19. ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

19. ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Источники ионизирующего излучения могут быть либо естественными, либо искусственными. Естественные источники существуют со времен формирования Земли. Искусственные источники излучения были произведены только в прошлом столетии, и сейчас вносят значительный вклад в дозы, получаемые людьми во время медицинского, профессионального облучения и облучения населения.

5.1      Естественные источники ионизирующего излучения

Каждый из нас подвергается облучению от излучения, возникшего в окружающей среде. Естественное фоновое излучение имеет три основных источника:

  • Космическое излучение, которое приходит из-за пределов Земли
  • Земное излучение, которое приходит из горной породы Земли.
  • Радиоактивность в еде и питье.

Это отображено на рис. 7.

Рис. 7

Облучение естественным излучением

5.1.1       Космическое излучение

Космическое излучение состоит из частиц и электромагнитного излучения. Наша атмосфера защищает нас от большого влияния космического излучения. Однако, если мы живем на высоте нескольких сот метров над уровнем моря или совершаем много полетов, то наше облучение космическим излучением увеличивается. Космическое излучение может взаимодействовать со стабильными нуклидами в атмосфере и образовывать такие нуклиды как C-14, Be-7 и H-3.

Естественные радионуклиды, образованные под действием космических лучей, называются космогенными. Вы могли слышать, что С-14 используется для определения возраста определенных органических материалов. Углерод-14 поступает в живую материю вместе со стабильным углеродом в отношении, в котором он содержится в природе. Возраст органического материала может быть определен посредством измерения соотношения углерода-14 к стабильному углероду и используя то, что период полураспада С-14 равен 5568 лет.

5.1.2       Земное излучение

Земное излучение приходит из естественно возникающих радионуклидов в земной коре. Эти радионуклиды называются радионуклидами земного происхождения и имеют период полураспада порядка миллиарда лет. Они существуют со времен образования Земли. Основные нуклиды этой категории это уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40. Первые три радионуклида имеют цепочки распадов, которые связываются с ними и называются радиоактивным рядом урана, актиния и тория соответственно. Радионуклиды урана и тория имеют более большие периоды полураспада, чем их дочерние нуклиды, и можно предположить, все вторичные радионуклиды находятся в вековом равновесии с материнским радионуклидом. Это предположение только имеет силу при условии, что материнский или дочерний радионуклиды не удаляются из первоначального материала некоторым химическим или физическим процессом.

Главная часть облучения от земного излучения вызвана радоном (радон-222) и в меньшей степени, тороном (радон -220). Радон и торон являются газами, которые формируют часть цепочек распада урана и тория. Поскольку они являются газами, то они могут просачиваться из того места, где они образованы в горной породе или в строительных материалах наших домов, и затем мы их вдыхаем наряду с их короткоживущими дочерними нуклидами. Вдыхание радона и дочерних нуклидов единственный самый большой источник облучения в мире.

5.1.3       Радиоактивность в пище и еде

Облучение, которое мы получаем от радиоактивности в нашем продовольствии питье, происходит главным образом благодаря калию-40. Всякий раз, когда мы едим или пьем, мы вносим естественно встречающийся калий-40 в наши тела, где он накапливается в ткани тела, в частности в мышцах. Большинство из нас имеют несколько килоБеккерелей калия-40 в наших телах.

5.2       Искусственные источники ионизирующего излучения

Наряду с естественным облучением, мы также облучаемся ионизирующим излучением, испускаемым искусственными источниками. Это такие источники как источники рентгеновского излучения, искусственные радионуклиды и источники нейтронов.

5.2.1       Источники рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение может испускаться, как последствия некоторых видов радиоактивного распада в веществе, но более часто производится искусственно в источниках рентгеновского излучения. В основе рентгеновских генераторов лежит явление, известного как тормозное излучение, иначе bremsstrahlung, которое является немецким словом для тормозного излучения). Тормозное рентгеновское излучение испускается, когда высокоскоростные заряженные частицы (обычно электроны) быстро замедляются ударяясь в мишень с большим атомным номером. Этот процесс происходит в рентгеновской трубке. Основные элементы современной рентгеновской трубки показываются на Рисунке 8.

Рисунок 8

Типичная рентгеновская трубка

В рентгеновской трубке, показанной выше, электроны испускаются нагреваемой металлической нитью. Электроны ускоряются интенсивным электрическим полем, создаваемым высоким напряжением, приложенным между анодом и катодом. Фокусирующая чашка фокусирует электроны на цель, которая обычно сделана металла типа вольфрама. Электроны быстро тормозятся и испускают рентгеновское излучение в широком диапазоне. В некоторых случаях, очень высоко энергичные электроны могут испускать электроны с внутренних оболочек бомбардируемых атомов. Когда это случается, испускается характеристическое рентгеновское излучение, имеющее дискретный спектр.

Рентгеновские генераторы широко распространенны как в промышленности и так и в медицине, и будут обсуждаться более подробно в модулях Части 4.

5.2.2       Ионизирующее излучение, создаваемое искусственными радионуклидами

Искусственные радионуклиды могут быть искусственно созданы в ряде процессов:

  • Деления
  • Активация нейтронами и
  • Ионная бомбардировка.

Используя эти методы, можно создать широкий диапазон радионуклидов, которые являются либо редкие, либо не найденны в природе. Эти изотопы широко используются на практике, в медицинских и промышленных процессах. Однако, они также могут создавать нежелательные радионуклиды типа продуктов активации в структуре ядерного реактора.

5.2.2.1       Деление

Деление – это процесс, который происходит в ядерных реакторах и в котором тяжелое ядро разделяется на меньшие ядра. Результаты деления часто радиоактивны. Иод-131 является продуктом деления и может использоваться в лечении рака щитовидной железы. Другой продукт деления, молибден-99 используется, чтобы делать генераторы, которые производят медицинский радиоизотоп технеций-99m. Продукты деления отображаются на диаграмме  нуклидов маленьким черным треугольником в правом углу ячейки нуклида.

Деление является также процессом, который происходит в атомных бомбах. Если продукты деления испускаются в окружающую среду в результате испытания атомного оружия, или благодаря аварии на атомной электростанции они могут быть опасны. Наиболее важные изотопы, выпущенные таким образом – радиойод и цезий-137.

5.2.2.2       Активация нейтронами

Активация нейтронами включает в себя поглощение ядром нейтрона из нейтронного источника, чтобы создать более тяжелое ядро. Самый обычный нейтронный источник – ядерный реактор, в котором нейтроны испускаются как часть реакции деления. Этот процесс может использоваться, чтобы произвести кобальт-60, активируя атомы стабильного кобальта-59. Это может также быть проблемой, когда стальные материалы, содержащие железо, кобальт, цинк, и хром формируют часть структуры реактора. Эти материалы станут радиоактивными, поглощая нейтроны и, следовательно, будут вторичными источниками радиации.

5.2.2.3       Ионная бомбардировка

Ионная бомбардировка заключается в том, что заряженные частицы с высокими энергиями соударяются с материалом мишени. Эти частицы поглощаются мишенью, и она становится радиоактивной. Источниками ионных пучков являются циклотроны и линейные ускорители. Испускающие позитрон изотопы типа фтора-18 и кислорода-15 могут быть созданы таким путем для медицинского использования.

5.2.3       Ионизирующее излучение, испускаемое источниками нейтронов

Как было уже упомянуто в Разделе 2.2.6, при известных условиях нейтроны могут испускаться из ядра атома, но испускание нейтронов обычно не связывают с радиоактивным распадом (хотя имеются несколько продуктов деления с очень короткими периодами полураспада, которые испускают нейтроны). Самый большой источник нейтронов – это ядерный реактор, в котором нейтроны создаются в результате расщепления тяжелых нуклидов таких как уран или плутоний. Калифорний-252 является радионуклидом, который обычно претерпевает альфа распад, но иногда подвергается расщеплению и испускает нейтроны.

Все другие источники нейтронов являются результатом ядерных реакций, вызванных заряженной частицей с высокой энергией, ударяющей мишень. Это происходит в ускорителях, и также в герметизированных источниках нейтронов подобно тем, что используются промышленных масштабах. В герметизированном источнике, альфа-излучатель такой как порошкообразный америций-241 смешан с порошкообразным бериллием. Высоко энергичные альфа-частицы бомбардируют ядро бериллия, в результате чего производятся нейтроны.

Основные понятия

  • Некоторые вещества подвергаются спонтанному изменению своей структуры. Такие вещества известны как радиоактивные.
  • Радиоактивный распад определяется как изменения, имеющие место в ядре.
  • Ионизирующее излучение – это любая частица или электромагнитное излучение, которые имеют энергию, достаточную для выбивания электронов из атомов, молекул или ионов.
  • Энергия ионизирующего излучения измеряется в электронвольтах (эВ), где 1 эВ равен 1.6 x 10-19 Дж.
  • Ионизирующее излучение включает альфа-частицы, бета-частицы, гамма кванты, позитроны, рентгеновское излучение и нейтроны.
  • Альфа-частицы (обозначение a) состоят из двух протонов и двух нейтронов. Они имеют массу примерно 4 а.е.м. и заряд + 2e.
  • Бета-частицы (обозначение b-) представляют собой электроны, которые испускаются ядром атома. Они имеют массу 1/1820 а.е.м. и заряд -1e.
  • Гамма кванты (обозначение g) являются электромагнитным излучением испускаемое ядром атома. Они не обладают массой и зарядом
  • Позитроны (symbol b+) происходят из протона, который превращается в нейтрон и положительный электрон. Они имеют массу 1/1820 а.е.м. и заряд +1e.
  • Рентгеновское излучение (обозначение X) испускается, когда атомный электрон изменяет свою орбиту. Оно не обладает массой и зарядом.
  • Нейтроны (обозначение n) являются частицами, находящимися в ядрах атомов Они имеют массу 1 а.е.м. и электрически нейтральны.
  • Радионуклиды могут распадаться с испусканием альфа-частицы, бета-частицы, гамма квантов (включая внутреннюю конверсию), позитрона, через внутреннюю конверсию, захват электрона и очень редко с испусканием нейтрона.
  • Таблица  нуклидов может использоваться как пособие для определения формы распада каждого радионуклида.
  • Альфа-частицы испускаются из ядра со строго определенной энергией, характерной для конкретного радионуклида, испускающего ее.
  • Альфа распад сдвигает радионуклид по диагонали вниз и налево на две ячейки.
  • Бета-частица испускается ядром с широким распределением энергии, максимум которой зависит от конкретного радионуклида.
  • Бета-распад сдвигает радионуклид по диагонали вверх на одну ячейку влево на диаграмме  нуклидов.
  • Гамма-кванты испускаются в результате высвобождения избытка энергии ядром радионуклида. Они испускаются с строго определенной энергией, обычно вслед за альфа или бета распадом.
  • Гамма-кванты испускаются вслед за альфа- или бета-распадом и, так как не испускается частиц, при излучении гамма-квантов не происходит никаких сдвигов на диаграмме нуклидов.
  • Порой гамма кванты излучаются не сразу, а через некоторый промежуток времени, в течение которого ядро остается в возбужденном состоянии. В этом случае нуклид называют метастабильным и обозначают символом m. Метастабильные нуклиды отображены на диаграмме  нуклидов.
  • Когда ядро метастабильного радионуклида теряет свою энергию посредством гамма излучения, говорят, что оно совершает изомерный переход.
  • Изомерные переходы обозначаются на диаграмме  нуклидов как IT, или и.п. и сдвигают радионуклид из левой части ячейки в правую.
  • Позитроны испускаются ядром с широким распределением энергии, максимум которой характерен для конкретного радионуклида.
  • Позитронный распад сдвигает радионуклид по диагонали вниз на одну ячейку вправо на диаграмме  нуклидов.
  • Рентгеновское излучение не испускается самопроизвольно без других процессов, происходящих в атоме. Оно связано с такими формами распада, как внутренняя конверсия и захват электрона.
  • При внутренней конверсии (обозначение e-) образуется электрон и рентгеновское излучение, и не происходит сдвигов на диаграмме  нуклидов.
  • При электронном захвате (обозначение e, или э.з.), электрон из самой внутренней оболочки захватывается протоном в ядре и формирует нейтрон. Электрон с внешней оболочки заполняет оставленную вакансию, в результате чего испускается характеристическое рентгеновское излучение.
  • Электронный захват сдвигает радионуклид по диагонали вниз на одну ячейку направо на диаграмме нуклидов.
  • Испускание нейтрона при радиоактивном распаде происходит достаточно редко. Оно чаще ассоциируется с искусственным производством в ядерных реакторах или в изготовленных источниках нейтронов.
  • Когда радионуклид подвергается нейтронному распаду (обозначение n), радионуклид сдвигается на одну ячейку влево на диаграмме  нуклидов
  • Радиоактивный распад является по своей природе статистическим процессом и подчиняется экспоненциальному закону распада.
  • Постоянная распада l – это число делений ядер, подвергающихся распаду, в единицу времени (минуту или год).
  • Активность (A) радионуклида определяется как число распадов в секунду в радиоактивном веществе Единицей активности является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду.
  • Активность радионуклида изменяется со временем по закону A = A0e-lt.
  • Первой единицей активности была кюри (Ки), которая первоначально определялась как величина активности имеющего то же самое число распадающихся в секунду атомов как один грамм радия-226. Кюри был позже переопределен как 3,7 x 1010 распадов в секунду (или 37 ГигаБекерель).
  • 1 Ки = 3,7 x 1010 Бк = 37 ГБк
  • Период полураспада – это время, за которое распадается половина атомов в образце.
  • Удельная активность (SA) определяется как активность на единицу массы или объема конкретного радионуклида.
  • Удельная активность материала может служить указанием на его относительную опасность. Если материал обладает высокой удельной активностью, то малая масса или объем могут быть опасными. И наоборот, большая масса или объем материала с малой удельной активностью могут быть неопасными.
    • Используя диаграмму нуклидов, можно определить, как радионуклид распадается и каковы продукты распада. Так можно продолжать, пока ядро не станет стабильным. Этот путь называется цепочкой распадов или радиоактивным рядом.
    • Цепочки распадов могут иметь несколько альтернативных путей.
    • Более устойчивый нуклид, полученный в результате распада, имеет специальное название вторичный или дочерний нуклид. Первоначальный радионуклид называется материнским или первичным.
      • Если радионуклид имеет большой период полураспада, активность любого вторичного нуклида с гораздо меньшим периодом полураспада достигнет активности материнского нуклида за время, равное примерно семи периодам полураспада вторичного нуклида. При этом говорят, что наступило вековое равновесие.
      • Вековое равновесие имеет важные последствия в радиационной защите может значительно увеличивать полную активность образца в зависимости от числа вековых равновесий в цепочке распадов.
    • Когда материнский нуклид имеет значительно меньший период полураспада, чем его дочерний, равновесие не достигается
      • Радионуклиды представляют собой результат как процессов, поисходящих в природе, так и деятельности человека.
    • Естественный радиационный фон имеет три основных источника: космическое излучение, которое приходит из-за пределов Земли; земное излучение, которое приходит из горной породы Земли; радиоактивность в наших еде и питье.
    • Наряду с естественной радиацией, мы также облучаемся ионизирующим излучением, испускаемым искусственными источниками. Это такие источники как источники рентгеновского излучения, искусственные радионуклиды и источники нейтронов.
    • В генераторах рентгеновского излучения оно создается за счет торможения электронов о мишень с большой скоростью.
    • Искусственные радионуклиды могут быть искусственно созданы в процессах деления, активации нейтронами и бомбардировки .
    • Деление – это процесс, в котором тяжелое ядро разделяется на меньшие ядра.
    • Активация нейтронами включает в себя поглощение ядром нейтрона из нейтронного источника, чтобы создать более тяжелое ядро.
    • Ионная бомбардировка заключается в том, что заряженные частицы с высокими энергиями соударяются с материалом мишени. Эти частицы поглощаются мишенью, и она становится радиоактивной.
    • Нейтроны искусственно создаются в ядерных реакторах, ускорителях, и также в герметизированных источниках нейтронов.


Глоссарий

Активация нейтронами Процесс, в котором происходит поглощение ядром нейтрона из нейтронного источника, чтобы создать более тяжелое ядро.
Активность Число радиоактивных распадов в единицу времени
Альфа-частицаe Частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов сильно связанных между собой. Испускается ядром при радиоактивном распаде.
Бета-частица Электрон с большой скоростью, испускаемый ядром при радиоактивном распаде.
Вековое равновесие Достигается, когда активность любого вторичного нуклида с гораздо меньшим периодом полураспада достигнет активности материнского нуклида.
Внутренняя конверсия Процесс передачи избыточной энергии ядра орбитальному электрону, который испускается из атома. Электрон с внешней оболочки заполняет оставленную вакансию, в результате чего испускается характеристическое рентгеновское излучение.
Вторичный нуклид Нуклид, образующийся в результате радиоактивного распада (см. дочерний нуклид).
Гамма квант Электромагнитное излучение, испускаемое ядром в результате радиоактивного распада.
Деление это процесс, в котором тяжелое ядро разделяется на меньшие ядра.
Дочерний нуклид Более стабильный нуклид, получающийся в результате радиоактивного распада (см. вторичный нуклид).
Захват электрона Процесс захвата электрона из самой внутренней оболочки захватывается протоном в ядре и формирует нейтрон. Электрон с внешней оболочки заполняет оставленную вакансию, в результате чего испускается характеристическое рентгеновское излучение.
Земное излучение Излучение, которое приходит из горной породы Земли.
Изомерный переход Процесс, в котором ядро метастабильного радионуклида теряет свою энергию посредством гамма излучения.
Ионизирующее излучение Любая частица или электромагнитное излучение, которые имеют достаточно энергии для выбивания электронов из атомов.
Ионная бомбардировка Процесс, когда заряженные частицы с высокими энергиями соударяются с материалом мишени. Эти частицы поглощаются мишенью, и она становится радиоактивной.
Космическое излучение Излучение, приходящее из-за пределов Земли.
Космогенные радионуклиды Космогенные радионуклиды образуются при взаимодействии космического излучения со стабильными нуклидами в земной атмосфере.
Материнский нуклид Исходный радионуклид при радиоактивном распаде.
Метастабильный радионуклид Метастабильный радионуклид, это такой нуклид, который имеет избыток энергии в ядре и достаточно большое среднее время жизни (по сравнению со средним временем жизни состояний в ядре).
Нейтрон Нейтральная частица, входящая в состав ядра
Нуклид земного происхождения Нуклид, естественно возникающий в земной коре.
Параметры распада Характеристики (постоянная распада, активность, период полураспада) конкретного радионуклида.
Переходное равновесие Достигается, когда дочерний радионуклид распадается с той же скоростью, что и производится.
Период полураспада Время, за которое распадается половина ядер в образце
Позитрон Частица, подобная электрону, с той же массой, но противоположным зарядом.
Постоянная распада Число атомов, подвергающихся радиоактивному распаду в единицу времени.
Радиоактивный распад Изменения, имеющие место в ядре приводящие его к более стабильному ядру.
Радиоактивный ряд Пути, по которым распадаются радионуклиды к стабильному нуклиду
Рентгеновское излучение Электромагнитное излучение, испускаемое электроном атома при переходах между состояниями.
Удельная активность Активность на единицу массы или объема.
Фотон Частица, переносящая электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное излучение Поток фотонов
Электронвольт Энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциала в 1 вольт и равна 1,6 x 10-19 Дж.
Ядро Положительно заряжений центр атома, состящий из протонов и нейтронов.