ТЕМА 2 2 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

ТЕМА 2. 2 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Основные физические характеристики видов ионизирующего излучения

2 Изучаемые вопросы • Основные механизмы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. • Ионизирующая и проникающая способность альфа- и бета-излучений. • Процессы, приводящие к ослаблению гаммаизлучения при прохождении через вещество. • Ионизирующая способность гамма-излучения. • Особенности взаимодействия нейтронов с ядрами атомов. • Способы защиты от нейтронного излучения.

3 Ионизирующее излучение Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе электрических зарядов (электронов и положительно заряженных ионов).

4 Основные виды ионизирующих излучений 1. -излучение 2. -излучение 1 e 0 3. - и рентгеновское излучения 4. Нейтронное излучение 0 n 0 - и - кванты

5 Механизмы потери энергии частицы Ионизация атомов Возбуждение атомов Торможение частиц в поле ядра

6 Механизмы взаимодействия альфа-частиц с веществом Вырывание электронов из атомов (ионизация) Возбуждение атомов (переход электронов на более высокие орбиты) Упругое рассеяние на ядрах атомов

Проникающая способность альфа-излучения Пробег альфа-частиц: 0, 14 10 R(см) в биологической ткани в алюминии * * * в воздухе 0, 12 7 R (мм) 0, 10 0, 08 5 0, 06 0, 04 0, 02 4 5 6 7 8 9 10 Е (Мэ. В) * 4 * * * * Е (Мэ. В) 5 6 7 8 9 10

8 Механизмы взаимодействия бета-частиц с атомами вещества Упругое рассеяние на атомах Возбуждение атомов (переход электронов на более высокие орбиты) Выбивание электронов из атомов (ионизация) Генерация тормозного рентгеновского излучения

Проникающая способность бета-излучения 9 В пучке бета-частиц имеются электроны всевозможных энергий. N Уменьшение числа электронов при прохождении через вещество происходит как вследствие рассеяния, так и по причине того, что часть из них тормозится практически до нулевой энергии и, таких образом, выбывает из пучка. Nф R L Кривая поглощения бета-излучения, имеющего непрерывный энергетический спектр. N – количество бета-частиц в пучке (Nф – линия фона); L – путь, пройденный бета-частицами в первоначальном направлении; R – пробег бета-частиц.

Проникающая способность бета-излучения 10 Пробег R бета-частиц: в биологической ткани R, мм в воздухе 3 R, м * * * 1 * 1 Е, Мэ. В 10 * * 3 2 * 5 * 4 * 2 5 * * 1 * * 5 Е, Мэ. В 10

11 Механизмы взаимодействия гамма-квантов с атомами вещества Фотоэффект – взаимодействие гамма-кванта с орбитальным электроном. Эффект Комптона – упругое рассеяние гамма-кванта на орбитальном электроне. Образование электронпозитронных пар – взаимодействие гамма-кванта с электрическим полем ядер.

Проникающая способность гамма-излучения 12 Закон поглощения гамма-излучения в веществе I – I 0 – x – k – I = I 0 e-kx интенсивность; исходная интенсивность; путь в веществе. коэффициент ослабления.

Взаимодействие гамма-квантов с веществом 13 Зависимость коэффициентов ослабления k от энергии Е гамма-излучения для свинца 1 3 2 1 − ослабление за счёт фотоэффекта; 2 − ослабление за счет эффекта Комптона; 3 − ослабление за счет образования пар.

Проникающая способность гамма-излучения 14 Значения слоев половинного ослабления гамма-излучения для некоторых материалов Материал Свинец Железо (броня) Железобетон Кирпичная кладка Грунт Вода Полиэтилен Древесина Плотность вещества, г/см 3 11, 3 7, 8 2, 3 1, 6 1, 0 0, 9 0, 7 Толщина слоя половинного ослабления, см 2, 0 3, 5 9, 5 13, 0 20, 4 21, 8 30, 5 Толщина слоя половинного ослабления гамма-излучения для конкретного материала зависит от энергии излучения. Данные таблицы приведены для гамма-квантов высоких энергий порядка нескольких Мэ. В.

15 Взаимодействие нейтронного излучения с веществом Упругое и неупругое рассеяние нейтронов на ядрах Поглощение ядром нейтрона и переход ядра в возбужденное состояние

Проникающая способность нейтронного излучения 16 Длина свободного пробега λ – расстояние, при прохождении которого плотность потока нейтронов уменьшается в e раз. Материал Полиэтилен Плексиглас Карбид бора Алюминий Железо Свинец Химическая формула (CH 2)4 C 5 H 8 O 2 B 4 C Al Fe Pb Плотность, г/см 3 0, 92 1, 18 1, 67 2, 7 7, 89 11, 34 λ (см) при энергии 4 Мэ. В 14, 9 Мэ. В 5, 5 13, 9 6, 3 15, 2 12, 0 17, 2 14, 1 15, 9 7, 6 8, 3 15, 0 15, 5 Пробеги нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердых веществах – десятками сантиметров.

17 Проникающая способность нейтронного излучения На практике в качестве защиты от нейтронного излучения применяют многослойные экраны из различных материалов: свинецполиэтилен, сталь-вода и т. д. В ряде случаев для одновременного поглощения нейтронного и гамма-излучений применяют водные растворы гидроксидов тяжёлых металлов, например, железа Fe(OH)3. В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов обычно используют комбинированную защиту, состоящую из парафина (воды), кадмия (бора) и свинца. Для защиты от нейтронных источников высокой интенсивности наиболее употребительным материалом в промышленности является бетон.

18 Примеры взаимодействия радиоактивных излучений -излучение ядра 2 электроны 1 e 0 He 4 -излучение -кванты бумага -излучение Pb Al n-излучение нейтроны n Cd, B

Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 19 Что собой представляет альфа-частица (бета-частица, гамма -квант, нейтрон)? Каковы основные механизмы взаимодействия с веществом альфа-излучения (бета-излучения, гамма-излучения, нейтронного излучения)? Какова ионизирующая способность альфа-излучения (бетаизлучения, гамма-излучения, нейтронного излучения)? Какова проникающая способность альфа-излучения (бетаизлучения, гамма-излучения, нейтронного излучения)? Какие вещества используют для защиты от нейтронного излучения?

ТЕМА 2. 2 Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. Проникающая способность ионизирующих излучений Демонстрационное занятие

21 Изучаемые вопросы Проникающая способность и от ионизирующих излучений: • альфа-излучение; • бета-излучение; • гамма-излучение; • нейтронное излучение. способы защиты

22 Проникающая способность -излучения -источник = …… бумага = …

23 Проникающая способность -излучения R -источник R

24 Проникающая способность -излучения 1. 2. бумага -источник = …… 3. = …… Al фольга = …… 4. Al пластина = ……

25 Проникающая способность -излучения R R

26 Проникающая способность -излучения 1. 3. 2. Al бумага = …… 4. 5. Fe Pb = ……

27 Проникающая способность -излучения Al Al, Fe, Pb d Fe Pb

28 Проникающая способность -излучения Al, Fe, Pb Sдет (1/с) d d (мм)

29 Проникающая способность -излучения Влияние защиты на спектр -излучения Th-232 1 2 3 4 1 – без защиты 2 – Pb 0, 5 см 3 – Pb 1, 0 см 4 – Pb 1, 5 см

30 Проникающая способность -излучения Al, Fe, Pb Материал защиты Изотоп 1 см Е (кэ. В) Am-241 59 Ba-133 80 -380 Cs-137 662 Co-60 1172 -1332 Без защиты Al Fe Pb

31 Проникающая способность нейтронного излучения 1. 2. 4. Pb 3. Al 5. Fe полистирол

32 Контрольные вопросы 1. Какова проникающая способность альфа-излучения? 2. Какие материалы необходимо применять для защиты от альфа-излучения? 3. Какова проникающая способность бета-излучения? 4. Какие материалы необходимо применять для защиты от бета-излучения? 5. Какой проникающей способностью обладает гамма-излучение? 6. Какие материалы необходимо применять для защиты от гамма-излучения? 7. Какой проникающей способностью обладает нейтронное излучение? 8. Какие материалы необходимо применять для защиты от нейтронного излучения?