При создании этого раздела в основном были использованы материалы монографий и обзора .
Изотопные источники гамма-квантов
Обычно в качестве радиоактивных источников гамма-квантов
используются бета-активные
изотопы. На рис. 1 в качестве примера показаны схемы распада 60 Co и
22 Na. Ядро 60 Co в основном распадается на возбужденное
состояние 4 +
дочернего ядра 60 Ni посредством разрешенного гамов-теллеровского
перехода. Это возбужденное состояние переходит в основное посредством каскада E2-переходов
с энергиями гамма-квантов 1173 и 1333 кэВ. Ядро 22 Na испытывает
β + -распад. Также, как и в случае 60 Co,
распад происходит в основном на возбужденное состояние дочернего ядра. 22 Na
является источником γ -квантов с
энергией 1275 и 511 кэВ. Последние образуются в результате аннигиляции
позитронов.
Кроме бета-активных изотопов в качестве источников
гамма-квантов используются также изомеры , например 119m Sn. Период полураспада измерного состояния
119m Sn T 1/2 = 293.1 дня, энергия 23.9 кэВ. Кроме гамма-линии от
распада изомерного состояния 119m Sn является источником рентгеновских
квантов с энергиями 25.2 и 28.6 кэВ, которые сопровождают процесс внутренней конверсии ,
конкурирующим с гамма-переходом.
Собственные ширины γ -линий
на много порядков меньше энергий γ -квантов,
поэтому радиоактивные источники можно считать монохроматическими. Интенсивность
радиоактивных источников может быть доведена до 10 14 фотонов в
секунду.
В табл. 1 показаны бета-активные изотопы, которые
используются в образцовых спектрометрических источниках (ОСГИ), применяемых в
качестве рабочих эталонов для поверки и градуировки средств измерений фотонного
излучения.
| E γ , кэВ | ||||||||
| 22 Na | 2.6027 лет | 1274.54 | 109 Cd | 461.4 дней | 88.0 | 152 Eu | 13.51 лет | 121.78 - 1408.0 |
| 44 Ti | 60.0 лет | 68.9 78.3 1157.0 |
113 Sn | 115.1 дней | 255.1 391.7 |
153 Gd | 240.4 дней | 97.4 103.2 |
| 54 Mn | 312.2 дней | 834.8 | 134 Cs | 2.065 лет | 563.2 569.3 604.7 795.8 |
207 Bi | 32.9 лет | 569.7 1063.6 |
| 55 Fe | 2.741 лет | 5.9 6.5 |
228 Th + дочерние |
1.911 лет | 84.4 - 2614.5 |
|||
| 57 Co | 271.8 дней | 14.4 122.1 136.5 |
133 Ba | 10.54 лет | 81.0 276.4 302.9 356.0 383.85 |
241 Am | 432.6 лет | 26.3 56.5 |
| 60 Co | 5.271 лет | 1173.2 1332.5 |
243 Am | 7370 лет | 43.5 74.7 |
|||
| 65 Zn | 244.06 дней | 1115.54 | 137 Cs | 30.018 лет | 661.7 | |||
| 88 Y | 106.6 дней | 898.0 1836.1 |
139 Ce | 137.64 дней | 165.9 | |||
Гамма-кванты из ядерных реакций
Монохроматические γ-кванты более высокой энергии можно получить, используя ядерные реакции, которые приводят к сильному возбуждению конечного ядра. Если ядро сильно возбуждено, то вероятность его распада Г определяется соотношением
Г = Г x + Г γ ,
где Г x - вероятность испускания ядром нуклонов и более сложных
частиц, а Г γ
- вероятность излучения γ-кванта.
Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклона,
то Г x = 0 и Г = Г γ .
Вероятность излучения γ-кванта Г γ
также велика при возбуждениях ядер, вызванных захватом медленных нейтронов. В
этом случае Г= Г n + Г γ ,
где Г n - вероятность обратного испускания нейтрона, причем для многих
ядер Г γ > Г n .
Испускание γ-квантов при захвате медленных
нейтронов называется радиационным захватом или реакцией (n,γ).
При радиационном захвате медленных нейтронов обычно
образуются γ-кванты с энергиями от 4 до 11
МэВ (энергии связи нейтронов в различных ядрах). Энергетический спектр
γ-квантов такого источника содержит одну или несколько линий.
Создание достаточно интенсивных источников
γ-квантов путем радиационного захвата нейтронов предполагает
использование мощных ядерных реакторов. Современные ядерные реакторы позволяют
получать интенсивности γ-квантов
радиационного захвата до 10 8 квант/с.
Неизбежным недостатком γ-источников такого
типа является большой нейтронный фон.
Если энергия возбуждения ядра значительно превышает энергию
связи нуклона, то, как правило, возбуждение будет сниматься испусканием
протонов, нейтронов или более сложных частиц. Однако и здесь возможны особые
случаи, когда Г x 0 и Г Г γ .
Рассмотрим в качестве примера состояние 1 + в ядре
8 Ве, имеющее энергию возбуждения 17.64 МэВ. Оно лежит ниже порога
испускания нейтрона (18.9 МэВ), а обычный распад ядра 8 Ве, идущий по
схеме 8 Ве→
2α,
запрещен, поскольку система двух
α-частиц может находиться лишь в
состояниях 0 + , 2 + , 4 +
и т. д. Поэтому указанное выше состояние в 8 Ве распадается с
излучением γ-кванта. Спектр
γ-квантов содержит две линии: при переходе в
основное состояние 0 + испускаются γ-кванты
с энергией 17.64 МэВ (узкая линия), при переходе на первое возбужденное
состояние 2 + - γ-кванты с
энергией 14.74 МэВ (широкая линия), При этом интенсивность первой линии примерно
в два раза превосходит интенсивность второй.
Для возбуждения состояния ядра 8 Ве с энергией
17.64 МэВ используется захват ядром 7 Li протонов с Е р = 440кэВ:
За счет уменьшения толщины литиевой мишени энергетическая ширина
γ 0 -линии (17.64 МэВ) может быть доведена примерно до 12 кэВ.
Варьируя энергию протонов Е р, можно плавно менять
энергию γ-квантов поскольку эти величины
связаны соотношением
E(γ 0) = (17.25+
7/8Е р) МэВ,
Е(γ 1) = (14.35 + 7/8Е р)
МэВ.
Однако возможности изменения энергии сильно ограничены, так как увеличение
энергии протонов приводит к быстрому уменьшению интенсивности
γ-излучения. Так, уже при Е р = 800-900 кэВ интенсивность
γ-квантов уменьшается примерно в 20 раз.
Кроме того, начинает доминировать γ-линия с
меньшей энергией.
Другой часто используемой реакцией является реакция 19 F(p,αγ) 16 О,
в которой генерируются три γ-линии с
энергиями 6.14, 6.92 и 7.12 МэВ, возникающие при распаде возбужденных состояний
ядра 16 О. Их относительные интенсивности можно менять, варьируя
энергии протонов. Так, при Е р = 2.05 МэВ 80%
γ-квантов испускается с энергией 7.12 МэВ. Энергетическая ширина
γ-линии 130 кэВ.
Реакция радиационного захвата протонов легкими ядрами
наиболее удобна для создания γ-источников
подобного типа. Одна из причин этого в том, что энергии связи протонов в легких
ядрах велики, что позволяет получать монохроматические
γ-кванты довольно больших энергий. Так, в реакции 3 Н(р,γ) 4 Не
(энергия связи протона в 4 Не - 19.81 МэВ) можно получить
γ-кванты с энергией более 20 МэВ. Энергетическая ширина
γ-пучка в этой реакции может быть доведена до 40 кэВ. Плавное увеличение
энергии протонов приводит и к плавному увеличению энергии
γ-квантов. Верхняя граница энергии протонного пучка определяется выходом
нейтронов в конкурирующей реакции 3 Н(р,n), начинающейся при Е р = 1.02 МэВ.
Получение удобного для экспериментов пучка монохроматических
γ-квантов с энергиями существенно большими 20 МэВ в реакции (p,γ),
так же как и в других ядерных реакциях, невозможно. Это связано с тем, что даже
легкие ядра, захватывая протоны с Е р >1МэВ, оказываются в области
энергий возбуждения, где уровни составного ядра начинают перекрываться. Кроме
того, при возрастании энергии возбуждения увеличивается доля, каскадных
γ-переходов. Все это приводит к сильному усложнению спектра
γ-квантов и неизбежной конкуренции распадов с вылетом нуклонов и других
частиц. Недостаток источников этого типа заключается также в сравнительно
невысокой интенсивности γ -квантов.
Диапазон плавного изменения энергии
γ-квантов у источников рассматриваемого типа
сильно ограничен.
Тормозное излучение от электронных ускорителей
Двигаясь с ускорением, быстрые электроны испускают
электромагнитное излучение, называемое тормозным. Для получения тормозного
γ -излучения
достаточно поток электронов направить на любую мишень. В этом случае тормозное
излучение возникает за счет ускоренного движения электронов в кулоновском поле
ядер и атомарных электронов мишени.
Энергетический спектр γ-квантов
тормозного излучения непрерывен и имеет верхнюю границу Т. Если полная энергия
электронов до взаимодействия с мишенью равна Е 0 , то
| Т = Е 0 - mc 2 , | (1) |
где mc 2 - энергия покоя электрона (0.511 МэВ). Исключая область
вблизи верхней границы, энергетический спектр тормозного излучения подчиняется
простой зависимости l/E γ , где E γ
- энергия испущенного γ-кванта.
Угловое распределение тормозного излучения обладает
азимутальной симметрией. Оно определяется лишь величиной угла
θ между направлениями движения фотонов и первичных электронов и
характеризуется резким максимумом в направлении движения электронного пучка до
взаимодействия с мишенью (т. е. при θ
= 0°). Наибольшая доля радиации заключена в пределах малого для
релятивистских электронов угла θ 0
< mc 2 /E 0 .
Отсюда следует, что по мере увеличения энергии электронов тормозное излучение
сосредоточивается во все более малом телесном угле.
Поскольку сечение тормозного излучения быстро растет с увеличением атомного номера мишени, то последняя обычно изготовляется из вещества с большим Z (платина, вольфрам и др.). На рис. 2 в качестве примера приведены спектры тормозного излучения при различных Е 0 , рассчитанные для платиновой мишени.
Любой ускоритель электронов может быть использован как источник тормозного излучения. Такие источники обеспечивают наиболее интенсивные потоки высокоэнергичных γ -квантов. При токе электронного пучка в 100 МкА и тормозной мишени толщиной в 0.01 радиационную длину интенсивность фотонов независимо от энергии падающих электронов приблизительно равна 6 . 10 12 / E γ фотонов на МэВ.
Методы монохроматизации гамма-излучения высокой энергии
Аннигиляция на лету быстрых позитронов
Суть метода состоит в использовании процесса аннигиляции
на лету позитронов, движущихся с релятивистскими скоростями.
Быстрый позитрон с энергией E pos , двигаясь в
веществе, может испытать аннигиляцию, не успев потерять сколько-нибудь
значительную часть своей первоначальной энергии. При аннигиляции позитрона
могут образовываться два и более фотонов. Наиболее вероятный процесс -
двухфотонная аннигиляция. Именно этот процесс и приводит к образованию
монохроматических фотонов. Образование большего числа фотонов, например трех,
приводит к непрерывному энергетическому распределению. Однако в связи с тем, что
сечение трехфотонной аннигиляции мало, ею можно пренебречь (трехфотонная
аннигиляция происходит в 370 раз реже, чем двухфотонная).
При двухфотонной аннигиляции, которую и будем рассматривать в дальнейшем,
образуется два γ-кванта с энергиями
 |
(2) |
| E γ2 = E pos - E γ1 + mc 2 , | (3) |
где θ - угол между направлением
испускания первого фотона и направлением движения позитрона.
Наиболее вероятно испускание двух фотонов в противоположных
направлениях под углами, близкими к 0 и 180° относительно направления движения
позитрона. При этом фотон, испускаемый под углом 0°, т. е. в переднем
направлении, уносит практически всю энергию. Действительно, полагая
θ
= 0 и mc 2 << E pos , из (2 и 3) получаем
Зависимость энергии аннигиляционных γ-квантов от угла θ (см. формулу (2) и рис. 3) приводит к тому, что спектр фотонов в конечном телесном угле не является строго монохроматичным. При увеличении энергии позитрона энергетический разброс уменьшается. Если пренебречь многократным рассеянием позитронов в веществе мишени, где происходит аннигиляция, то угол, в котором энергетический разброс не превышает величины
δ = ΔE γ1 /E γ1 ,
согласно оценкам равен (2E pos) 1/2 .
Поэтому, выделяя аннигиляционные фотоны, летящие в пределах достаточно малого
телесного угла, можно достичь весьма высокой степени монохроматизации
γ-излучения. Быстрые позитроны, необходимые для создания
аннигиляционногоизлучения, получают,направляя релятивистские электроны с полной
энергией E el
на мишень (конвертор) с высоким Z (тяжелые ядра). Тормозное излучение,
генерируемое в мишени, образует в этой же мишени электронно-позитронные пары.
Позитроны выходят из конвертора в широком телесном угле и имеют полные энергии в
интервале от 0 до E el - 2mс 2 . Располагающийся после
конвертора магнитный анализатор выделяет позитроны, энергии которых заключены в
узком интервале. Эти позитроны либо сразу, либо после дополнительного ускорения
направляются на аннигиляционную мишень с малым Z (легкие ядра). Образующиеся в
этой мишени аннигиляционные γ-кванты и
используются далее для проведения эксперимента.
Поскольку процесс образования аннигиляционных фотонов
является двухступенчатым, то выход монохроматического излучения очень мал.
Обычно вероятность рождения электроном позитрона в конверторе не превышает
10 -4
- 10 -3 , а выход аннигиляционных фотонов на один позитрон
приблизительно равен 10 -4 . Таким образом, выход
аннигиляционных фотонов на один электрон составляет величину не более 10 -8
- 10 -7 . Очевидно поэтому, что создание интенсивных потоков
аннигиляционного γ-излучения возможно лишь
при наличии сильноточных электронных ускорителей.
Рассмотрим в качестве примера монохроматор (рис. 4), работавший в Ливерморе (Калифорнийский университет, США) .
Электроны с энергией 150 кэВ инжектировались в первую
секцию линейного ускорителя. В конце секции перед попаданием на конвертор они
имели энергию около 10 МэВ. Конвертор, изготовленный из тантала (Z = 73) или
вольфрама (Z = 74), имел толщину около 2.5 мм. Позитроны, образующиеся в
конверторе, фокусировались магнитной линзой и ускорялись двумя следующими
секциями линейного ускорителя примерно до 30 МэВ. Перестройка секций ускорителя
с режима ускорения электронов на режим ускорения позитронов и наоборот
осуществлялась поворотом фазы высокочастотного электрического напряжения. Полный
выход позитронов на один электрон был равен 10 -5 . С
учетом того что магнитный анализатор отбирал для дальнейшего ускорения позитроны
с разбросом по энергии не более 1%, выход позитронов на один электрон составлял
величину около 10 -7 .
Необходимо отметить, что энергия позитронов, вводившихся во вторую
секцию линейного ускорителя, была примерно в три раза меньше энергии электронов,
попадавших на конвертор. Это было связано с тем, что энергетическое
распределение позитронов, выходящих из конвертора, имеет максимум при энергии,
соответствующей примерно одной трети энергии электронов. В качестве
аннигиляционной мишени использовался образец из LiH толщиной 0.15 мм. Выход
аннигиляционных фотонов на один позитрон для такой мишени был равен ~10 -11 .
Как уже упоминалось, конверторы изготовляют из материалов с
высоким Z, в связи с тем что выход позитронов зависит от вероятности двух
последовательных процессов: образования тормозного
γ-излучения и рождения электронно-позитронных пар, причем сечение каждого
из этих процессов растет, как Z 2 .
Выбор в качестве материала для аннигиляционной мишени веществ
с малым Z объясняется необходимостью максимального подавления относительного
вклада тормозного γ-излучения
позитронов, которое неизбежно сопровождает аннигиляционное
γ-излучение. Поскольку выход аннигиляционных
γ-квантов порционален Z, то для легких ядер соотношение между
числом аннигиляционных и тормозных γ-квантов
будет максимальным.
Таким образом, спектр γ-квантов,
возникающих при попадании на аннигиляционную мишень быстрых позитронов, не
является строго монохроматическим, так как содержит тормозное излучение.
Энергетические спектры γ-квантов,
рассчитанные для случая бериллиевой мишени, приведены на рис. 5. При этом
полагалось dE γ ,
равным 1 МэВ, а форма аннигиляционного пика считалась гауссовой и
соответствовала энергетическому разрешению 5%. Видно, что с увеличением E pos
соотношение между числом аннигиляционных и тормозных
γ-квантов
ухудшается. Действительно, число аннигиляционных
γ-квантов растет, как E pos , а число тормозных
γ-квантов в низкокоэнергетичной части спектра растет примерно как
E 2 pos .
Неизбежное присутствие тормозного
γ -излучения является недостатком описываемого метода
монохроматизации, так как приводит к необходимости получения конечного
результата в виде разности двух измерений. Вначале измеряют выход Y pos (E pos)
реакции с пучком фотонов, генерируемых аннигиляционной мишенью при попадании на
нее позитронов энергии E pos , а затем - выход реакции Y el (E el)
с пучком фотонов, возникающих в аннигиляционной мишени при попадании на нее
такого же числа позитронов или электронов той же энергии. В последнем случае
спектр фотонов чисто тормозной и разность Y pos (E pos) - Y el (E el)
есть выход исследуемой реакции, отвечающий пику аннигиляционного излучения.
Однако извлечение корректной информации о сечениях реакций на
основании экспериментальных данных о выходах представляет из себя нетривиальную
задачу и требует хорошего знания параметров аппаратной функции .
Сравнительно невысокая интенсивность аннигиляционных пучков
ограничивает их эффективное использование одним типом экспериментов - измерением
эффективных сечений фотонейтронных реакций. Недостаточно высокая интенсивность
аннигиляционного излучения в таких экспериментах может быть компенсирована
большим (до нескольких сот граммов) весом исследуемой мишени.
Меченые фотоны
В этом методе исследуемой мишени облучается пучком тормозного излучения, и для каждого случая фотоядерной реакции определяется энергия фотона, который эту реакцию вызвал. Осуществляется это следующим образом (см. рис. 6). Пучок электронов выводится из ускорителя и направляется на тормозную мишень, расположенную вне ускорительной камеры. Электрон с энергией E 0 , взаимодействуя с тормозной мишенью, испускает фотон с энергией E γ и выходит из нее с меньшей энергией Е. Фотон попадает далее на исследуемую мишень и вызывает фотоядерную реакцию. Поскольку E 0 , Е и E γ однозначно связаны соотношением
E γ = E 0 - Е,
то, измерив энергию Е рассеянного электрона и зарегистрировав его на
совпадение с продуктами фотоядерной реакции, можно найти энергию E γ
фотона, который эту реакцию вызвал (E 0 известна, так как определяется
режимом работы ускорителя). Энергию рассеянного электрона Е обычно определяют с
помощью магнитного спектрометра.
Энергию E γ можно варьировать, меняя энергии
E 0
и Е.
Энергетическое разрешение метода меченых фотонов определяется
главным образом разрешением магнитного спектрометра и в принципе может быть выше
энергетического разрешения метода аннигиляции на лету быстрых позитронов. Метод
меченых фотонов был впервые реализован на синхротроне Корнельского университета
(США). Монохроматор, использующий метод меченых фотонов, был создан также в 1961
г. в Иллинойском университете (США) . Его энергетическое разрешение равно 0.67%
для фотонов с энергией 11-19 МэВ. Максимальная интенсивность пучка фотонов
составила величину 5 . 10 5 фотонов в секунду. Вторичные
электроны детектировались шестью пластиковыми сцинтилляторами, расположенными в
фокальной плоскости магнитного спектрометра. Одновременно фиксировалась энергия
электронов Е и время их регистрации. Энергия нейтронов из реакций (γ,xn)
определялась методом времени
пролета .
К недостаткам метода меченых фотонов следует отнести необходимость
непосредственной регистрации продуктов ядерной реакции, что не позволяет
использовать ряд методов регистрации, например, метод наведенной активности.
Один из наиболее перспективных путей повышения интенсивности пучка меченых
фотонов - использование линейных ускорителей со стопроцентным рабочим циклом.
Однако, даже на таких ускорителях удается использовать лишь часть интенсивности
электронных пучков (см. табл. 2). Основное ограничение на интенсивность
накладывает быстродействие системы регистрации. (Характерное разрешающее время в
системах меченных фотонов составляет ~1 нс.)
| Ускоритель | E e , МэВ | J e , мкА | k,% | E γ , МэВ | ε | J, мкА | I, с -1 |
| Микротрон, Майнц | 180 | 60 | 100 | 80-174 | 60-65 | - | 5 . 10 7 |
| Микротрон, Иллинойс | 67 | 13 | 100 | 6-30 | 0.1 | ~10 7 | |
| Линейный ускоритель, Сендай | 600 | 0.5 | 80 | 120-530 | 0.1 | 3 . 10 6 |
Здесь E e - энергия электронов, J e - ток электронов, k - коэффициент заполнения пучка, E γ - энергия гамма-квантов, - эффективность системы мечения, J - используемый ток электронов при работе в режиме мечения фотонов, I - поток меченных фотонов в диапазоне ΔE γ /E γ 1%.
Комптон-эффект на покоящемся электроне
Для создания источника монохроматических фотонов
регулируемой энергии можно использовать комптон-эффект на покоящемся и
движущемся электроне (так называемый прямой и обратный комптон-эффект). В первом
случае пучок монохроматических -квантов, образующихся
в какой-либо ядерной реакции, испытывает рассеяние на электронах неподвижной
мишени. Во втором - фотонный пучок мощного лазера пучок рассеивается на
встречном пучке высокоэнергичных монохроматических электронов.
Использование прямого комптон-эффекта позволяет устранить
один из наиболее существенных недостатков пучков γ -квантов,
образующихся в ядерных реакциях - невозможность плавной регулировки энергии
фотонов. Действительно, энергия E γ0
падающего фотона связана с энергией E
γ
фотона после комптоновского рассеяния следующим соотношением:
Если рассеиватель занимает участок сферической поверхности, на которой расположены источник монохроматических фотонов фиксированной энергии и исследуемая мишень, то энергия всех фотонов, попадающих на исследуемую мишень, будет одной и той же (рис. 7). Эту энергию можно менять, перемещая либо мишень, либо γ -источник вдоль поверхности сферы.
В первых экспериментах с монохроматором такого типа
использовались γ -кванты
радиационного захвата тепловых нейтронов пластинкой кадмия (рассеиватель -
графит). Интенсивность рассеянных -квантов была такой,
что на расстоянии 10 м от источника на площадку в 1 см 2
падал 1 фотон в секунду в интервале энергий 1 эВ. Энергия
γ -квантов могла плавно меняться в интервале от 0.1 до 8.0 МэВ.
В другой установке этого типа использовались
γ -кванты радиационного захвата нейтронов в Ti и Ni. Рассеиватель
изготовлялся из алюминия. Энергия рассеянных
γ-квантов
менялась от 0.5 до 8.5 МэВ. Энергетическое разрешение было равно 1-3%, а
интенсивность фотонов 1 квант/эВ. с. см 2 .
Недостаток этого метода в том, что энергия рассеянных фотонов
ограничена сверху и без того не слишком высокой энергией
γ-квантов
радиационного захвата. Наиболее целесообразно использование
γ-квантов радиационного захвата медленных нейтронов, интенсивность
которых может быть очень высокой).
Обратное комптоновское рассеяние лазерных фотонов на электронах
Монохроматические γ -кванты
более высокой энергии можно получить, используя обратный комптон-эффект .
Комптон-эффект на движущемся электроне обладает важной
особенностью - в процессе рассеяния возникают фотоны значительно более жесткие,
чем рассеиваемые. Так при рассеянии световых фотонов на релятивистских
электронах рассеянные фотоны имеют энергию, сравнимую с энергией первичных
электронов. Действительно, обобщая выражение (6) для случая, когда электроны
движутся со скоростью v, можно получить
 |
(7) |
где Е 0 - полная энергия электрона до взаимодействия, а смысл углов θ и φ
поясняется рис. 8.
Таким образом, при фиксированных значениях Е 0 и E γ 0
энергия рассеянного фотона полностью определяется геометрией эксперимента
(углами и ).
Поскольку мы рассматриваем случай рассеяния фотонов не
слишком высокой энергии на ультрарелятивистских электронах, то Е 0
>> Е γ0
и третьим слагаемым в знаменателе выражения (7) можно пренебречь. В этом
приближении
Из соотношения видно, что даже в случае использования
источника фотонов малой энергии энергия рассеянных фотонов может быть сколь
угодно большой за счет повышения энергии электронов. Это открывает возможность
получения интенсивного пучка монохроматических
γ-квантов
высокой энергии за счет использования мощных лазеров. Действительно, при
рассеянии фотонов рубинового лазера (Е γ0
= 1.78 эВ) на электроне с энергией 6 ГэВ E γ max = 848 МэВ.
Энергию рассеянных фотонов можно варьировать либо изменением
энергий Е 0 и Е γ0 , либо
изменением угла наблюдения - φ. С увеличением Е 0 и Е γmax
растет очень быстро. При Е γ0
= 1.78 эВ:
| Е 0 | 1 ГэВ | 6 ГэВ | 40 ГэВ | 500 ГэВ |
| Е γmax | 28 МэВ | 848 МэВ | 20 ГэВ | 497 ГэВ |
Энергетическое разрешение пучка рассеянных фотонов зависит от степени их коллимации, т. е. разброса в угле θ - φ. Рассмотрим случай, когда фотон после рассеяния назад летит под малым углом относительно направления движения первичного пучка электронов (θ = 180° и θ - φ0°). Из соотношения (8) с учетом того, что vc, получаем
(максимальная энергия рассеянного фотона дается формулой (9)). Отсюда следует, что для оценки энергетического разрешения пучка рассеянных назад фотонов можно использовать выражение
 |
(12) |
Полагая
= 10 -5
рад, Е γ0
= 1.78 эВ и Е 0 = 8 ГэВ, получаем Е γmax
= 1.44 ГэВ и энергетическое разрешение около 2%. С ростом Е 0
энергетическое разрешение при том же угле коллимации ухудшается. Так, при Е 0 = 16 ГэВ
(Е γmax
= 4.7 ГэВ) оно равно 6.5%.
Интенсивность пучка монохроматических фотонов, получаемых с
помощью обратного комптон-эффекта, определяется как интенсивностью лазерного
излучения, так и интенсивностью электронного пучка. Число фотонов, излучаемое
мощными лазерами, достигает 10 20 в импульсе при длительности импульса
10 -8
с. Рассеяние такого числа фотонов на электронном сгустке такой же
длительности с числом электронов 10 11
позволит получить интенсивность монохроматических фотонов до 10 7
фотон/с при энергетическом разрешении около 5%.
Для получения комптоновских пучков целесообразно использовать
электронные накопители с током в несколько сотен миллиампер.
Метод обратного рассеяния был предложен в 1963 г. Первая
установка, на которой начались ядернофизические исследования была создана
во Фраскати (Ladone). С 1994 г. в Новосибирске ведутся исследования на
установках РОКК (Р
ассеянные О
братные К
омптоновские
К
ванты). В настоящее время на комптоновсих пучках ведутся
работы также в Брукхейвене на установке LEGS (L
aser E
lectron
G
amma S
ource), в Гренобле - GRAAL (GR
enoble
A
ccelerateur A
nneau L
aser), в
Японии - LEPS (L
aser E
lectron P
hoton
S
ource). В табл. 4 приведены основные параметры установок с
пучками обратных комптоновских фотонов.
| Установка | Ladone | Taladone | РОКК | LEGS | GRAAL | LEPS | ||
| 1 | 2 | 1М | ||||||
| Накопитель | Adone (Фаскати) |
ВЭПП-4,3,4М (Новосибирск) |
NSLS (Брукхейвен) |
ESRF (Гренобль) |
SPring-8 (Осака) |
|||
| Энергия электронов, ГэВ | 1.5 | 1.5 | 1.8-5.5 | 0.35-2.0 | 1.4-5.3 | 2.5 | 6.04 | 8.0 |
| Ток электронов, А | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.2 |
| Энергия лазерных фотонов, эВ | 2.45 | 2.45 | 2.34-2.41 | 2.41-2.53 | 1.17-3.51 | 3.53 | 3.53 | 3.5 |
| Энергия комптоновских квантов, МэВ | 5-80 | 35-80 | 100-960 | 140-220 | 100-1200 | 180-320 | 550-1470 | 150-2400 |
| Разрешение по энергии (FWHM), МэВ | 0.07-8 | 4-2 | 1.5-2 | 4 | 6 | 16 | 30 | |
| Интенсивность гамма-квантов, с -1 | 10 5 | 5 . 10 5 | 2 . 10 5 | 2 . 10 6 | 2 . 10 6 | 4 . 10 5 | 2 . 10 6 | 10 7 |
Видно, что в этих установках перекрывается широкий
диапазон энергий. Интенсивность пучка не превышает 10 7 с -1 .
Ограничение по интенсивности связано с выбиванием лазерным пучком электронов с
орбиты накопителя. Повышения интенсивности можно достичь, используя
длинноволновые лазеры, когда потери энергии электронов на излучение
гамма-квантов сравнительно невелики и электроны не теряются в накопителе, а
возвращаются на равновесную орбиту.
Для получения высокой монохроматичности пучка небольших
энергий (Е γ
<
100 МэВ)
используется коллимация пучка. Однако с увеличением энергии требуемый диаметр
коллиматора становится слишком малы, поэтому дополнительно применяется система
меченных фотонов.
Для примера на рис. 9 показана схема установки РОКК-2.
Преимущества метода обратного комптоновского рассеяния заключаются в том, что
- при довольно высокой интенсивности удается получить хорошую монохроматичность;
- фон тормозных низкоэнергетических фотонов, который в данном случае возникает только на остаточном газе вакуумной системы накопителя очень мал;
- можно плавно менять верхнюю границу комптоновского спектра, изменяя начальную энергию электронов;
- интенсивность пучка гамма-квантов слабо зависит от энергии электронов;
- можно получать гамма-кванты с линейной или циркулярной поляризацией, степень которой близка к 100%, поляризацией пучка легко управлять, изменяя поляризацию лазерных фотонов.
Квазимонохроматическое излучение фотонов из ориентированных монокристаллов
Спектр когерентного излучения из ориентированного кристалла, облучаемого электронами, кроме тормозной компоненты, один из которых (при меньшей энергии) имеет максимальную интенсивность. Метод был реализован во Фраскатти и Харькове. Обычно используются тонкие (~0.5-2 мм) монокристаллы алмаза. Настройка по энергии осуществляется вращением кристалла относительно направления падающего пучка. Во Фраскати при энергии электронов 1 ГэВ диапазон энергий гамма-квантов составлял 100-550 МэВ. Как во Фраскати, так и в Харькове были получены интенсивности ~10 10 c -1 при степени монохроматичности 10%.
Литература
- Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов. Взаимодействие электромагнитного излучения с атомными ядрами. Изд. МГУ, 1979.
- В книге В.Г. Недорезов, А.Н. Мушкаренков. Электромагнитные взаимодействия ядер главы и .
- В.Г. Недорезов, Ю.Н. Ранюк. Фотоделение ядер за гигантским резонансом. Киев, Наукова думка (1989).
Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).
Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.
Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).
Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.
Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.
Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.
Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.
Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.
Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.
Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).
В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.
Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.
Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).
Гамма излучение представляет собой довольно серьезную опасность для человеческого организма, да и для всего живого в общем.
Это электромагнитные волны с очень маленькой длиной и высокой скоростью распространения.
Чем же они так опасны, и каким образом можно защититься от их воздействия?
О гамме излучение
Все знают, что атомы всех веществ содержат в себе ядро и электроны, которые вращаются вокруг него. Как правило, ядро – это довольно стойкое образование, которому трудно нанести повреждения.
При этом существуют вещества, ядра которых неустойчивы, и при некотором воздействии на них происходит излучение их составляющих. Такой процесс называется радиоактивным, он имеет определенные составляющие, названные по первым буквам греческого алфавита:
- гамма излучения.
Стоит отметить, что радиационный процесс подразделяется на два вида в зависимости от того, что именно в результате выделяется.
Виды:
- Поток лучей с выделением частиц – альфа, бета и нейтронное;
- Излучение энергии – рентгеновское и гамма.
Гамма излучение – это поток энергии в виде фотонов. Процесс разделения атомов под воздействием радиации сопровождается образованием новых веществ. При этом атомы вновь образовавшегося продукта имеют довольно нестабильное состояние. Постепенно при взаимодействии элементарных частиц возникает восстановление равновесия. В результате происходит выброс лишней энергии в виде гаммы.
Проникающая способность такого потока лучей очень высока. Оно способно проникать через кожные покровы, ткани, одежду. Более тяжелым будет проникновение через металл. Чтобы задержать такие лучи необходима довольно толстая стена из стали или бетона. Однако длина волныγ-излучения очень мала и составляет меньше 2·10 −10 м, а ее частота находится в диапазоне 3*1019 – 3*1021 Гц.
Гамма частицами являются фотоны с довольно высокой энергией. Исследователи утверждают, что энергия гаммы излучения может превышать показатель 10 5 эВ. При этом граница между рентгеновскими и γ-лучами далеко не резкая.
Источники:
- Различные процессы в космическом пространстве,
- Распад частиц в процессе опытов и исследований,
- Переход ядра элемента из состояния с большой энергией в состояние покоя или с меньшей энергией,
- Процесс торможения заряженных частиц в среде либо движение их в магнитном поле.
Открыл гамма излучение французский физик Поль Виллар в 1900 году, проводя исследование излучения радия.
Чем опасно гамма-излучение
Гамма излучение является наиболее опасным, нежели альфа и бета.
Механизм действия:
- Гамма лучи способны проникать через кожные покровы внутрь живых клеток, в результате происходит их повреждение и дальнейшее разрушение.
- Поврежденные молекулы провоцируют ионизацию новых таких же частиц.
- В результате возникает изменение в структуре вещества. Пострадавшие частицы при этом начинают разлагаться и превращаться в токсические вещества.
- В итоге происходит образование новых клеток, но они уже с определенным дефектом и поэтому не могут полноценно работать.
Гамма излучения опасно тем, что такое взаимодействие человека с лучами не ощущается им ни в коей мере. Дело в том, что каждый орган и система человеческого организма реагирует по-разному на γ-лучи. Прежде всего, страдают клетки, способные быстро делиться.
Системы:
- Лимфатическая,
- Сердечная,
- Пищеварительная,
- Кроветворная,
- Половая.
Оказывается негативное влияние и на генетическом уровне. Кроме того, такое излучение имеет свойство накапливаться в человеческом организме. При этом в первое время оно практически не проявляется.
Где применяется гамма-излучение
Несмотря на негативное влияние, ученые нашли и положительные стороны. В настоящее время такие лучи применяются в различных сферах жизни.
Гамма излучение — применение:
- В геологических исследованиях с их помощью определяют длину скважин.
- Стерилизация различных медицинских инструментов.
- Используется для контроля внутреннего состояния различных вещей.
- Точное моделирование пути космических аппаратов.
- В растениеводстве применяется для вывода новых сортов растений из тех, что мутируют под воздействием лучей.
Излучение гамма частиц нашло свое применение в медицине. Используется оно в терапии онкологических больных. Такой метод имеет название «лучевая терапия» и основывается на воздействии лучей на быстро делящиеся клетки. В результате при правильном использовании появляется возможность уменьшить развитие патологических клеток опухоли. Однако такой метод, как правило, применяется в том случае, когда другие уже бессильны.
Отдельно стоит сказать о влияние его на мозг человека
Современные исследования позволили установить, что мозг постоянно испускает электрические импульсы. Ученые считают, что гамма излучения возникает в те моменты, когда человеку приходится работать с разной информацией одновременно. При этом небольшое количество таких волн ведет к уменьшению запоминающей способности.
Как защититься от гамма-излучения
Какая же защита существует, и что сделать, чтобы уберечься от этих вредных лучей?
В современном мире человек окружен различными излучениями со всех сторон. Однако гамма частицы из космоса оказывают минимальное воздействие. А вот то, что находится вокруг представляет гораздо большую опасность. Особенно это относится к людям, работающим на различных атомных станциях. В таком случае защита от гамма излучения состоит в применении некоторых мер.
Меры:
- Не находится длительное время в местах с таким излучением. Чем дольше времени человек находится под воздействием этих лучей, тем больше разрушений возникнет в организме.
- Не стоит находиться там, где расположены источники излучения.
- Необходимо использовать защитную одежду. В ее состав входит резина, пластик с наполнителями из свинца и его соединений.
Стоит отметить, что коэффициент ослабления гамма излучения зависит от того, из какого материала сделан защитный барьер. Так, например, лучшим металлом считается свинец в виду его свойства поглощать излучение в большом количестве. Однако он плавится при довольно низких температурах, поэтому в некоторых условиях используется более дорогой металл, например, вольфрам или тантал.
Еще один способ обезопасить себя – это измерить мощность гамма излучения в Вт. Кроме того, мощность измеряется также в зивертах и рентгенах.
Норма гамма излучения не должна превышать 0,5 микрозиверта в час. Однако лучше если этот показатель не будет выше 0,2 микрозиверта в час.
Чтобы измерить гамма излучение, применяется специальное устройство – дозиметр. Таких приборов существует довольно много. Часто используется такой аппарат, как «дозиметр гамма излучения дкг 07д дрозд». Он предназначен для оперативного и качественного измерения гамма и рентгеновского излучения.
У такого устройства есть два независимых канала, которые могут измерять МЭД и Эквивалент дозировки. МЭД гамма излучения это мощность эквивалентной дозировки, то есть количество энергии, которую поглощает вещество в единицу времени с учетом того, какое воздействие лучи оказывают на человеческий организм. Для этого показателя также существуют определенные нормы, которые обязательно должны быть учтены.
Излучение способно негативно влиять на организм человека, однако даже для него нашлось применение в некоторых сферах жизни.
Видео: Гамма-излучение
О вреде рентгенологического исследования знают многие. Есть и такие, кто слышал об опасности, которую представляют лучи из гамма-категории. Но далеко не все в курсе, что такое и какую конкретно опасность оно таит.
Среди многочисленных видов электромагнитного излучения существуют гамма-лучи. О них обыватели знают гораздо меньше, чем о рентгеновском излучении. Но это не делает их менее опасными. Главной особенностью этого излучения считается небольшая длина волны.
По своей природе они похоже на свет. Скорость их распространения в пространстве идентичная световой, и составляет 300 000 км/сек. Но из-за своих особенностей такое излучение несет сильное токсическое и травмирующее воздействие на все живое.
Главные опасности гамма-излучения
Основными источниками гамма-облучения числятся космические лучи. Также на их образование влияет распад атомных ядер различных элементов с радиоактивной составляющей и несколько других процессов. Вне зависимости от того, каким конкретно способом излучение попало на человека, оно всегда несет идентичные последствия. Это сильное ионизирующее воздействие.
Физики отмечают, что самые короткие волны электромагнитного спектра имеют самую большую энергетическую насыщенность квантов. Из-за этого гамма-фон получил славу потока с большим энергетическим запасом.
Его влияние на все живое заключается в следующих аспектах:
- Отравление и повреждение живых клеток. Вызвано это тем, что проникающая способность гамма-излучения отличается особенно высоким уровнем.
- Круговорот ионизации. По пути движения луча разрушенные из-за него молекулы начинают активно ионизировать следующую порцию молекул. И так до бесконечности.
- Трансформация клеток. Разрушенные подобным образом клетки вызывают сильные изменения в различных ее структурах. Получившийся результат негативно сказывается на организме, превращая здоровые компоненты в яды.
- Рождение мутированных клеток, которые не способны исполнять возложенные на них функциональные обязанности.
Но главной опасностью такого типа излучения считается отсутствие у человека особого механизма, направленного на своевременное обнаружение таких волн. Из-за этого человек может получить смертельную дозу облучения и даже сразу не понять этого.
Все органы человека по-разному реагируют на гамма-частицы. Некоторые системы справляются лучше других за счет сниженной индивидуальной чувствительности к столь опасным волнам.
Хуже всего такое воздействие сказывается на кроветворной системе. Объясняется это тем, что именно тут присутствуют одни из наиболее быстро делящихся клеток в организме. Также от такого облучения сильно страдают:
- пищеварительный тракт;
- лимфатические железы;
- половые органы;
- волосяные фолликулы;
- структура ДНК.
Проникнув в структуру цепочки ДНК, лучи запускают процесс многочисленных мутаций, сбивая природный механизм наследственности. Далеко не всегда врачи могут сразу определить, в чем причина резкого ухудшения самочувствия больного. Происходит это за счет длительного латентного периода и способности облучения накапливать вредоносное действие в клетках.
Области применения гамма-излучения
Разобравшись с тем, что такое гамма-излучение, людей начинает интересовать сфера использования опасных лучей.
Согласно последним исследованиям, при неконтролируемом стихийном воздействии излучения из гамма-спектра последствия дают о себе знать нескоро. В особо запущенных ситуациях облучение может «отыграться» на следующем поколении, не имея видимых последствий для родителей.
Несмотря на доказанную опасность таких лучей, ученые все равно продолжают использовать это излучение в промышленных масштабах. Зачастую его применение встречается в таких отраслях:
- стерилизация продуктов;
- обработка медицинского инструментария и техники;
- контроль над внутренним состоянием ряда изделий;
- геологические работы, где требуется определить глубину скважины;
- космические исследования, где нужно произвести замер расстояния;
- культивирование растений.
В последнем случае мутации сельскохозяйственных культур позволяют использовать их для выращивания на территории стран, изначально к этому не приспособленных.
Применяются гамма-лучи в медицине при лечении различных онкологических заболеваний. Метод получил название лучевой терапии. Он направлен на то, чтобы максимально сильно воздействовать на клетки, которые делятся особо быстро. Но помимо утилизации таких вредных для организма клеток происходит убийство сопутствующих здоровых клеток. Из-за такого побочного эффекта врачи многие годы пытаются отыскать более результативные лекарства для борьбы с раком.
Но существуют такие формы онкологии и сарком, от которых избавиться любым другим известным науке методом не получится. Тогда и назначается лучевая терапия, чтобы в сжатые сроки подавить жизнедеятельность патогенных опухолевых клеток.
Другие сферы использования излучения
Сегодня энергия гамма-излучения изучена достаточно хорошо, чтобы понимать все сопутствующие риски. Но еще лет сто назад люди относились к такому облучению более пренебрежительно. Их познания в свойствах радиоактивности были ничтожно малы. Из-за такого незнания многие люди страдали от непонятных для докторов прошлой эпохи болезней.
Встретить радиоактивные элементы можно было в:
- глазури для керамики;
- ювелирных украшениях;
- старинных сувенирах.
Некоторые «приветы из прошлого» могут нести в себе опасность даже сегодня. Особенно это касается частей устаревшего медицинского или военного оборудования. Их находят на территории заброшенных воинских частей, госпиталей.
Также огромную опасность представляет радиоактивный металлолом. Он может нести угрозу сам по себе, а может быть найден на территории с повышенной радиацией. Чтобы избежать скрытого воздействия от предметов металлолома, найденного на свалке, каждый объект нужно проверять со специальным оборудованием. Он может выявить его настоящий радиационный фон.
В «чистом виде» наибольшую опасность гамма-излучение представляет из таких источников:
- процессы в космическом пространстве;
- опыты с распадом частиц;
- переход ядра элемента с высоким содержанием энергии в состоянии покоя;
- движении заряженных частиц в магнитном поле;
- торможении заряженных частиц.
Первооткрывателем в области изучения гамма-частиц стал Поль Виллар. Этот французский специалист в сфере физических изысканий заговорил о свойствах излучения гамма-лучей еще в 1900 году. Натолкнул его на это эксперимент по изучению особенностей радия.
Как защититься от вредоносного излучения?
Чтобы защита зарекомендовала себя в качестве действительно эффективного блокиратора, нужно подходить к ее созданию комплексно. Причина тому – естественные излучения электромагнитного спектра, которые окружают человека постоянно.
В обычном состоянии источники подобных лучей считаются относительно безвредными, так как их доза минимальна. Но помимо затишья в окружающей среде существуют и периодические всплески облучения. Жителей Земли от космических выбросов защищает удаленность нашей планеты от других. Но спрятаться от многочисленных атомных электростанций у людей не получится, ведь они распространены повсеместно.
Оборудование таких учреждений несет особую опасность. Ядерные реакторы, а также различные технологические контуры представляют угрозу для среднестатистического гражданина. Ярким тому примером выступает трагедия на Чернобыльской АЭС, последствия которой всплывают до сих пор.
Чтобы свести к минимуму влияние гамма-излучения на организм человека на особо опасных предприятиях, была введена собственная система безопасности. Она включает в себя несколько основных пунктов:
- Ограничение по времени нахождения вблизи опасного объекта. Во время операции по ликвидации последствий на ЧАЭС каждому ликвидатору предоставлялось всего несколько минут для проведения одного из многочисленных этапов общего плана по устранению последствий.
- Ограничение по расстоянию. Если позволяет ситуация, то все процедуры должны производиться в автоматическом режиме максимально удаленно от опасного объекта.
- Наличие защиты. Это не только специальная форма для работника особо опасного производства, но и дополнительные защитные барьеры из разных материалов.
В качестве блокиратора для таких барьеров выступают материалы с повышенной плотностью и высоким атомным номером. Среди наиболее распространенных принято называть:
- свинец,
- свинцовое стекло,
- стальной сплав,
- бетон.
- свинцовой пластины толщиной в 1 см;
- бетонной прослойки 5 см по глубине;
- водной толщи глубиной 10 см.
Все вместе это позволяет снизить излучение в два раза. Но полностью от него избавиться все равно не получится. Также свинец невозможно использовать в среде повышенных температур. Если в помещении постоянно держится режим высокой температуры, то легкоплавкий свинец делу не поможет. Его необходимо заменить дорогостоящими аналогами:
- вольфрамом,
- танталом.
Все сотрудники предприятий, где поддерживается высокая гамма-радиация, обязаны носить регулярно обновляющуюся спецодежду. Она содержит в себе не только свинцовый наполнитель, но и резиновое основание. При необходимости костюм дополняют противорадиационные экраны.
Если же радиация накрыла большой участок территории, то лучше сразу спрятаться в специальное укрытие. Если его поблизости не оказалось, можно воспользоваться подвалом. Чем толще стена такого подвала, тем ниже вероятность получить высокую дозу радиации.
Мало кто из нас знает о таком явлении, как гамма-излучение, так как не все мы обладаем специальными познаниями в области физики.
Итак, гамма-излучение представляет собой одну из многочисленных разновидностей электромагнитного излучения. в данном случае очень невелика, как и ее волновые свойства. История открытия данного излучения началась больше ста лет назад. В 1900 году это явление было открыто одним из французских физиков - Полем Виллардом. А произошло это открытие совершенно случайно в результате исследования радия.
Гамма-лучи по-своему уникальны и имеют ряд уникальных свойств. Основные процессы возникают при проникновении данного излучения через определенные виды веществ. Фотоэффект таких лучей основывается на возникновении электронов в веществе при воздействии на него света. Фотоэффект в данном случае может быть как внешним, так и внутренним.
Комптон-эффект - еще одно свойство гамма-излучения, которое также заслуживает особого изучения. В данном случае отмечается увеличение электромагнитной волны. Это явление было открыто в далеком 1923 году.
Образование пар - очередное уникальное свойство гамма-лучей. В результате определенной реакции, квант, расположенный в самом центре ядра, становится и электроном, и позитроном. А вот благодаря ядерному эффекту такого излучения гамма-квант способен выбивать из ядра нуклоны. Гамма-излучение в современном мире применяется в самых разных областях жизни человечества. Гамма-дефектоскопия, например, позволяет контролировать работу многих аппаратов и изделий при помощи специальных лучей. Консервирование многих продуктов также происходит с использованием подобных лучей. При этом срок годности заготовок значительно увеличивается, а о каких-либо вредных последствиях и вовсе не может быть и речи.
С использованием гамма-излучения проводятся процессы стерилизации оборудования, медицинских инструментов, некоторых продуктов питания. В медицине такие лучи также нашли область своего применения. При помощи например, лечится огромное количество разновидностей злокачественных опухолей. Согласитесь, это немаловажный вклад в развитии медицины, так как это удается далеко не каждому лекарственному препарату. При использовании гамма-лучей мы наблюдаем достаточно неплохие результаты в лечении онкологических заболеваний и к тому же при относительно небольших затратах. Да и вообще, гамма-лучи благодаря своим специфическим свойствам смогли существенно продвинуть медицину вперед.
Гамма-каротаж является неотъемлемой частью геологии. Используя различные источники гамма-излучения, геологи измеряют глубину скважин. А вот гамма-высотомер - это способ точно определить расстояние, преодолеваемое То есть данные излучения нашли активное применение и в космонавтике, и в геологии, и в медицине, и на производстве. Но при всех этих положительных моментах гамма-излучение имеет и некоторые недостатки, о которых необходимо обязательно знать. Из-за продолжительного контакта с квантами, например, возникает опасное заболевание - лучевая болезнь. Самым серьезным последствием такого облучения являются различные виды онкологических болезней.
Кроме того, данные лучи обладают еще и тератогенным воздействием на организм, в результате которого происходят мутация и эмбриональное нарушение нормального развития. По сути, гамма-излучение - это та же самая радиация, о которой мы много слышали, но о которой мало знаем. Хотя при правильном использовании в небольших дозах с использованием современного оборудования данные излучения способны существенно облегчить и улучшить жизнедеятельность человека!