Fitness i zdrowy tryb życia 

Liniowy transfer energii. Skutki promieniowania Strata energii naładowanych cząstek

1. Liniowy współczynnik tłumienia m – stosunek oczekiwanej wartości udziału dN/N pośrednio jonizujące cząstki, które doświadczyły interakcji podczas przechodzenia przez elementarną ścieżkę dł

Jednostka miary m – 1/m, 1/cm.

2. Współczynnik tłumienia masowego M M– stosunek współczynnika tłumienia liniowego m do gęstości substancji r, przez którą pośrednio przechodzi promieniowanie jonizujące:

Jednostka miary – m 2 /kg, cm 2 /g.

3. Pod przebieg W przypadku cząstek naładowanych rozumie się zakres ekstrapolowany; zakres kwantów g jest odwrotnością współczynnika tłumienia liniowego w substancji.

4. Liniowy współczynnik przenikania energii M tr– współczynnik udziału energii D e/e pośrednio promieniowanie jonizujące, które podczas przechodzenia przez elementarną ścieżkę zamienia się na energię kinetyczną naładowanych cząstek dł w substancji do długości tej ścieżki:

M tr = . (2.3)

Jednostka miary m.in tr– 1/m, 1/cm.

Współczynnik przenoszenia energii masy M tr, m związany z liniowym współczynnikiem przenikania energii m tr

M tr, m = . (2.4)

Jednostka miary m.in tr, m– m 2 /kg, cm 2 /g.

5. Liniowy współczynnik pochłaniania energii M pl– iloczyn liniowego współczynnika przenikania energii m tr poprzez różnicę pomiędzy jednostką i ułamkiem energii G wtórne cząstki naładowane przekształcające się w bremsstrahlung w danej substancji:

M pl= m tr×(1 – G). (2.5)

Jednostka miary m.in pl– 1/m, 1/cm.

Współczynnik masowego pochłaniania energii M PL m związany z liniowym współczynnikiem absorpcji energii m pl przez gęstość ośrodka r, w którym rozchodzi się promieniowanie:

M PL m= m pl/R. (2.6)

Jednostka miary m.in PL m– m 2 /kg, cm 2 /g.

Dla radionuklidowych źródeł promieniowania fotonowego
(e £ 3 MeV) w powietrzu G Możemy zatem przyjąć 0,01 £ z wystarczającą dokładnością dla zastosowanych problemów.

W przypadku promieniowania fotonowego współczynniki przenoszenia energii i absorpcji uzyskuje się poprzez zsumowanie współczynników interakcji wynikających z fotoabsorpcji, niespójnego rozpraszania przez słabo związane elektrony i absorpcji podczas tworzenia par elektron-pozyton.

6. Dla związków chemicznych lub złożonych substancji chemicznych współczynniki przenoszenia masy i absorpcji energii fotonów otrzymuje się poprzez zsumowanie:

M M = , (2.7)

gdzie m m, tj- współczynnik masy I składnik z ułamkiem masowym w ja; = 1.

7. Oddziaływanie neutronów z materią jest bardziej złożone niż fotonów i zależy nie tylko od składu chemicznego, ale także od składu izotopowego, tj. z poszczególnych nuklidów tworzących substancję. W podręcznikach podają pełne mikroskopowe przekroje interakcji w funkcji energii s (e). Makroskopowy przekrój danego procesu jądrowego S, 1/cm, jest powiązany z mikroskopowym przekrojem poprzecznym s, cm 2 za pomocą wyrażenia

gdzie e jest energią neutronów; NIE– liczba Avogadro; M, r – liczba masowa i gęstość pierwiastka, z którym oddziałuje neutron.

8. Cechą oddziaływania naładowanych cząstek z materią jest energia promieniowania e przekazywana substancji w oddziaływaniach prowadzących do jonizacji i wzbudzenia atomów i cząsteczek. Stosunek średniej energii utraconej przez naładowaną cząstkę w wyniku zderzeń na elementarnej ścieżce dł, długość tej ścieżki jest ilością całkowity liniowy transfer energii L:

Straty energii spowodowane bremsstrahlungiem nie są uwzględnione we wzorze (2.9). Skrót LET jest używany do określenia całkowitego liniowego transferu energii. Jednostką LPE jest J/m. Stosowaną jednostką specjalną jest kiloelektronowolt na mikrometr (keV/µm) wody.

9. Przeciętny uh energia przekazywana do celu. Energia przekazywana przez promieniowanie do ograniczonej objętości materii jest równa różnicy pomiędzy całkowitą energią kinetyczną wszystkich naładowanych i nienaładowanych cząstek i kwantów wchodzących do rozpatrywanej objętości a całkowitą energią kinetyczną wszystkich naładowanych i nienaładowanych cząstek i kwantów wychodzących z tej tom.

Liniowy transfer energii (LET) to fizyczna cecha jakości promieniowania jonizującego, równa stosunkowi całkowitej energii przekazanej substancji przez naładowaną cząstkę w wyniku zderzeń po drodze do długości tego promieniowania [.. .]

Minimalna wartość K = 1 i odpowiada przypadkowi liniowego przenoszenia energii. W pozostałych przypadkach wartość tego współczynnika jest zalecana przez Międzynarodową Komisję ds. Ochrony Przed Promieniowaniem (ICRP) i przedstawiona w tabeli. 10,2 (maksymalna wartość K= 20).[...]

Istnieją dwa powody, dla których zarysowana powyżej teoria liniowa w rzeczywistości nie nadaje się do bardzo precyzyjnych obliczeń efektu huraganu. Jednym z nich jest to, że wpływ samego huraganu jest tak silny, że nie da się pominąć w równaniach składników nieliniowych. Drugim powodem jest duża rola efektów termicznych. Efekt wymiany ciepła jest szczególnie ważny, ponieważ (patrz) huragany faktycznie utrzymują swoje istnienie dzięki energii, którą czerpią z dostępnych rezerw ciepła oceanu. Jednocześnie huragan nie tylko odbiera ciepło z oceanu, ale także rozprowadza je w wyniku mieszania, które działa jednocześnie ze skutkami adwekcji. Wszystkie te efekty wpływają na rozkład izopiknali pokazany na ryc. 9.9.[...]

Charakterystyczne cechy kwadrupolowego filtra masowego obejmują liniową skalę przemiatania widma masowego, wysoki współczynnik przenoszenia jonów ze źródła do detektora oraz niewielką zależność rozdzielczości od początkowego rozproszenia energii jonów.

Do najważniejszych wskaźników wpływu promieniowania na substancję zalicza się dawkę pochłoniętą i liniowy transfer energii (LET).

Graficznie przedstawiając równanie (IV.105) we współrzędnych logarytmicznych dla proponowanych procesów przenoszenia energii, otrzymujemy liniową zależność wskaźnika właściwości cząsteczki od dawki napromieniania.[...]

Ze względu na brak środków eksperymentalnych pozwalających sprawdzić takie założenie, hipoteza o roli siły stycznej w przekazywaniu energii do fal została podtrzymana przez wielu autorów aż do naszych czasów. Tymczasem można wykazać, że ilość energii odbieranej przez fale przez ten kanał jest znikoma w porównaniu z tym, co faktycznie otrzymuje od wiatru. Rozważając ruch cząstek wody powierzchniowej po orbitach, należy stwierdzić, że w górnej połowie orbity siła styczna powinna przyczyniać się do wzrostu prędkości liniowej cząstek; ale w dolnej połowie orbity styczna siła tarcia powietrza o powierzchnię wody powinna spowolnić orbitalny ruch cząstek, ponieważ tutaj jest skierowana w kierunku przeciwnym do prędkości liniowej cząstek. ...]

Biologiczna synteza białek jest procesem złożonym, wielofazowym lub wieloetapowym. Oprócz RNA w syntezie białek bierze udział wiele enzymów. W pierwszym etapie aktywowane są aminokwasy, które następnie łączone są w łańcuchy peptydowe. Drugim etapem jest transport aktywowanych aminokwasów do rybosomów. Trzecim krokiem jest uporządkowanie i połączenie zainicjowanych aminokwasów oraz ich ułożenie w wymaganej sekwencji na informacyjnym RNA, a następnie zamknięcie wiązań peptydowych. Czwartym krokiem jest utworzenie z cząsteczki liniowej trójwymiarowej struktury charakterystycznej dla danego białka. Zwiększenie reaktywności i aktywacja aminokwasów zwiększa możliwość ich wzajemnego oddziaływania; Proces ten zachodzi poprzez oddziaływanie aminokwasów z kwasem adenozynotrójfosforowym (ATP). W tym przypadku energia jednego wysokoenergetycznego wiązania ATP jest przekazywana aminokwasowi, który przechodzi na wyższy poziom energetyczny. Reakcja aktywacji aminokwasów zachodzi przy udziale enzymu syntetazy aminoacylo-RNA. Do aktywacji różnych aminokwasów potrzebne są różne enzymy - syntetazy. Sekwencja aminokwasów podczas syntezy jest prowadzona przez kodony (fragmenty łańcucha DNA).

Metody oceny i przewidywania zagrożeń radiacyjnych na statkach kosmicznych opierają się na badaniach mechanizmów występowania skutków radiacyjnych w ciałach stałych i obiektach biologicznych, prowadzonych w warunkach laboratoryjnych w instalacjach symulacyjnych promieniowania jonizującego (akceleratory, instalacje radioizotopowe). Te wieloletnie badania umożliwiły opracowanie modeli i ustalenie ogólnych wzorców występowania skutków promieniowania w materiałach konstrukcyjnych i produktach technologii kosmicznej, a także ogólne rozwiązanie problemu bezpieczeństwa radiacyjnego astronautów podczas załogowych lotów kosmicznych. Występowanie skutków radiacyjnych przebiega dwuetapowo. W pierwszym szybko występującym etapie (< ~ 1 нс) происходит передача кинетической энергии от налетающих частиц электронам и ядрам вещества. Выделяют образование эффектов двух типов: ионизационных эффектов и первичных структурных нарушений (смещенных атомов). На 2-ой стадии возбужденная система из электронов и атомов приходит в новое равновесное состояние. Процессы релаксации обоих подсистем взаимосвязаны, а время их протекания зависит от температуры, распределения электрических полей и других свойств вещества.

Liniowy transfer energii (LET)

Wartość LET, L, ilościowo charakteryzuje pierwotną przyczynę skutków promieniowania - przeniesienie energii z cząstki do materii. Uwzględniono wartość LET prowadzącą do powstawania efektów jonizacji i zaburzeń strukturalnych. W ocenie skutków promieniowania powstających w wyniku uderzenia naładowanych cząstek w przestrzeni kosmicznej, wartości LET przyrównuje się do specyficznych strat energii, dE/dx, czyli średniej energii, jaką cząstka traci na jednostkę swojej drogi.

  • LET jest główną wielkością fizyczną, która ilościowo charakteryzuje udział energii jednej cząstki w powstaniu efektu radiacyjnego,
  • LET, L – średnia energia, jaką substancja może otrzymać od padającej naładowanej cząstki na jednostkę drogi
  • Jednostki miary LET - MeV/cm lub MeV/(g/cm2)

Straty energii naładowanych cząstek

Specyficzne straty energii naładowanych cząstek dE/dx = (dE/dx) e + (dE/dx) n są definiowane w fizyce jądrowej dla zderzeń cząstek z elektronami materii (straty jonizacyjne, oznaczane indeksem „e”) i z jądrami materii (straty atomowo-jądrowe, oznaczane indeksem „n”). Wartości tych wielkości w zależności od energii naładowanych cząstek są znane dla wielu substancji ( Ziegler J. F. i in., 1995).

Jako przykład, liczby pokazują wartości (dE/dx)e(pełne krzywe) i (dE/dx)n(krzywe przerywane) w krzemie „Si”, w zależności od energii protonów (jądra wodoru „H”) (krzywe czerwone), jąder żelaza „Fe” (krzywe zielone) i elektronów „e” (krzywe fioletowe). Bierze się pod uwagę, że przy wysokich energiach protonów (>~30 MeV) reakcje jądrowe dodatkowo przyczyniają się do strat energii atomowo-jądrowej.
Należy podkreślić, że w przypadku wysokoenergetycznych naładowanych cząstek obecnych w przestrzeni kosmicznej (dE/dx)e >> (dE/dx)n.

Klasyfikacja

  • Skutki dawki pochłoniętej powstają w wyniku zsumowania energii, jaką wiele cząstek przekazuje wrażliwej objętości materii
  • Losowe pojedyncze efekty powstają, gdy energia jest przenoszona z jednej cząstki do wrażliwej objętości materii

Współczesna klasyfikacja skutków promieniowania uwzględnia wnikanie cząstek z ogólnego strumienia promieniowania korpuskularnego czuła głośność(objętość określająca właściwości funkcjonalne materiału lub urządzenia) napromienianego obiektu dyskretnie. Losowe pojedyncze efekty (RSE) powstają w obiektach zawierających wrażliwe objętości o wielkości mikrona, a obecnie pojawiają się, gdy wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne oddziałuje na nowoczesne typy półprzewodnikowych urządzeń elektronicznych (mikroukłady, CCD, transoptory itp.).

Wchłonięta dawka

Dawka pochłonięta D jest ilościową miarą wielkości efektu radiacyjnego, jeżeli następuje on w wyniku wejścia wielu cząstek do wrażliwej objętości materii. Dawka pochłonięta jest integralnym wskaźnikiem charakteryzującym zmianę właściwości materiału lub urządzenia, która nastąpiła podczas lotu statku kosmicznego od jego wystrzelenia.

Z definicji: Dawka pochłonięta D to energia przekazana z promieniowania do elementarnej objętości substancji o jednostkowej masie

D = ΔE/Δm [J/kg lub szary (100 rad)]

Pod wpływem przepływu cząstek Ф o energii E 0 = const

Pod wpływem przepływu cząstek Ф i (E) różnych typów i różnych energii


Gdzie − Widmo LET strumienia wszystkich cząstek.

Wielkość pochłoniętej dawki uwzględnia całkowitą energię przekazaną od cząstki zarówno do elektronów, jak i do jąder objętości elementarnej. Jeśli jednak efekt promieniowania tłumaczy się jonizacją lub zaburzeniami strukturalnymi, wówczas w obliczeniach wykorzystuje się wartości konkretnych strat energii odpowiednio w zderzeniach elektronicznych lub jądrowych. W takich przypadkach mówimy dawka jonizująca lub niejonizująca(w literaturze zagranicznej „całkowita dawka jonizująca (TID)” i „niejonizująca utrata sprężystości (NIEL)”).

Przykład efektu dawki jonizacji

Nierównowagowe nośniki ładunku powstające podczas naświetlania struktury MOS zmieniają istniejące ładunki w masie tlenku i na granicy faz tlenek-półprzewodnik. Pierwszy efekt prowadzi do zmniejszenia (zielona krzywa), a drugi, począwszy od określonej wartości dawki jonizacji, do wzrostu (niebieska krzywa) napięcia progowego n-kanałowego tranzystora MOS. W rezultacie konkurencja obu efektów wyjaśnia niemonotoniczną zależność napięcia progowego n-kanałowego tranzystora MOS od dawki jonizacji (czerwona krzywa).

Przykład efektu dawki niejonizującej

Fotoprąd I generowany przez ogniwa słoneczne zależy od żywotności nośników ładunku mniejszościowego w podstawowym materiale półprzewodnikowym (krzem, arsenek galu) elementu. Pod wpływem promieniowania wysokoenergetycznego zmniejsza się ze względu na skrócenie czasu życia nośników mniejszościowych, co tłumaczy się powstawaniem uszkodzeń strukturalnych (defektów radiacyjnych).
Rzeczywiście, ten spadek (a w konsekwencji akumulacja defektów radiacyjnych) dobrze koreluje ze wzrostem dawki niejonizacyjnej D n, niezależnie od rodzaju promieniowania (elektrony, protony) i jego energii.

Równoważna dawka

Obliczenie dawki pochłoniętej zakłada, że ​​energia uwolniona z wielu cząstek rozkłada się równomiernie w objętości elementarnej. Tylko w tym przypadku dawkę pochłoniętą można uznać za ilościową miarę efektu radiacyjnego, niezależnie od energii i rodzaju promieniowania.
Warunek ten nie jest spełniony w przypadku ekspozycji na protony i ciężko naładowane cząstki, gdy uwolniona energia koncentruje się lokalnie w śladach tych cząstek. W tym przypadku wyjaśnienia wymaga zastosowanie wartości dawki pochłoniętej do oceny efektu promieniowania.

Dlatego w radiobiologii (i bezpieczeństwie radiologicznym lotów załogowych) wprowadza się je w tym celu współczynnik jakości w(L) promieniowanie, który zależy od liniowego transferu energii (LET) cząstki, który ilościowo charakteryzuje wkład energii jednej cząstki w powstawanie efektu radiacyjnego, ale nie uwzględnia wielkości toru cząstki, a tym samym rozkładu gęstość przenoszonej energii w tym torze .
 W radiobiologii zwyczajowo używa się tej ilości jako ilościowej miary efektu promieniowania dawka równoważna.

H [Siwert (100 rem)] = ∫ w(L) L Ф(L)dL

Pojedyncze efekty losowe

Pojedyncze efekty losowe (SRE) powstają w wyniku naruszenia właściwości wrażliwej objętości, gdy przechodzi przez nią jedna cząstka. Powstają, gdy wrażliwe objętości o wielkości mikrona są napromieniane jonami (ciężkimi naładowanymi cząstkami). Na przykład we współczesnych urządzeniach mikroelektronicznych OSE powstają w wyniku tworzenia się nierównowagowych nośników ładunku w wyniku jonizacji.
Warunek wystąpienia: energia ∆E przeniesiona przez cząstkę do objętości wrażliwej musi być wyższa od wartości progowej Ec charakteryzującej właściwość funkcjonalną tej objętości.

Slajd przedstawia dwa mechanizmy powstawania OSE pod wpływem cząstek promieniowania kosmicznego: bezpośrednio od jonów wchodzących w skład promieni kosmicznych (mechanizm bezpośredni) oraz od jonów wtórnych powstałych w wyniku zderzeń jądrowych protonów promieniowania kosmicznego z jądrami materia (mechanizm jądrowy).

OSE jest zjawiskiem stochastycznym, a prawdopodobieństwo jego wystąpienia charakteryzuje tzw. przekrój poprzeczny OSE. W ogólnym przypadku wartość ta σ i ( mi,θ ) zależy od rodzaju cząstek, ich energii i kierunku ruchu jonów w objętości wrażliwej.
Modele bezpośredniego mechanizmu występowania OSE uwzględniają przekrój OSE σ i (L,θ) w zależności od LET jonów, niezależnie od ich rodzaju, co pozwala na posiadanie jednej zależności przekroju OSE (zamiast wielu) do szacowania częstotliwości uszkodzeń spowodowanych strumieniami jonów promieniowania kosmicznego, w tym jonów różnych typów.
Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do dawki pochłoniętej, częstotliwość OSE charakteryzuje właściwość materiału lub urządzenia w określonym momencie, zsynchronizowaną z wpływającym przepływem cząstek. Jednak częstotliwość OSE jest również obliczana dla długiego przedziału czasu, ale wówczas do jej obliczenia wykorzystuje się gęstość strumienia cząstek uśrednioną w tym przedziale.
Ilościową miarą występowania OSE pod wpływem przepływu cząstek jest Częstotliwość OSE.

Po wystawieniu na działanie gęstości strumienia cząstek F (1/cm 2 s) o energii E 0 = stała i kąt padania
θ 0 = stała

ν = σ(E 0, θ 0) F

Pod wpływem izotropowej gęstości strumienia cząstek Fi (E) (1/cm 2 cMeV) różnych typów i różnych energii

ν = ∑ i ∫∫∫ σ i (E,Ω)F i (E)dEdΩ

lub wykorzystanie reprezentacji modelowych dla bezpośredniego mechanizmu występowania OSE

ν = ∫∫∫ σ jon (L,Ω)F i (L)dLdΩ

gdzie F(L) jest widmem różnicowym LET gęstości strumienia cząstek

Do określenia bezwzględnych wartości przekrojów OSE oraz rodzaju zależności σ p (E) i σ jon (L), stosuje się akceleratory protonów i ciężkich jonów.
Wartości przekroju poprzecznego OSE jonu (L) z TPC rosną wraz ze wzrostem LET od pewnej wartości progowej L c i zmierzają do stałej wartości σ sat, która zależy od wielkości wrażliwej objętości mikroobiektu. Podobny wzrost wartości przekroju poprzecznego OSE σ p (E) obserwuje się w zależności od energii protonu, jednak w tym przypadku wartość progowa E c zależy od efektywnego progu reakcji jądrowych, a wartość σ sat zależy nie tylko na wielkość wrażliwej objętości, ale także na przekrój poprzeczny tworzenia się jąder resztkowych w substancji mikroobiektu.
Obecnie takie zależności uzyskano dla wielu układów pamięci, które były i są stosowane w wyposażeniu statków kosmicznych, gdyż są one najbardziej wrażliwym elementem współczesnej elektroniki pod kątem występowania OSE.

Przykłady przekroju OSE dla układów pamięci przy normalnym kącie padania w zależności od efektywnego LET (lewy rysunek) i energii protonów (prawy rysunek).

wnioski

  • Obecnie badany jest wpływ skutków promieniowania na właściwości wielu materiałów i produktów technologii kosmicznej.
  • Skutki promieniowania w produktach technologii kosmicznej dzielą się na efekty dawki pochłoniętej (EDE) i pojedyncze efekty losowe (SRE).
    • Ilościową miarą zagrożenia radiacyjnego z EPD jest obliczona wartość dawki pochłoniętej (jonizacja i brak jonizacji).
    • Ilościową miarą zagrożenia radiacyjnego z OSE jest obliczona częstotliwość pojedynczych efektów losowych.
  • Zagrożenie promieniowaniem produktów technologii kosmicznej na pokładzie statku kosmicznego zależy od:
    • indywidualne cechy materiału i urządzenia, które charakteryzują się wielkością liniowego przenoszenia energii lub przekrojem pojedynczych efektów losowych i odzwierciedlają ich odporność na promieniowanie (czułość),
    • wpływające środowisko radiacyjne, które charakteryzuje się różnicowymi widmami energii strumienia F(E) lub gęstości strumienia F(E) cząstek i odzwierciedla warunki radiacyjne panujące na statku kosmicznym.

Aby określić warunki promieniowania na statku kosmicznym, należy wziąć pod uwagę różnorodne pola promieniowania, które w przestrzeni kosmicznej powstają z różnych źródeł i obejmują przepływy naładowanych cząstek różnych typów o różnych widmach energii.
Co więcej, wygląd tych widm i strumieni cząstek zmienia się w zależności od trajektorii lotu statku kosmicznego i może zmieniać się podczas lotu statku kosmicznego. Wszystkie te zmiany mają istotny wpływ na poziom zagrożenia radiacyjnego, który należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić sprawność wyposażenia statków kosmicznych.
Następna część poświęcona będzie omówieniu ogólnych wzorców zmian warunków radiacyjnych i charakterystyki zagrożenia radiacyjnego w przestrzeni kosmicznej i na orbitach lotów statków kosmicznych.

Liniowy transfer energii (LET) naładowanych cząstek w substancji absorbującej (lub L) to stosunek średniej energii dE przekazanej substancji absorbującej przez poruszającą się naładowaną cząstkę w wyniku zderzeń podczas przemieszczania jej na odległość dl do tej odległości:

L = dE/dl. (2.4)

Termin LET jest ściśle powiązany ze siłą hamowania S. Główna różnica polega na tym, że LET jest związany z energią przekazywaną substancji pochłaniającej podczas

jak S charakteryzuje właściwość substancji pochłaniającej, pokazując, jak skutecznie naładowana cząstka w substancji traci energię, tj. Jak skutecznie absorber usuwa energię z naładowanej cząstki.

LET jest ważny w ochronie przed promieniowaniem, ponieważ służy do obliczenia współczynnika jakości danego pola promieniowania.

LET, podobnie jak siła hamowania S, jest mierzona w keV/µm.

ODDZIAŁYWANIE CIĘŻKICH CZĄSTEK NAŁADOWANYCH Z MATERIĄ

Oddziaływanie naładowanych cząstek dzieli się na elastyczne i niesprężyste.

Do oddziaływań sprężystych zalicza się te oddziaływania, w których suma energii kinetycznych oddziałujących cząstek przed i po oddziaływaniu pozostaje niezmieniona. Takim procesem jest rozpraszanie sprężyste.

Podczas oddziaływania niesprężystego część energii kinetycznej naładowanej cząstki jest przenoszona na powstałe cząstki lub fotony; inna część energii kinetycznej jest przekazywana do atomu lub jądra w celu ich wzbudzenia lub restrukturyzacji. Takie interakcje obejmują rozpraszanie nieelastyczne, jonizację i wzbudzenie atomów oraz powstawanie bremsstrahlung.

Rozważmy oddziaływanie ciężko naładowanych cząstek z materią na przykładzie cząstek α. Cząstka α jest jądrem atomu helu, ma podwójny ładunek dodatni i cztery jednostki masy. Masa cząstki α wynosi 4,002777 amu. Rozpadowi ulegają głównie radionuklidy pierwiastków ciężkich. Energia cząstek α ​​(E α) emitowanych przez naturalne i sztuczne radionuklidy waha się od 4,0 do 9,0 MeV. Zatem dla 239 Pu E α = 5,15 MeV, dla 210 Po - 5,3 MeV, dla 226 Ra - 4,777 MeV. Prędkość ruchu cząstek α ​​wynosi około 10,9 cm/s.

Podczas przejścia przez materię energia cząstki α jest zużywana głównie na jonizację i wzbudzenie atomów ośrodka absorbującego (straty jonizacyjne), co przy E α > 0,1 MeV można wyrazić wzorem:

gdzie E α jest energią kinetyczną cząstki α; e - ładunek elektronowy; z jest ładunkiem cząstki α;

Z jest numerem seryjnym absorbera; n jest liczbą atomów w 1 cm3 substancji; B - współczynnik hamowania; m o - masa spoczynkowa elektronu; V to prędkość cząstek.

Jedną z najbardziej charakterystycznych właściwości cząstek α ​​jest to, że mają one pewien zakres. Średni zasięg Ra monoenergetycznych cząstek α ​​oblicza się zwykle za pomocą wzorów empirycznych. W powietrzu w normalnych warunkach

(2.6)

gdzie R α - przebieg, cm; - energia kinetyczna cząstek α, MeV;

n jest bezwymiarowym współczynnikiem ustalonym empirycznie.

Dla cząstek α ​​emitowanych przez naturalne emitery α (1< Е α <9МэВ), а = 0,318, n = 1,5. Для α-частиц с более высокими энергиями (Е α = ≤200 МэВ) а = 0,148, n = 1,8.

Zatem cząstki α o energii E α = 5 MeV pokonują w powietrzu odległość 3,52 cm, a o energii E α = 30 MeV - 68 cm.

Długość ścieżki cząstki α w innych ośrodkach można wyznaczyć za pomocą wzoru Bragga:

(2.7)

lub według wzoru Glessena:

(2.8)

gdzie E α jest energią cząstki α, MeV; A - masa atomowa; Z - numer seryjny;

ρ to gęstość substancji pochłaniającej, g/cm3.

Pod koniec przebiegu energia cząstki α maleje tak bardzo, że nie jest ona już w stanie wytwarzać jonizacji i po przyłączeniu do siebie dwóch elektronów zamienia się w atom helu. Całkowita jonizacja cząstek α ​​wynosi kilkaset tysięcy par jonów. Na przykład powstaje cząstka alfa o energii 7 MeV, zgodnie z (2.1).

pary jonowe.

Im większa energia cząstki α, tym większy jest jej zasięg i tym więcej powstaje par jonowych.

Liniowa gęstość jonizacji zależy również od energii cząstki α, ale zależność jest odwrotna - im niższa energia cząstki, a co za tym idzie i prędkość, tym większe prawdopodobieństwo jej oddziaływania z elektronami orbitalnymi. Wyznacza się gęstość liniową jonizacji powietrza przez cząstkę α, np. dla 210 Po (E α = 5,3 MeV, zakres liniowy R = 3,87 cm, energia tworzenia pary jonów ε = 33,85 eV/para) według wzoru (2.2)

pary jonów/cm.

Jonizacja właściwa osiąga maksymalną wartość pod koniec cyklu.

Liniową gęstość jonizacji powietrza wzdłuż drogi cząstki α pokazano na ryc. 2.4. Z rysunku wynika, że ​​liniowa gęstość jonizacji rozkłada się nierównomiernie, zwiększa się pod koniec ścieżki, a następnie gwałtownie spada do zera. Przykładowo cząstka alfa o energii 4,8 MeV w powietrzu tworzy na początku ścieżki 2,10 4 par jonów/cm, a na końcu ścieżki 6,10 4 par jonów/cm. Wzrost gęstości jonizacji na końcu ścieżki, a następnie gwałtowny spadek do zera, tłumaczy się faktem, że cząstka α, doświadczając opóźnienia, traci prędkość w miarę poruszania się przez materię; W konsekwencji zwiększa się czas potrzebny na jego przejście przez atom na końcu ścieżki, a co za tym idzie, prawdopodobieństwo przekazania elektronowi energii wystarczającej do wyrwania go z atomu. Kiedy zmienia się prędkość cząstki α

porównywalna z prędkością ruchu atomów substancji, wówczas cząstka α wychwytuje i utrzymuje pierwszy, a następnie drugi elektron i zamienia się w atom helu - jonizacja ustaje.

Ryż. 2.4. Liniowa gęstość jonizacji powietrza wzdłuż ścieżki cząstki alfa.

α-Cząstki o tej samej energii (monoenergetycznej) w absorberze pokonują prawie tę samą odległość, tj. liczba cząstek α ​​na prawie całej drodze jest stała i gwałtownie spada do zera na końcu ścieżki. Widmo rozkładu zasięgu monoenergetycznych cząstek α ​​pokazano na rys. 2.5. Różniczkując krzywą całkową, można otrzymać krzywą rozkładu ścieżek cząstek α ​​wokół średniej wartości R 0 – średniej ścieżki cząstek α.

Droga cząstek α ​​jest prawie liniowa ze względu na ich dużą masę, która zapobiega odchyleniu się cząstki α od prostej pod wpływem sił elektrycznych atomu. Pomimo wysokich energii cząstek α, ich zdolność penetracji i zasięg są niezwykle małe, np. w powietrzu 4,10 cm, a w tkankach miękkich człowieka, w substancjach ciekłych i stałych będzie to kilka mikronów.

Ryż. 2.5. Widmo rozkładu ścieżek monoenergetycznych cząstek α: 1 - całka; 2 - mechanizm różnicowy.

Maksymalny zasięg cząstek α ​​w powietrzu przy zmianie energii od 1 do 10 MeV zmienia się od 0,52 do 10,5 cm i przy E α = 5 MeV wynosi 3,52 cm, a w tkance biologicznej zmienia się od 7,2 10 -1 do 1,2 10 - 2 cm, przy E α = 5 MeV R max = 4,4 · 10 -3 cm.

ODDZIAŁYWANIE CZĄSTECZEK NAŁADOWANYCH ŚWIATŁEM Z MATERIĄ

Rozważmy oddziaływanie lekkich cząstek naładowanych z materią na przykładzie cząstek β. Cząstki β to strumień elektronów lub pozytonów. Elektron i pozyton

mają tę samą masę i ten sam ładunek, ale różnią się znakiem ładunku. Masa elektronu wynosi 0,000549 amu. W przeciwieństwie do cząstek α, cząstki β mają ciągłe, ciągłe widmo energii.

W zależności od energii cząstek β rozróżnia się miękkie i twarde promieniowanie β. Cząstki β o energii do kilkudziesięciu keV nazywane są miękkim promieniowaniem β, a te o wyższej energii – twardym promieniowaniem β.

Proces przejścia cząstek β przez materię jest bardziej złożony niż proces przejścia cząstek α. Energia jest zużywana na straty jonizacji i promieniowania, na rozpraszanie cząstek β. Reakcje jądrowe zachodzą tylko przy wysokich (ponad 20 MeV) energiach elektronów.

Straty jonizacyjne cząstek β, a także cząstek α, są związane z jonizacją i wzbudzeniem atomów absorbera, ale prawdopodobieństwo oddziaływania cząstek β z materią jest mniejsze niż w przypadku cząstek α, ponieważ cząstki β mają połowę ładunek i wielokrotnie mniejszą masę (7000 razy) w porównaniu do cząstek α. Podczas jonizacji cząstki β wybijają elektrony orbitalne, co może spowodować dodatkową (wtórną) jonizację. Jonizacja całkowita to suma jonizacji pierwotnej i wtórnej. Na drodze o długości 1 μm w substancji cząstka β tworzy kilkaset par jonów. Spowolniony elektron pozostanie wolny lub zostanie przechwycony przez atom i znajdzie się w stanie związanym, a pozyton ulegnie anihilacji.

Straty jonizacyjne zależą od liczby elektronów w atomach absorbera. Z zależności można obliczyć liczbę elektronów w 1 cm 3 substancji

n = ρ·Ν Α ·(Ζ/Α) = 6,023·10 23 ·ρ·(Ζ/Α), (2,9)

gdzie Ν Α jest liczbą Avogadro; A - masa atomowa; ρ jest gęstością absorbera; Z jest liczbą atomową elementu absorbera.

Dlatego straty jonizacyjne (dE/dx) jon ≈ ρ·Ζ/Α.

Wraz ze zmianą Z, stosunek Z/A zmienia się z 0,5 dla substancji lekkich do 0,4 dla ołowiu, tj. dla różnych pierwiastków stosunek Z/A zmienia się nieznacznie (z wyjątkiem wodoru, dla którego Z/A = 1), co pozwala uznać ten stosunek za w przybliżeniu stały. Dlatego wyrażając zmierzoną grubość warstwy pochłaniającej nie w centymetrach, ale w jednostkach ρ cm, tj. w g/cm 2 możemy stwierdzić, że wielkość absorpcji promieniowania β o danej energii będzie w przybliżeniu taka sama dla wszystkich substancji.

β-Cząstki lecące w pobliżu jądra atomów absorbera są zwalniane w polu jądra i zmieniają kierunek swojego ruchu. Redukcja energii w wyniku hamowania elektronów w polu jądra absorbera (straty radiacyjne) związane z emisją promieniowania bremsstrahlunga.

W przypadku wysokoenergetycznych cząstek β (kilka MeV) stosunek strat promieniowania do strat jonizacji określa się wyrażeniem

n = (dE/dx) rad /(dE/dx) jon = E β m ax ·Ζ/800, (2.10)

gdzie E β ax jest maksymalną energią ciągłego widma cząstek β lub energią początkową elektronów monoenergetycznych;

Z jest liczbą atomową pierwiastka, w którym następuje hamowanie elektronu.

Przy określonej energii cząstek β straty radiacyjne są porównywalne ze stratami jonizacyjnymi. Energię tę nazywa się krytyczną. Jeżeli straty promieniowania i jonizacji są równe, energię krytyczną (E 0 , MeV) określa się za pomocą wyrażenia

E 0 = 800/Z. (2.11)

Przykładowo dla ołowiu (Z = 82) energia krytyczna E 0 = 800/82 ≈ 10 MeV.

Ponieważ masa cząstek β jest niewielka, charakteryzują się one efektem rozpraszania. Rozpraszanie cząstek β następuje podczas zderzeń z elektronami orbitalnymi atomów substancji absorbującej. Podczas rozpraszania energia cząstki β jest tracona w dużych porcjach, w niektórych przypadkach nawet w połowie. Rozpraszanie zależy od energii cząstek β i charakteru substancji absorbującej: wraz ze spadkiem energii cząstek β i wzrostem liczby atomowej substancji absorbującej rozpraszanie wzrasta.

W wyniku rozproszenia w absorberze droga cząstek β nie jest prostoliniowa jak w przypadku cząstek α, a rzeczywista długość drogi w absorberze może być 1,5 - 4 razy większa niż ich zasięg. Warstwa materii równa długości drogi cząstek β, posiadająca maksymalną energię, całkowicie spowolni cząstki β emitowane przez dany radionuklid.

Absorpcja cząstek β o widmie ciągłym zachodzi zgodnie z prawem wykładniczym. Wyjaśnia to fakt, że cząstki β o różnych energiach są całkowicie pochłaniane przez różne warstwy absorbera:

φ = φ 0 exp(- μd), (2,12)

gdzie φ ο jest początkową gęstością strumienia cząstek β; φ jest gęstością strumienia cząstek β po przejściu przez absorber o grubości d; μ-liniowy współczynnik ekstynkcji wskazujący frakcję cząstek β zaabsorbowanych na jednostkę grubości absorbera.


Ryż. 2.6. Wykres zależności maksymalnego zasięgu cząstek β od ich energii maksymalnej.


Jedną z najbardziej charakterystycznych właściwości cząstek β, podobnie jak cząstek α, jest występowanie w nich pewnego zakresu w substancji pochłaniającej, a w ochronie przed promieniowaniem najczęściej wykorzystuje się dostępne stosunkowo wiarygodne i wystarczające dane zarówno w zakresie energii maksymalnej E β i maksymalny zasięg Rβ. Wykres zależności maksymalnego zasięgu cząstek β od ich energii maksymalnej dla kilku pierwiastków pokazano na rys. 2.6.

Aluminium jest najczęściej stosowane jako materiał ochronny przed cząstkami β. Wzory empiryczne i tablice zależności maksymalnego zasięgu cząstek β R β (jak również cząstek α) od ich energii maksymalnej podano dość obszernie w literaturze przedmiotu.

Maksymalny zasięg cząstki β w powietrzu zmienia się od 292 do 3350 cm przy zmianie energii od 1 do 10 MeV, a w tkance biologicznej od 0,335 do 4,3 cm. Przy E β = 5 MeV R β w powietrzu wynosi 1,7 · 10 3 cm, a w tkance biologicznej - 2,11 cm.

ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA GAMMA Z MATERIĄ

Promieniowanie fotonowe odnosi się do elektromagnetycznego pośredniego promieniowania jonizującego i obejmuje promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie γ.

Pochodzenie promieni X i γ jest różne, ale ich natura jest taka sama: z punktu widzenia fizyki klasycznej - promieniowanie elektromagnetyczne (fale), a z punktu widzenia fizyki kwantowej - przepływ fotonów ( kwanty), tj. cząsteczki. Dualną naturę promieniowania fotonowego należy rozumieć w ten sposób, że w niektórych zjawiskach promieniowanie to wykazuje właściwości falowe (odbicie, załamanie, dyfrakcja, interferencja), w innych zaś właściwości cząstek zwane kwantami γ (efekt fotoelektryczny, reakcje jądrowe). .

Mimo odmiennego pochodzenia, promienie X i γ, oddziałując z materią, posiadające tę samą energię, wykazują te same właściwości. Mechanizm oddziaływania fotonów z materią jest zupełnie inny niż oddziaływania cząstek naładowanych. Naładowane cząstki przechodząc przez substancję pochłaniającą oddają jej część lub całość energii, natomiast przechodząc promieniowanie fotonowe mówią o prawdopodobieństwie jego oddziaływania z substancją pochłaniającą, a prawdopodobieństwo oddziaływania wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem grubości absorbera .

Osobliwością kwantów γ podczas przechodzenia przez materię jest to, że stosunkowo rzadko zderzają się one z elektronami i jądrami, ale kiedy się zderzają, z reguły gwałtownie odchylają się od swojej ścieżki, tj. praktycznie wypada z grupy. Drugą charakterystyczną cechą kwantów γ jest to, że mają one zerową masę spoczynkową i dlatego nie mogą mieć prędkości innej niż prędkość światła, co oznacza, że ​​kwanty γ w ośrodku nie mogą zwalniać. Są albo wchłaniane, albo rozproszone, głównie pod dużymi kątami.

W przypadku kwantów γ nie ma koncepcji zasięgu, maksymalnego zasięgu ani strat energii na jednostkę długości. Kiedy wiązka promieni γ przechodzi przez substancję pochłaniającą, ich energia nie zmienia się, lecz w wyniku zderzeń intensywność wiązki stopniowo słabnie.

; wielkość strat energii jonizacji na jednostkę ścieżki w substancji. LET definiuje się jako stosunek całkowitej energii dE, przenoszone na materię przez cząstkę w wyniku zderzeń po drodze dł, do długości tej ścieżki: L=dE/dl. LET nie jest stosowany w przypadku cząstek nienaładowanych, ale stosuje się wartości LET ich wtórnie naładowanych cząstek utworzonych w substancji. Mierzone w eV/nm. LET wartości różnią się od 0.2 dla fotonów o wysokiej energii do 104 eV/nm dla fragmentów rozszczepienia jąder uranu.

Pojęcie to jest szeroko stosowane w radiobiologii przy ocenie skutków radiobiologicznych różnych rodzajów promieniowania.

Zobacz też

  • Względna skuteczność biologiczna promieniowania jonizującego

Fundacja Wikimedia. 2010.

Zobacz, co „Liniowy transfer energii” znajduje się w innych słownikach:

    - (LET), energia przekazywana przez cząstkę jonizującą do VU w danym sąsiedztwie jej trajektorii na jednostkę. długość trajektorii: Ldeltt=(d?cp/dl)deltt, gdzie dl to droga, którą przebywa ładunek. h tsey in in ve, d?cp śr. energia tracona przez człowieka w interakcjach, w których... ... Encyklopedia fizyczna

    liniowy transfer energii- 4,5 liniowy transfer energii [LET]; LΔ: Stosunek energii dE lokalnie przekazanej do ośrodka przez naładowaną cząstkę w wyniku zderzenia na elementarnej ścieżce dl do długości tej ścieżki Źródło ...

    liniowy transfer energii- ilginė elektringųjų dalelių energijos perdava statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Jonizuojančiosios elektringosios dalelės, tam tikroje vietoje nueinančios elementarųjį atstumą, medžiagai perduo ta energija, padalyta iš to… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

    liniowy transfer energii- ilginė energijos perdava statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. liniowy transfer energii vok. Energieabgabe je Längeneinheit, f rus. liniowy transfer energii, f pranc. transfert d'énergie linéique, m … Fizikos terminų žodynas

    - (LET) średnia energia pochłonięta przez ośrodek w miejscu przejścia naładowanej cząstki na jednostkę jej drogi; wykorzystywane do uwzględnienia różnic w działaniu biologicznym różnych rodzajów promieniowania jonizującego... Duży słownik medyczny

    Zobacz Promieniowanie jonizujące... Encyklopedia chemiczna

    Liniowy transfer energii (LET)- 5. Liniowy transfer energii (LTE) Według GOST 15484 Źródło... Słownik-podręcznik terminów dokumentacji normatywnej i technicznej

    liniowy- 98 liniowy [nieliniowy] obwód elektryczny Obwód elektryczny, w którym napięcia elektryczne i prądy elektryczne lub/lub prądy elektryczne i strumienie magnetyczne lub/lub ładunki elektryczne i napięcia elektryczne są ze sobą połączone... ... Słownik-podręcznik terminów dokumentacji normatywnej i technicznej

    GOST 25645.218-90: Bezpieczeństwo radiacyjne załogi statku kosmicznego podczas lotu kosmicznego. Zależność współczynnika jakości promieniowania kosmicznego od energii liniowej- Terminologia GOST 25645.218 90: Bezpieczeństwo radiacyjne załogi statku kosmicznego podczas lotów kosmicznych. Zależność współczynnika jakości promieniowania kosmicznego od energii liniowej Dokument oryginalny: 7. Widmo dawki transmisji liniowej... ... Słownik-podręcznik terminów dokumentacji normatywnej i technicznej

    LPE- liniowy transfer energii liniowe straty energii (liczba mnoga) liniowe straty energii ... Słownik rosyjskich skrótów