Экспозиционной дозой излучения называют величину, равную отношению суммарного заряда ионов одного знака, образованных излучением в некотором объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме:

За единицу экспозиционной дозы излучения принята интенсивность такого излучения, которое производит в 1 кг сухого воздуха такое число ионов, суммарный заряд которых составляет 1 Кл каждого знака:

1 ЭДИ = 1 Кл/кг.

На практике чаще используется внесистемная единица — рентген и ее дольные единицы:

1 Р = 2,58 • 10-4 Кл/кг.

При облучении живых организмов, в частности человека, поражающее действие излучения при одной и той же поглощенной дозе зависит от вида излучения. Поэтому принято сравнивать биологическое действие всех видов излучения с биологическим действием рентгеновского и у-излучения.

Коэффициент, показывающий во сколько раз поражающее действие данного вида излучения выше, чем рентгеновского, при одинаковой дозе поглощенного излучения, называют относительной биологической эффективностью (КОБЭ) или коэффициентом качества излучения.

Значения КОБЭ для основных типов излучения

Поэтому для оценки действия излучения на живые организмы введена специальная величина — эквивалентная доза.

Эквивалентной дозой поглощенного излучения называют величину, равную произведению поглощенной дозы на коэффициент биологической эффективности:

За единицу эквивалентной дозы принят зиверт (Зв).

Зиверт соответствует поглощенной дозе 1 грей при коэффициенте относительной биологической эффективности, равном единице.

На практике для измерения эквивалентной дозы поглощенного излучения часто используют внесистемную единицу бэр (биологический эквивалент рентгена):

1 Зв = 100 бэр.

Человек непрерывно подвергается действию радиоактивного излучения. Источником этого излучения являются: космические тела; недра Земли, содержащие радиоактивные вещества; здания, в которых мы живем (в граните, в кирпичах и железобетоне имеются радиоактивные вещества); рентгеновские аппараты; телевизионные приемники; даже в нашем теле содержится примерно 0,01 г радиоактивного калия ^К, который распадается со скоростью 4000 делений в секунду.

В течение года каждый человек в среднем получает дозу около 400 — 500 мбэр, которая распадается следующим образом:

1) космическое и земное излучение примерно 150 мбэр;

2) излучение, полученное при рентгеноскопии, около 140 мбэр;

3) излучение, полученное при просмотре телевизионных передач, около 100 мбэр;

4) прочие виды около 80 мбэр.

Это средние дозы поглощаемого излучения в год. Но такая доза не оказывает какого-либо отклонения в здоровье. Дело в том, что человек как биологический объект сформировался в условиях непрерывного облучения и наш организм привык к таким дозам. По данным Международной комиссии по радиологической защите, опасными являются дозы, превышающие 35 бэр в год.

Действие ядерных излучений на человека зависит не только и ее КОБЭ, но и от времени, в течение которого эта доза была получена. Одинаковые дозы, полученные человеком за короткое время и на протяжении длительного времени, оказывают разное воздействие на организм. В таблице приведен характер действия на организм человека разных доз радиоактивного излучения.

Обычно нормы радиационной безопасности устанавливают несколько категорий лиц, которые подвергаются излучениям. Это персонал атомных электростанций, ограниченная часть населения и остальная часть населения. Причем предельно допустимые дозы зависят не только от категории населения, но и от группы облученных органов, начиная от всего тела и заканчивая частичным облучением кисти, стопы и т.д.

I.9. Действие ядерных излучений на структуру вещества.

Энергия попадающих в вещество заряженных частиц и γ- квантов в основном тратится на ионизацию и возбуждение атомов. Ионизация в конечном итоге ведет к нагреванию вещества и обычно не вызывает в нем необратимых изменений. Однако некоторая, вполне заметная доля энергии потока заряженных частиц или γ - квантов, равно как и значительная доля энергии потока нейтронов, затрачивается на необратимое изменение структуры вещества. Совокупность этих изменений называется радиационным повреждением. Термином «повреждение» подчеркивается, что под влиянием излучений свойства вещества в большинстве случаев (хотя и не всегда) изменяются в худшую сторону.

 Изменение структуры твердого тела под действием ядерного излучения обуславливается следующим механизмами:

 а) Главным механизмом является ударное выбивание атомов из кристаллической решетки. Заряженные частицы и нейтроны выбивают атомы непосредственно, а γ- кванты - через промежуточные фотоэлектроны или комптоновские электроны. Это выбивание обычно сопровождается разнообразными и многоступенчатыми вторичными процессами.

 б) Часто бывает существенным появление в решетке новых атомов за счет внедрения падающих тяжелых частиц, а также ядерных реакций с возможными последующими распадами продуктов реакций. Такого рода явления, как правило, существенны при облучении нейтронами и практически отсутствуют при облучении электронами и γ- квантами с энергиями до 10-15 МэВ. Нейтроны любых энергий легко захватываются ядрами, причем получающиеся новые изотопы часто получаются

 β-активными. В результате распада этих изотопов в кристалле образуются примесные атомы. В делящихся материалах разнообразные примесные атомы возникают также в результате каскадного β- распада осколков деления. В частности, среди продуктов деления заметную долю составляют инертные газы криптон и ксенон. При интенсивном облучении в реакторе эти газы выделяются в столь заметных количествах, что приводят к пористости и разбуханию материала.

 в) Существенным бывает и воздействие на решетку через ионизацию. Так, отрицательный ион в ионном кристалле (например, ион хлора в кристалле поваренной соли) при выбивании из него двух электронов станет положительным и сам «выскочит» из своего места в решетке. Конечный результат такого ступенчатого воздействия - тот же, что и при прямом выбивании атома.

 Все эти процессы приводят к созданию дефектов решетки, т. е. к изменению микроструктуры кристалла. При достаточно мощном облучении за счет этих дефектов заметно изменяются и различные макроскопические свойства тела – механические и тепловые. Изменение решетки влияет на структуру электронных энергетических зон, т. е. на электрические и оптические свойства.

2. Рассмотрим подробнее механизм упругого выбивания. Для того чтобы выбить атом из его положения в кристаллической решетке, ему надо передать энергию выше некоторой пороговой Ed , представляющей собой разность энергий связи в нормальном положении и в междоузлии. Экспериментально энергия Ed определяется по минимальной энергии электронного пучка, необходимой для создания точечных дефектов кристаллической решетки. Величина Ed имеет порядок десятков эВ (для Cu Ed =22 эВ, для Fe Ed =24 эВ, для алмаза Ed =80 эВ). При упругом столкновении налетающая частица не может предать атому всю свою энергию из-за эффекта отдачи. Из законов сохранения энергии и импульса в применении к упругому удару следует, что максимальная энергия E m , которую налетающая частица энергии E и массы M1 может передать атому массы M2 , для нерелятивистских налетающих частиц определяется по формуле

 E m= (4M1M2) / (M1+M2)2 * E                           (1)

а для релятивистских - по формуле

 E m = 2EM2 *(2M1c2 + E) / ((M1 + M2)2c2 + 2M2E). (2)

При М 1 = 0 формула (1) применима для рассмотрения столкновения γ- кванта с атомом. Под E m , E в формуле (2) понимаются релятивистские кинетические (не полные) энергии соответствующих частиц. При столкновениях частиц ядерных излучений с атомами практически всегда М 2 >> M 1.Поэтому из (1), (2) следует, что для выбивания атомов энергия налетающих частиц должна намного превышать E d, особенно если эти частицы легкие. Например, даже такая сравнительно тяжелая частица, как нейтрон, имеющая энергию 2 МэВ, может передать при упругом столкновении атому углерода не более 0,5 МэВ, а атому урана – не более 0,033 МэВ. Электрон той же энергии может передать углероду не более 1кэВ, а урану – не более 0,05 кэВ. Для γ- кванта той же энергии соответствующие цифры в три раза меньше, чем для электрона.

 Для того чтобы выбивание атомов шло с заметной интенсивностью, необходимо, чтобы эффективное сечение выбивания было не очень мало по сравнению с сечениями других конкурирующих процессов. Для нейтронов это сечение имеет порядок нескольких барн (в области энергий, достаточных для выбивания) и вполне сравнимо с сечениями конкурирующих неупругих процессов. Для электронов сечение выбивания имеет порядок десятков барн, но сечения возбуждения и ионизации электронов (в пересчете на один атом) имеют значительно большую величину. Для γ - квантов в наиболее интересной для практики области энергий в несколько МэВ наибольшее сечение имеет процесс образования комптоновских электронов. Поэтому при γ- облучении атомы выбиваются из решетки в основном комптон - электронами. Но если электронный пучок создает выбитые атомы только в поверхностном слое, то γ -излучение выбивает атомы во всем объеме вещества.

Если энергия выбитого атома заметно превосходит Ed , то он способен выбить из решетки другой атом. Таким образом, в результате одного первичного столкновения в кристалле могут возникнуть несколько выбитых из решетки атомов. Для ориентировки укажем следующие теоретические оценки для меди. При столкновении нейтрона энергии 0,42 МэВ с атомами в результате вторичных столкновений в среднем возникает 328 смещенных атомов. Заряженная частица – дейтрон – с энергией 9 МэВ за одно столкновение создает в среднем 6,2 смещенных атома.

Смещенные атомы ионизированы. Поэтому они быстро тормозятся в веществе и останавливаются в междоузлиях. В результате в кристалле образуются два вида точечных дефектов решетки – вакантные узлы и атомы в междоузлиях. В ряде кристаллов смещенный атом может остановиться в «чужом» узле, выбив оттуда своего предшественника. Такие замещающие столкновения также меняют свойства многоатомных кристаллов. При достаточно мощном и продолжительном облучении плотность дефектов может возрасти до такой степени, что наступит полное разрушение кристаллической структуры. Такое явление наблюдается в некоторых урановых и ториевых руда: вылетающие из урана или тория α-частицы постепенно разрушают решетку и в конце переводят ее в коллоидоподобное, так называемое метамиктное состояние. Метамиктные минералы внешне сохраняют кристаллический облик, но по своим словам являются аморфными веществами. Они изотропны по оптическим, механическим и другим свойствам, дают раковистый излом. Устойчивость решетки относительно действия облучений сильно зависит от ее прочности. Так, при облучении дозой 1021 быстрых нейтронов на 1 см2 решетка кварца в значительной мере разрушается, а решетка алмаза почти не меняется. Некоторые кристаллы под действием облучения изменяют тип решетки. Например, моноклинная двуокись циркония ZrO2 действием нейтронного излучения переходит в кубическую модификацию.

В процессе каскадного упругого выбивания вылетающие атомы претерпевают большое количество столкновений , недостаточных для выбивания, но приводящих к возбуждению колебаний многих атомов. Это приводит к кратковременному локальному перегреву, называемому тепловым пиком. Размер и время жизни тепловых пиков очень малы (соответственно десятки ангстрем и десятые доли наносекунды), но температура обычно превышает температуру плавления. Поэтому в области теплового пика происходит частичный ожег (рекомбинация) точечных дефектов, а также ускоряются процессы диффузии. Особенно велики тепловые пики, вызываемые осколками деления в делящихся материалах.

Другой сопровождающий выбивание эффект состоит в том, что смещающийся атом перед остановкой (когда сечение взаимодействия с другими атомами резко возрастает) может передать свою энергию сразу большому числу атомов. В результате большое количество атомов покидает свои места в решетке. Это явление называется пиком смещения. Возникновение пика смещения с последующей его релаксацией приводит к сильному перемещению атомов. В результате уничтожаются многие точечные дефекты, но возникают более сложные дефекты, например, дислокационные петли.

3. Посмотрим теперь, как влияют изменения решетки под действием облучений на макроскопические, механические и тепловые свойства твердого тела.

Под действием больших доз облучения изменяется плотность кристалла, а при низкой симметрии – решетка и геометрическая форма. Чтобы дать понятие о порядках величин, укажем, что под действием интегрального по времени порядка 1020 реакторных нейтронов на 1 см2 плотность кварца снижается на 15%. В качестве примера сильно и резко анизотропно меняющегося материала можно привести альфа – модификацию урана, имеющую довольно низкую ромбическую симметрию. Монокристалл такого урана под действием облучения в реакторе сжимается в одних направлениях и расширяется в других, причем размеры могут изменяться больше чем вдвое.

Облучение сильно влияет на механические свойства. Обычно материал упрочняется из-за того, что возникшие под влиянием облучения дефекты тормозят движение дислокаций. Модуль упругости растет, разрушение вместо пластического становится хрупким. Эти изменения иллюстрируются на рисунке 13.3 графиками деформация – напряжение для малоуглеродистой стали при облучении ее различными потоками нейтронов.

Радиационные изменения механических свойств довольно устойчивы. Их можно уничтожить только отжигом при температуре порядка рекристаллизации.

На создание вакансий и атомов в междоузлиях тратится довольно значительная энергия. При больших дозах облучения эта так называемая скрытая энергия становится большой в макроскопическом масштабе. Например, в графите после облучения дозой 3*1021 нейтрон/см2 создается скрытая энергия 620 кал/моль. Эта энергия выделяется при отжиге. В некоторых случаях наблюдается самопроизвольное выделение скрытой энергии, приводящее к саморазогреву материала.

В металлах при облучении возрастает остаточное (т. е. не зависящее от температуры) электрическое сопротивление. Электропроводность диэлектриков после облучения в одних случаях возрастает, в других – падает. Увеличению электропроводности способствует возрастание числа ионных носителей тока. Но если после облучения появляются сложные комплексы (грозди) дефектов, то носители начинают застревать в этих комплексах, что снижает электропроводность. Косвенным подтверждением правильности этих механизмов являются два графика ,

на которых приведены температурные зависимости относительного удельного сопротивления и запасенной скрытой энергии для поваренной соли, облученной дозой 8,9*1015 протонов на 1 см2 довольно высокой энергией 350 МэВ. Увеличение сопротивления при подходе к первому максимуму соответствует образованию гроздей дефектов. Падение сопротивления после первого максимума соответствует распаду гроздей. Возникшие в результате распада дефекты (в частности, вакансии) активно участвуют в электропроводности. Сопротивление падает. В минимуме сопротивления скрытая энергия достигает резкого максимума – в отдельных дефектах энергии больше, чем в грозди. Далее начинается отжиг дефектов. Число носителей падает. Сопротивление растет. Наконец, после прохождения второго максимума начинает падать роль дефектов в общем балансе механизма электропроводности. В результате относительное (не абсолютное) сопротивление начинает приближаться к единице, т. е. спадать. Более сложно разобраться в действии на электропроводность нейтронного облучения. Нейтроны, поглощаясь посредством радиационного захвата (n, γ), создают β-и γ-активные ядра. Радиоактивные ядра, находящиеся на поверхности, ионизируют окружающий воздух, делая его проводником. Возникающая поверхностная проводимость сильно искажает общую картину электропроводности.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8