ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ (физическая стадия)
Основная часть энергии заряженных частиц и гамма-квантов, взаимодействующих с веществом, идёт на его ионизацию и возбуждение. Под ионизацией понимают отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы. Если энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона, то происходит возбуждение, т.е. переход электрона на удалённую от ядра орбиталь. Заряженные частицы (альфа, бета) производят ионизацию непосредственно (прямо ионизирующие). Электрически нейтральное излучение (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизирует атомы среды в результате вторичных процессов (косвенно ионизирующие).
Степень ионизации зависит от свойств излучения (энергия, заряд частиц) и от структуры облучаемого объекта и характеризуется некоторыми параметрами.
Линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - число пар ионов, образованных заряженной частицей на единице длины пути в веществе.
Линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пути в веществе. За единицу измерения принимают килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм). Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.
В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на редко- и плотноионизирующие (пограничная величина 10 кэВ/мкм). Редкоионизирующие (< 10 кэВ/мкм) - бета, гамма, рентгеновское. Плотноионизирующие (> 10 кэВ/мкм) - альфа, нейтронное.
ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.
Теперь рассмотрим особенности взаимодействия с веществом различных видов излучений.
1. Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, образуя несколько десятков тысяч пар ионов на единицу пробега в веществе.По мере продвижения в веществе вначале плотность ионизации возрастает в несколько раз (с 20 000 до 80 000 пар ионов на 1 см пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает (кривая Брэгга). Эту особенность взаимодействия используют при лечении опухолей, т.к.она позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях. Траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны. Пробег в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях - 10-100 мкм. Несмотря на небольшую глубину проникновения альфа-частиц в живую ткань, их разрушительное действие весьма значительное из-за высокой ионизирующей способности.
2. Бета-частицы обладают меньшей ионизирующей способностью по сравнению с альфа-частицами, образуют несколько десятков пар ионов на 1 см пути. Кроме ионизации, за счёт торможения электронов в веществе (особенно с большим Z) возникает тормозное рентгеновское излучение. Из-за малой массы бета-частицы при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, поэтому траектория их очень извилиста. Проникающая способность бета-частиц в воздухе измеряется метрами, в биологической ткани составляет несколько сантиметров.
3. Гамма-излучение - одно из наиболее проникающих. Его проникающая способность зависит от энергии гамма-квантов и от свойств вещества.Ослабление гамма-излучения в веществе происходит за счёт различных эффектов взаимодействия: фотоэффект, эффект Комптона, образование пар электрон-позитрон.
При фотоэффекте вся энергия гамма-кванта передаётся электрону оболочки, при этом электрон вырывается из атома и производит в дальнейшем ионизацию.Место выбитого электрона займёт другой электрон с верхней оболочки, что сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения.Фотоэффект наиболее характерен при поглощении мягкого гамма-излучения (до 0,5 Мэв) тяжёлыми элементами.
При эффекте Комптона гамма-квант передаёт часть своей энергии орбитальному электрону, выбивая его, и превращается в другой квант с меньшей энергией.Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию.В дальнейшем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т.д.Этот эффект наиболее вероятен при энергии гамма-квантов 0,5-1 МэВ.
Образование пары электрон-позитрон возможно только при значительной энергии гамма-кванта (>1 МэВ).Такой квант взаимодействует с атомным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц - электрон и позитрон.Эти частицы производят в дальнейшем ионизацию.Позитрон, встречая на своём пути электрон, соединяется с ним и превращается в 2 фотона (аннигиляция).Образующиеся фотоны поглощаются средой в результате эффекта Комптона или фотоэффекта.
4. Нейтроныне имеют заряда, поэтому беспрепятственно проникают
внутрь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами. При этом возможны следующие эффекты: рассеяние (упругое и неупругое) и поглощение (радиационный захват).
При упругом рассеянии нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления. Ядро, с которым взаимодействует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизирует другие атомы и молекулы. Такой эффект наиболее характерен для быстрых нейтронов. Самый важный пример упругого рассеяния - рассеяние на ядрах водорода (протонах). При этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии, образуется протон отдачи. Поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород (вода, парафин).
При неупругом рассеянии часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое переходит в основное состояние, излучая гамма-квант.
Нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват). При этом ядро переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу). В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными (наведенная активность). этот эффект наиболее характерен для медленных нейтронов. Лучшими поглотителями являются кадмий и бор.
Дата добавления: 2016-07-22; просмотров: 2558;