамма — излучение условно подразделяют на мягкое излучение с энергией менее 1 МэВ и жесткое излучение с энергией более 1 МэВ.

В табл. 1 приведены основные виды излучения в зависимости от энергии фотонов (или длины волны). В соответствии с законами квантовой механики для фотона (как для частицы без массы) длина волны обратно пропорциональна энергии. Если же частица имеет массу, то ее длина волны обратно пропорциональна массе и корню квадратному из энергии. Для нейтрона.

л= =0,287/Е ^½, где [Е]=эВ, а [л] = 10 — ⁸см.

В ядерном реакторе имеется большое число г-квантов, обусловленных переходом ядер из возбужденных состояний в основное. Возбуждение ядер в реакторе происходит главным образом за счет захвата ими нейтронов (в значительно меньшей степени за счет захвата высокоэнергетичных гквантов). Возникающие при внутриядерных переходах гкванты имеют большую энергию (порядка нескольких мегаэлектрон-вольт) и поэтому ухудшают радиологическую обстановку.

Помимо «жестких» (т. е. обладающих большой энергией) гквантов, возникающих при внутриядерных переходах, в ядерном реакторе жесткие гкванты образуются непосредственно в процессе деления ядер (правда, на это уходит незначительная доля общей энергии, выделяющейся при делении, — всего лишь около 4%).

Бета-излучение. Под бета — излучением (обозначается как в-излучение) понимается испускание электрона е- (или позитрона е⁺) при превращении в ядре нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно. Эти превращения происходят по схеме.

n> p + е — + э; p>n + е⁺ + х где п — нейтрон; р — протон; э — антинейтрино; х — нейтрино. Вообще говоря, нейтрон тяжелее протона, поэтому, казалось бы, первая реакция разрешена (и всегда будет происходить!), а вторая запрещена. Но это не так, ибо речь идет о распадах нейтрона и протона в ядрах (причем в конечном состоянии также образуется ядро) и необходимо учитывать энергию связи начальных и конечных ядер. Именно за счет связи в ядре нейтроны и не распадаются, иначе не осталось бы вообще вещества в виде ядер, содержащих нейтроны.

Энергия связи нуклонов (нуклонами называются протоны и нейтроны) в ядре порядка нескольких мегаэлектрон-вольт. Разница масс нейтрона и протона также порядка мегаэлектрон-вольта [массы нейтрона и протона, измеренные в атомных единицах массы (а. е. м.), 1,898 и 1,758 соответственно; 1а.е. м., определяемая как 1/12 массы изотопа ¹²С, равна 931,1 МэВ; при получении последнего равенства используется связь между массой и энергией (соотношение Эйнштейна):

Е=Мс² ,.

где.

с — скорость света в вакууме, равная 2,9979?10¹⁰ см/с].

Так как в приведенных выше реакциях распада нейтрона и протона в конечном состоянии присутствует либо антинейтрино, либо нейтрино, т. е. имеются три частицы, то образующиеся электроны (и соответственно позитроны) не монохроматичны.

Электроны за счет электромагнитного взаимодействия сильно поглощаются веществом, так что при минимальном слое защиты они не представляют опасности для человека. Однако если имеется интенсивный неэкранируемый пучок электронов, то его попадание на человеческое тело может привести к неприятностям: поражению кожи или даже к потере зрения.

Альфа-излучение. Под альфа — излучением (обозначается как б-излучение) понимаются б-частицы, т. е. ядра ⁴Не, испускаемые при ядерных превращениях. б-Частицы имеют заряд +2 и поэтому испытывают сильное электромагнитное взаимодействие с веществом. Небольшой слой защиты позволяет существенно ослабить излучение. Иначе обстоит дело, когда источники б-излучения расположены в воздухе (а тем более в дыхательных путях человека) и нет никаких защищающих экранов: тогда б-частицы могут принести большой вред.

Перечисленные виды излучения определяют в основном радиоактивность, возникающую в ядерных реакторах. Правда, имеется еще нейтринное излучение (как это следует из реакций, схемы которых приводились выше). Но это излучение представляет лишь очень большой научный интерес (проектируются даже специальные ядерные реакторы, основным назначением которых является получение потоков нейтрино высоких плотностей) и совершенно безопасно для живых организмов.

Нейтронное излучение. Нейтроны образуются в ядерном реакторе в процессе деления ядер. Энергия нейтронов деления лежит в области нескольких мегаэлектронвольт (центр распределения по энергиям соответствует Ео?2 МэВ). Вследствие замедления нейтронов в обычных энергетических реакторах спектр нейтронов простирается от нуля до нескольких мегаэлектрон-вольт. Взаимодействие нейтронов с веществом обусловлено сильным взаимодействием (сильное взаимодействие — специфичное для нуклонов взаимодействие, в частности, приводящее к образованию атомных ядер; оно примерно в 100 раз интенсивнее, чем электромагнитное; но сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях, порядка размера ядра, т. е. 10-¹³ см: если частицы сближаются на такие расстояния, то они сильно взаимодействуют). Электромагнитным взаимодействием нейтроныне обладают, так как они нейтральны, а взаимодействие, обусловленное наличием у нейтрона магнитного момента, мало и представляет лишь большой экспериментально-научный, а не практический интерес.

В ядерных реакторах плотности потока нейтронов велики, и поэтому необходима защита от нейтронов. Но специфично то, что нейтроны в реакторе существуют лишь в момент протекания цепной реакции, в «заглушенном» реакторе, т. е. реакторе на нулевой мощности, плотность потока нейтронов практически равна нулю.

Взаимодействие излучения с веществом определяется взаимодействием с атомами (их ядрами и электронами), составляющими вещество. Конечно, специфика взаимодействия зависит от вида излучения и вида атомов. Но есть одно общее свойство, не зависящее от сортов сталкивающих частиц, — любое взаимодействие можно охарактеризовать некоторой квантово-механической величиной, называемой сечением реакции. Квантово-механический характер сечения проявляется в том, что сечение определяет лишь вероятность того или иного вида соударения. Если речь идет об одной-единственной налетающей частице, то предсказать ее поведение принципиально невозможно. Понятие вероятности имеет смысл только для большого (очень большого) числа актов взаимодействия. Но именно такое большое число актов взаимодействия и имеется при описании поведения нейтронов в реакторе или выходящих через защиту реактора различных частиц. Как же реально используется понятие сечения? Это далеко не праздный вопрос, ибо его решение лежит в основе технического проектирования ядерных реакторов.

Пусть имеется огромное количество частиц некоторого сорта, поведение которых мы изучаем. Для упрощения картины предположим, что все эти частицы имеют одинаковую энергию. Распределение этих частиц в пространстве и времени характеризуется величиной, называемой плотностью потока данных частиц (электронов, протонов, нейтронов, г-квантов и т. п.). Плотность потока есть число частиц, проходящих через единичную площадку в единицу времени. В физике ядерных реакторов обычно в качестве единицы измерения длины выбирают сантиметр (см), а в качестве единицы измерения времени — секунду ©. Тогда единицей измерения плотности потока будет см-²-с-¹.

Обозначим сечение реакции х. Сечение характеризует свойства атомов (или ядер) среды относительно взаимодействия с частицами. Измеряется сечение в физике-реакторов в специальных единицах, называемых барнами (б):

1 б = 10 —²⁴см²=10 —²⁸ м².

Если в единице объема (точнее, при выбранных нами единицах измерения — в 1 см³) имеется п атомов (ядер) среды, то число взаимодействий в нем в единицу времени есть произведение хФп. Если на тонкий слой вещества толщиной Дx падает поток частиц, то плотность потока частиц Ф, выходящих из слоя, будет несколько меньшей: некоторое количество частиц ДФ = ФnДx провзаимодействует с атомами (ядрами вещества). Устремляя Дx>0 получаем элементарное дифференциальное уравнение для определения плотности потока частиц на глубине x:

= — Ф х n,.

решение которого есть Ф (x) = Ф (0) ехр (—х n x),.

где Ф (0) —плотность потока падающих на слой частиц.

В действительности при расчете спектра нейтронов в реакторе или расчете прохождения различных частиц через защиту реактора дело не сводится, конечно, к решению такого простого дифференциального уравнения, которое приведено выше. Но логика рассуждения остается прежней, а именно: использование законов сохранения (в рассмотренном нами случае это было утверждение: выходит из слоя столько частиц, сколько в него вошло, кроме тех, которые провзаимодействовали) и описание элементарных актов при помощи сечений. При этом приходится вводить более конкретные сечения, например сечения, характеризующие процесс взаимодействия, при котором одновременно теряется определенная энергия, налетающая частица после взаимодействия летит в определенном направлении и т. п. Кроме того, приходится учитывать появление частиц меньших энергий, взаимодействие их в свою очередь с веществом и т. д. Поэтому расчет спектра нейтронов и прохождения частиц через защиту — задачи весьма трудоемкие.

Способы передачи энергии веществу различны. И прежде чем перечислять особенности сечений для различных излучений, отметим следующие моменты.

Все виды взаимодействия излучения с веществом по характеру протекания можно разделить на упругие и неупругие. Упругое взаимодействие (рассеяние) характеризуется сохранением суммарной кинетической энергии частиц. В отдельном акте взаимодействия веществу может быть передана не любая энергия. Если частица первоначально имела энергию Е, то в конце она может иметь энергию Е', лежащую в пределах еЕ? Е'?Е. Значение е определяется законами классической механики и оказывается равным.

е = (М—m)²/(М + m)²,.

где М и m — массы сталкивающихся частиц.

Неупругие процессы характеризуются переходом (полным или частичным) кинетической энергии движущейся частицы в другие формы, например в энергию возбуждения атома или ядра, в энергию излучения и т. п.

Взаимодействие аи в-излучений с веществом. Основными процессами взаимодействия заряженных частиц сравнительно малых энергий (?20МэВ) с веществом являются упругое и неупругое рассеяния, тормозное излучение. Упругое рассеяние происходит в результате электромагнитного взаимодействия заряженных частиц с кулоновским полем ядра. При этом изменяется направление движения частицы, а ее энергия практически остается такой же, как и до взаимодействия.

Неупругое рассеяние происходит при взаимодействии заряженной частицы с электронами атома. При этом часть энергии частицы передается электрону, который в результате либо переходит в более высокое энергетическое состояние, либо вылетает за пределы атома. В первом случае говорят о возбуждении, во втором — об ионизации атома. Одновременно с уменьшением энергии налетающая частица изменяет направление первоначального движения. Электроны, выбитые из атомов среды, способны производить вторичную ионизацию атомов. Другой неупругий электромагнитный процесс — тормозное (радиационное) излучение — возникает при торможении заряженной частицы в электрическом поле атомного ядра.

Важнейшие физические характеристики заряженных частиц — удельная потеря энергии (количество энергии, теряемой частицей на единице пути) и пробег. Удельная потеря энергии на ионизацию не зависит от массы частицы, пропорциональна квадрату ее заряда и концентрации электронов в среде и обратно пропорциональна квадрату скорости частицы. Обычно процессы ионизации играют доминирующую роль в потерях энергии заряженными частицами. Так, для электронов с энергией 1 МэВ потери энергии из-за упругого взаимодействия меньше ионизационных потерь примерно в 20 раз, а в случае б-частиц вклад упругого рассеяния в замедление вообще не заметен. Радиационные потери энергии существенны только для быстрых электронов, если их энергия превышает несколько мегаэлектрон-вольт. Для остальных частиц радиационные потери не важны: они обратно пропорциональны квадрату массы частицы.

В таблице 2 приведены пробеги би в-частиц в воздухе и биологической ткани. Как видно из таблицы, пробеги, особенно б-частиц, очень малы. Слой воздуха толщиной 10 см, тонкая фольга, резиновые перчатки, одежда полностью экранируют ос-частицы.

Хотя пробег в-частиц значительно больше, чем б-частиц, защита от в-излучения не вызывает проблем. Несколько миллиметров алюминия или стекла обычно полностью экранируют поток в-частиц. Однако для высокоактивных источников в-частиц с энергией, превышающей 1 МэВ, приходится учитывать, что часть энергии уносится высокоэнергетическими г-квантами, возникающими при торможении в-частиц и обладающими большой проникающей способностью.

Взаимодействие г-излучения с веществом. В области энергии г-квантов от 20 кэВ до 10 МэВ, к которой относятся г-кванты реакторных источников излучений и встречающихся в природе радионуклидов, основными процессами взаимодействия с веществом являются фотоэффект, комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование электронно-позитронных пар.

Остановимся крайне бегло на физике перечисленных процессов. При фотоэффекте падающий г-квант поглощается, передает всю свою энергию одному из атомных электронов, в результате чего последний покидает атом. Сечение фотоэффекта для различных сред лежит в пределах от 100 до 10 000 б (барнов) и пропорционально Z⁵/Е_г^7/2, где Z, — заряд ядра атома поглощающей среды; Е_г — энергия г-кванта. Поэтому фотоэффект играет особо существенную роль лишь в случаеквантов небольших энергий и тяжелых веществ, т. е. материалов с большим Z.

В отличие от фотоэффекта комптоновское рассеяние не приводит к полному поглощению г-кванта. Этот процесс состоит в следующем: г-квант в результате упругого взаимодействия передает часть энергии электрону и при этом рассеивается, а электрон начинает двигаться. Комптоновское рассеяние преобладает над другими процессами взаимодействия г-квантов в довольно широком диапазоне энергий: от 0,5 до 5 МэВ в свинце; от 1 до 10 МэВ в железе, и от 0,02 до 23 МэВ в воздухе.

Образование электронно-позитронных пар происходит в электромагнитном поле ядра или атомного электрона. При этом г-квант рождает пару электрон — позитрон, которой и передает всю свою энергию (по законам сохранения распасться на электрон — позитрон в отсутствие дополнительного тела г-квант не может). Для того чтобы рождение пары произошло, энергия г-квантов должна превышать 1,02 МэВ.

Таким образом, в результате всех процессов замедления и захвата г-квантов происходит ионизация вещества. Это крайне важный момент: если речь идет о ткани человеческого тела, то ионизация и обусловливает вредное биологическое воздействие излучения на живой организм.

В таблице 3 приводятся значения линейного коэффициента ослабления г-излучения для железа, бетона и свинца. В ядерной энергетике железо (в виде стали тех или иных марок) применяется для баков реакторов; из бетона делается защита; свинец же, как тяжелый элемент, может специально применяться в качестве защиты от г-квантов.

Обращает на себя внимание следующее. Во-первых, только для свинца в рассматриваемом диапазоне энергий наблюдается увеличение коэффициента линейного ослабления г-излучения с ростом энергии, обусловленное процессами рождения пар. Во-вторых, свинец существенно сильнее поглощает г-кванты, чем железо или бетон. Дополнительно к данным табл. 3 полезно иметь в виду следующие цифры: интенсивность потока г-квантов с энергией, равной 2 МэВ, падает в 10 раз при прохождении 47 см воды, или 22 см бетона, или 6,9 см железа, или 4,5 см свинца.

Коэффициент ослабления характеризует суммарную вероятность взаимодействия с веществом, приводящего как к поглощению, так и к рассеянию г-квантов. Для характеристики степени поглощения г-квантов используют другую величину — коэффициент истинного поглощения (или просто коэффициент поглощения) энергии. Коэффициент поглощения м_п отражает факт частичной передачи энергии г-квантов среде при комптоновском рассеянии и численно равен коэффициенту ослабления минус коэффициент рассеяния при комптоновском взаимодействии. Линейные коэффициенты поглощения г-излучения в свинце приведены в последнем столбце табл. 3. Сравнение показывает, что в результате рассеяния г-излучения коэффициенты поглощения примерно на 40% меньше соответствующих коэффициентов ослабления. Это обстоятельство указывает на крайне важную роль многократного рассеяния г-излучения в поглощающей среде.

В результате многократного рассеяния изменение плотности потока г-квантов (или создаваемой ими дозы) при прохождении поглощающего слоя толщиной x уже не может быть описано простым уравнением типа (6). Вклад рассеянного излучения обычно учитывают введением в закон ослабления сомножителя В — фактора накопления г-излучения:

Ф (x) = ВФ (0) ехр (— мx).).

Ясно, что фактор накопления больше единицы или равен ей, когда рассеянием можно пренебречь. Фактор накопления зависит от многих переменных: регистрируемого эффекта (что именно измеряется или рассчитывается — плотность потока, доза или другие характеристики излучения), энергии г-квантов, атомного номера и толщины материала защиты, геометрии и компоновки защиты и т. д. Значения факторов накопления измеряют экспериментально или специально рассчитывают. Чтобы дать количественное представление о факторах накопления, отметим, что при энергии г-квантов 2,5 МэВ для слоя воды толщиной 50 см дозовый фактор накопления примерно равен 2,5, а для слоя толщиной 1 м достигает 4,5. При энергии г-квантов в 10 раз меньших (Е = 0,25 МэВ) и толщине слоя воды 50 см дозовый фактор весьма велик и равен примерно 50. Таким образом, слой воды толщиной 50 см уменьшает дозу не в 500 раз, как это следует из выражения (6) [если учитывать только не рассеянное излучение, то ехр (—мx) =500], а примерно в 10 раз. Другими словами, рассчитывая защиту, обязательно нужно учитывать многократное рассеяние.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Взаимодействие нейтронов с ядрами вещества составляет, пожалуй, один из самых важных классов взаимодействия в ядерной физике. Объясняется это просто: благодаря взаимодействию нейтронов с ядрами урана ядерный реактор работает.

Нейтроны не имеют электрического заряда, а поэтому не взаимодействуют с электрическим полем. При взаимодействии с ядрами атомов нейтроны в зависимости от энергии могут вступать в различные ядерные реакции: упругое и неупругое рассеяние, деление, поглощение с последующим испусканием г-квантов или заряженных частиц и т. д. Сечения этих реакций являются сложными функциями энергии нейтронов и значительно различаются для элементов и даже для изотопов одного элемента. Иногда различие сечений для изотопов достигает очень большого значения. Так, изотопы ¹⁰В, ¹³⁵Хе, ¹⁵⁵Gd и ¹⁵⁷Gd поглощают нейтроны существенно сильнее, чем прочие изотопы соответствующих элементов.

Рассеяние нейтронов на ядрах может быть двух типов: упругое и неупругое. В первом случае нейтрон рассеивается на ядре как на нечто целом, при этом потеря энергии нейтрона определяется элементарной кинематикой, подобной той, какая имеет место при упругом рассеянии бильярдных шаров (именно на основе подобной кинематики и было получено приведенное выше значение е — относительное минимальное значение энергии частицы после рассеяния). Во втором случае часть кинетической энергии нейтрона уходит на возбуждение ядра, которое из возбужденного состояния переходит в основное, как правило, с испусканием г-кванта.

Сечение рассеяния нейтронов с низкой энергией почти для всех элементов лежит в области от 1 до 10 б. На рис. 4 на примере ядра ¹²С приведено типичное поведение сечения рассеяния для элементов с небольшой атомной массой. Хорошо просматриваются пики в сечении, называемые резонансными. Обусловлены резонансы внутренней структурой ядра — при некоторых, совершенно строго определенных энергиях нейтрона его взаимодействие с ядром оказывается существенно более вероятным.

Если при рассеянии нейтроны теряют энергию, но остаются нейтронами, то при поглощении ядрами они перестают существовать как свободные частицы. Это очень существенно для протекания цепной реакции деления в ядерном реакторе.

Но при этом нейтроны не пропадают. Согласно закону сохранения нуклонов, которыми являются протоны и нейтроны, возможен переход нейтронз-протон, но не их исчезновение. (Подчеркнем, что в этой книге мы несколько упрощаем ситуацию: строго говоря, за счет слабых взаимодействий нуклоны могут переходить в гипероны; это явление, играющее основополагающую роль в физике элементарных частиц, не имеет ни малейшего значения для физики ядерных реакторов, ибо гипероны живут ничтожно малое время — порядка 10—¹⁰ с.) В результате поглощения (радиационного захвата) нейтрона образуется ядро более тяжелого изотопа, которое, как правило, бывает неустойчивым и распадается главным образом в результате в-распада (сопровождается г-излучением; последнее обстоятельство обусловлено тем, что при в-распаде конечное ядро образуется в возбужденном состоянии). Процесс радиационного захвата нейтронов используется в технике для получения искусственных радиоактивных нуклидов.