Ионизи́рующее излуче́ние, или радиоактивное излучение, или радиа́ция — потоки фотонов и других элементарных частиц или атомных ядер, способные ионизировать вещество.
К ионизирующему излучению не относятся видимый свет и ультрафиолетовое излучение, которые в отдельных случаях могут ионизировать вещество. Инфракрасное излучение и излучение радиодиапазонов не являются ионизирующими, поскольку их энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянииИонизирующие излучения и их измерения. Термины и понятия. М.: Стандартинформ, 2006.Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). Минздрав России, 2009.Обеспечение жизнедеятельности людей в чрезвычайных ситуациях. Выпуск 1: Чрезвычайные ситуации и их поражающие факторы. — СПб.: Образование; Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена. — 1992..
История Краски с использованием урановых и других радиоактивных материалов применялись ещё задолго до начала нашей эры, но испускаемое ими ионизирующее излучение было так незначительно, что его не могли заметить.
Первым обнаруженным видом ионизирующего излучения стали катодные лучи (потоки электронов, ускоряемых в вакуумной трубке высоким напряжением), открытые в 1860-х годах. Затем были открыты рентгеновские лучи (Вильгельм Рентген, 1895). В 1896 году Анри Беккерель обнаружил ещё один вид ионизирующего излучения — невидимые лучи, испускаемые ураном, проходящие сквозь плотное непрозрачное вещество и засвечивающие фотоэмульсию (в современной терминологии — гамма-излучение). В результате дальнейшего исследования явления радиоактивности было обнаружено (Эрнест Резерфорд, 1899), что в результате радиоактивного распада испускаются альфа-, бета- и гамма-лучи, различающиеся по ряду свойств, в частности, по электрическому заряду. Впоследствии были обнаружены и другие виды ионизирующей радиации, возникающие при радиоактивном распаде ядер: позитроны, конверсионные и оже-электроны, нейтроны, протоны, осколки деления, кластеры (лёгкие ядра, испускаемые при кластерном распаде). В 1911—1912 годах были открыты космические лучи.
Природа ионизирующего излучения
Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:Зигбан К. (ред.) Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1969.Волков Н. Г., Христофоров В. А., Ушакова Н. П. Методы ядерной спектрометрии. М. Энергоатомиздат, 1990. Коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов высоких энергий): рентгеновское излучение; гамма-излучение. Потоки частиц: бета-частиц (электронов и позитронов); нейтронов; протонов, мюонов и других элементарных частиц; ионов, в том числе альфа-частиц, осколков деления (возникающих при делении ядер), кластеров (лёгких ядер, испускаемых при кластерном распаде).
Источники ионизирующего излучения Природные источники ионизирующего излученияАбрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.: Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов. Термоядерные реакции, например, на Солнце. Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер. Космические лучи.
Искусственные источники ионизирующего излучения: Искусственные радионуклиды. Ядерные реакторы. Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных или нейтральных частиц, а также тормозное, синхротронное и переходное фотонное излучения). Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.
Наведённая радиоактивность Многие стабильные атомы в результате облучения и соответствующей индуцированной ядерной реакции превращаются в нестабильные изотопы. В результате такого облучения стабильное вещество становится радиоактивным, причём тип вторичного ионизирующего излучения будет отличаться от первоначального облучения. Наиболее ярко такой эффект проявляется после нейтронного облучения. Типичным примером является кобальт, который в природе находится только в виде одного стабильного изотопа — кобальта-59. Его сечение захвата тепловых нейтронов высокое, и он легко становится радиоактивным кобальтом-60, имеющим период полураспада около 5 лет. Природное железо содержит изотоп железо-54, который, захватывая нейтрон, становится относительно долгоживущим (период полураспада — чуть больше 2,5 лет) железом-55, излучающим характеристическое рентгеновское излучение и оже-электроны в процессе электронного захвата.
В то же время облучение вещества рентгеновскими лучами и низкоэнергетичными (ниже нескольких МэВ) гамма-квантами и бета-частицами не приводит к наведённой радиоактивности, поскольку их энергии недостаточно для ядерных реакций, превращающих стабильные ядра в радиоактивные.
Цепочка ядерных превращений В процессе ядерного распада или синтеза возникают новые нуклиды, которые также могут быть нестабильны. В результате возникает цепочка ядерных превращений. Каждое превращение имеет свою вероятность и свой набор ионизирующих излучений. В результате интенсивность и характер излучений радиоактивного источника может значительно меняться со временем.
Измерение ионизирующих излучений
Методы измерения
Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещённую в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.
В качестве датчиков ионизирующего излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Некоторые приборы снабжаются специальным фильтром, преобразующим бета-излучение в гамма-кванты за счёт тормозного излучения. Счётчики Гейгера плохо селектируют излучения по энергии, для этого используют другую разновидность газоразрядного счётчика, т. н. пропорциональный счётчик.
Существуют полупроводниковые датчики ионизирующего излучения. Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объём полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.
Широкое применение в науке получили сцинтилляторы. Эти приборы преобразуют энергию излучения в видимый свет за счёт поглощения излучения в специальном веществе. Вспышка света регистрируется фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляторы хорошо разделяют излучение по энергиям.
Для исследования потоков элементарных частиц применяют множество других методов, позволяющих полнее исследовать их свойства, например, пузырьковая камера, камера Вильсона.
Единицы измерения Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важные показатели взаимодействия ионизирующего излучения с веществом: линейная передача энергии (ЛПЭ), показывающая, какую энергию излучение передаёт среде на единице длины пробега при единичной плотности вещества. поглощённая доза излучения, показывающая, какая энергия излучения поглощается в единице массы вещества.
В Международной системе единиц (СИ) единицей поглощённой дозы является грэй (русское обозначение: Гр, международное: Gy), численно равный поглощённой энергии в на массы вещества. Иногда встречается устаревшая внесистемная единица рад (русское обозначение: рад; международное: rad): доза, соответствующая поглощённой энергии на вещества. . Не следует путать поглощённую дозу с эквивалентной дозой .
Также широко применяется устаревшее понятие экспозиционная доза излучения — величина, показывающая, какой заряд создаёт фотонное (гамма- или рентгеновское) излучение в единице объёма воздуха. Для этого обычно используют внесистемную единицу экспозиционной дозы рентген (русское обозначение: Р; международное: R): доза фотонного излучения, образующего ионы с зарядом в в воздуха. В системе СИ используется единица (русское обозначение: Кл/кг; международное: C/kg): // Физическая энциклопедия.
Активность радиоактивного источника ионизирующего излучения определяется как среднее количество распадов ядер в единицу времени. Соответствующая единица в системе СИ беккерель (русское обозначение: Бк; международное: Bq) обозначает количество распадов в секунду. Применяется также внесистемная единица кюри (русское обозначение: Ки; международное: Ci). . Первоначальное определение этой единицы соответствовало активности радия-226.
Корпускулярное ионизирующее излучение также характеризуется кинетической энергией частиц. Для измерения этого параметра наиболее распространена внесистемная единица электронвольт (русское обозначение: эВ, международное: eV). Как правило радиоактивный источник генерирует частицы с определённым спектром энергий. Датчики излучений также имеют неравномерную чувствительность по энергии частиц.
Свойства ионизирующих излучений
По механизму взаимодействия с веществом выделяют непосредственно потоки заряженных частиц и косвенно ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов). По механизму образования — первичное (рождённое в источнике) и вторичное (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом) ионизирующее излучение.
Энергия частиц ионизирующего излучения лежит в диапазоне от нескольких сотен электронвольт (рентгеновское излучение, бета-излучение некоторых радионуклидов) до 1015—1020 и выше электронвольт (протоны космического излучения, для которых не обнаружено верхнего предела по энергии).
Длина пробега и проникающая способность сильно различаются — от микрометров в конденсированной среде (альфа-излучение радионуклидов, осколки деления) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).
Воздействие на конструкционные материалы Длительное воздействие корпускулярных излучений или фотонных излучений сверхвысоких энергий может существенно изменять свойства конструкционных материалов. Изучением этих изменений занимается инженерная дисциплина радиационное материаловедение. Раздел физики, занимающийся исследованием поведения твёрдых тел под облучением, получил название радиационная физика твёрдого тела. Наиболее значимыми типами радиационных повреждений является: разрушение кристаллической решётки вследствие выбивания атомов из узлов; ионизация диэлектриков; изменение химического состава веществ вследствие ядерных реакций.
Учёт радиационных повреждений инженерных конструкций наиболее актуален для ядерных реакторов и полупроводниковой электроники, рассчитанной на работу в условиях радиации.
Воздействие на полупроводники Современные полупроводниковые технологии чувствительны к ионизирующей радиации. Тем не менее они широко применяются в военной и космической технике, в ядерной индустрии. При этом используется ряд технологических, схемотехнических и программных решений, уменьшающих последствия радиационного воздействия.
Основные типы радиационных повреждений, приводящих к разовым или необратимым отказам полупроводниковых приборов: Накопление электрического заряда в диэлектриках вследствие ионизации. Приводит к смещению порога открывания полевых транзисторов и долговременному отказу. Уменьшение топологических норм увеличивает стойкость к такого типа повреждениям. Стекание заряда в EEPROM и Flash памяти вследствие ионизации диэлектрика «кармана». Приводит к потере данных. Борются резервированием, избыточным кодированием и использованием других видов памяти. Фотоэффект на p-n-переходах (аналогично солнечным батареям). Увеличивает паразитные утечки и ложные сигналы. Для борьбы с этим явлением используются специальные технологии, например изоляция компонентов диэлектриком.