Kiirgusefektid. Ioniseeriva kiirguse ja aine vastasmõju tunnused

Laetud osakeste lineaarne energiaülekanne (LET) neelavas aines (või L) on keskmise energia dE suhe, mille liikuv laetud osake neelavale ainele edastab kokkupõrgete tõttu, kui see liigub selle kaugusele dl:

L = dE / dl. (2.4)

Mõiste LET on tihedalt seotud seiskamisjõuga S. Peamine erinevus seisneb selles, et LET on seotud neelavale ainele ülekantava energiaga, samas kui

kuidas S iseloomustab neelduva aine omadust, näidates, kui tõhusalt kaotab aines olev laetud osake energiat, s.t. kui tõhusalt võtab neelduja laetud osakeselt energiat.

LET on kiirguskaitses oluline, kuna seda kasutatakse antud kiirgusvälja kvaliteediteguri arvutamiseks.

LET, nagu ka seiskamisjõudu S, mõõdetakse ühikutes keV / μm.

RASKETE LAEDUD OSAKESTE KOOSTAMINE AINEGA

Laetud osakeste vastastikmõju jaguneb elastseks ja mitteelastseks.

Elastsed vastasmõjud on sellised, mille puhul interakteeruvate osakeste kineetiliste energiate summa enne ja pärast vastastikmõju jääb muutumatuks. Elastne hajutamine on selline protsess.

Ebaelastses interaktsioonis kandub osa laetud osakese kineetilisest energiast üle tekkivatele osakestele ehk footonitele; teine ​​osa kineetilisest energiast kantakse üle aatomile või tuumale nende ergastamiseks või ümberkorraldamiseks. Nende interaktsioonide hulka kuuluvad mitteelastne hajumine, aatomite ionisatsioon ja ergastamine ning tõkestamise moodustumine.

Vaatleme α-osakeste näitel raskete laetud osakeste vastastikmõju ainega. α-osake on heeliumi aatomi tuum, sellel on topeltpositiivne laeng ja neli massiühikut. α-osakese mass on 4,002777 amu. Raskete elementide radionukliidid lagunevad peamiselt. Looduslike ja tehislike radionukliidide poolt kiiratavate α-osakeste (E α) energia jääb vahemikku 4,0–9,0 MeV. Niisiis, 239 Pu puhul E α = 5,15 MeV, 210 Po puhul - 5,3 MeV, 226 Ra puhul - 4,777 MeV. α-osakeste liikumiskiirus on suurusjärgus 10 9 cm/sek.

Aine läbimisel kulub α-osakese energia peamiselt neelava keskkonna aatomite ioniseerimisele ja ergastamisele (ionisatsioonikaod), mida E α> 0,1 MeV juures saab väljendada valemiga:

kus E α - α-osakese kineetiline energia; e on elektronide laeng; z on α-osakese laeng;

Z on absorbendi seerianumber; n on aatomite arv 1 cm 3 aines; B on pidurdustegur; m umbes - elektronide puhkemass; V on osakeste kiirus.

α-osakeste üks iseloomulikumaid omadusi on see, et neil on teatud ulatus. Monoenergeetiliste α-osakeste keskmine vahemik Ra arvutatakse tavaliselt empiiriliste valemite abil. Õhus tavatingimustes

(2.6)

kus R α - läbisõit, cm; - alfaosakeste kineetiline energia, MeV;

n on empiiriliselt määratud dimensioonita koefitsient.

Looduslike α-emitrite poolt eralduvate α-osakeste puhul (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.

Niisiis, α-osakesed energiaga E α = 5 MeV jooksevad õhus 3,52 cm kaugusel ja energiaga E α = 30 MeV - 68 cm.

α-osakese teepikkuse muus keskkonnas saab määrata Braggi valemiga:

(2.7)

või Glesseni valemiga:

(2.8)

kus E α on α-osakese energia MeV; A on aatommass; Z - seerianumber;

ρ on absorbeeriva aine tihedus, g / cm 3.

Teekonna lõpuks väheneb α-osakese energia nii palju, et ta ei suuda enam ionisatsiooni tekitada ja, olles enda külge kinnitanud kaks elektroni, muutub heeliumi aatomiks. α-osakeste täielik ionisatsioon ulatub mitmesaja tuhande ioonipaarini. Näiteks moodustub α-osake energiaga 7 MeV vastavalt (2.1)

ioonide paarid.

Mida suurem on α-osakese energia, seda suurem on selle ulatus ja seda rohkem moodustuvad ioonipaarid.

Lineaarne ionisatsioonitihedus sõltub ka α-osakese energiast, kuid sõltuvus on pöördvõrdeline – mida väiksem on osakese energia ja seega ka kiirus, seda suurem on tõenäosus tema interaktsiooniks orbitaalelektronidega. Õhu ionisatsiooni lineaarne tihedus α-osakese poolt, näiteks 210 Po korral (E α = 5,3 MeV, lineaarvahemik R = 3,87 cm, ioonipaari moodustumise energia ε = 33,85 eV / paar) on määratakse valemiga (2.2)

ioonipaarid / cm.

Spetsiifiline ionisatsioon saavutab maksimaalse väärtuse jooksu lõpus.

Õhu lineaarne ionisatsioonitihedus piki α-osakese liikumisteed on näidatud joonisel 2.4. Joonisel on näha, et lineaarne ionisatsioonitihedus jaotub ebaühtlaselt, suureneb tee lõpu poole ja langeb seejärel järsult nullini. Näiteks α-osake energiaga 4,8 MeV õhus tee alguses moodustab 2 · 10 4 paari ioone / cm ja tee lõpus 6 · 10 4 paari ioone / cm. Ionisatsioonitiheduse suurenemine raja lõpus, millele järgneb järsk langus nullini, on seletatav asjaoluga, et aeglustuv α-osake kaotab ainest läbi liikudes oma kiiruse; järelikult pikeneb selle tee lõpus oleva aatomi läbimise aeg ja sellest tulenevalt ka tõenäosus, et elektronile läheb üle energia, mis on piisav selle aatomist väljarebimiseks. Kui α-osakese kiirus muutub

võrreldav aineaatomite liikumiskiirusega, siis α-osake haarab ja hoiab kinni esmalt ühe ja seejärel teise elektroni ning muutub heeliumi aatomiks - ionisatsioon peatub.

Riis. 2.4. Õhu lineaarne ionisatsioonitihedus piki α-osakese liikumisteed.

Sama energiaga (monoenergeetilised) α-osakesed neelduris läbivad praktiliselt sama vahemaa, s.o. alfaosakeste arv peaaegu kogu teekonna ulatuses langeb pidevalt ja järsult tee lõpus nullini. Monoenergeetiliste α-osakeste teejaotuse spekter on näidatud joonisel 2.5. Integraalkõverat eristades on võimalik saada α-osakeste vahemike jaotuskõver keskmise väärtuse R 0 ümber - α-osakeste keskmine vahemik.

α-osakeste ulatus on nende suure massi tõttu praktiliselt sirgjooneline, mis ei lase α-osakesel aatomi elektrijõudude toimel sirgjooneliselt rajalt kõrvale kalduda. Vaatamata α-osakeste suurele energiale on nende läbitungimisvõime ja ulatus äärmiselt väikesed, näiteks õhus 4 × 10 cm ning inimese pehmetes kudedes, vedelates ja tahketes ainetes, on see mitu mikronit.

Riis. 2.5. Monoenergeetiliste α-osakeste vahemike jaotusspekter: 1 - integraal; 2 - diferentsiaal.

Kui energia muutub 1-lt 10 MeV-le, muutub α-osakeste maksimaalne vahemik õhus vahemikus 0,52 kuni 10,5 cm ja E α = 5 MeV juures 3,52 cm ning bioloogilises koes vahemikus 7,2 10 -1 kuni 1,2 · 10 -2 cm, E α juures = 5 MeV R max = 4,4 · 10 -3 cm.

KERGE LAEGUNUD OSAKESTE KOOSTÖÖ AINEGA

Vaatleme valguse laenguga osakeste vastastikmõju ainega, kasutades näitena β-osakesi. β-osakesed on elektronide või positronite voog. Elektron ja positron

neil on sama mass ja sama laeng, kuid erinevad laengu märgi poolest. Elektroni mass on 0,000549 amu. Erinevalt α-osakestest on β-osakestel pidev, pidev energiaspekter.

Sõltuvalt β-osakeste energiast eristatakse pehmet ja kõva β-kiirgust. β-osakesi energiaga kuni mitukümmend keV nimetatakse pehmeks β-kiirguseks ja suure energiaga osakesi kõvaks β-kiirguseks.

β-osakeste läbimise protsess ainest on keerulisem kui α-osakeste läbimise protsess. Energia kulub ionisatsiooni- ja kiirguskadudele, β-osakeste hajumisele. Tuumareaktsioonid kulgevad ainult suure (üle 20 MeV) elektronenergia korral.

β-osakeste, aga ka α-osakeste ionisatsioonikaod on seotud absorbeerivate aatomite ionisatsiooni ja ergastumisega, kuid β-osakeste ainega interaktsiooni tõenäosus on väiksem kui α-osakestel, kuna β- osakestel on α-osakestega võrreldes poole väiksem laeng ja mitu korda väiksem mass (7000 korda). Ionisatsiooni käigus löövad β-osakesed välja tiirlevad elektronid, mis võivad tekitada täiendava (sekundaarse) ionisatsiooni. Üldionisatsioon on primaarse ja sekundaarse ionisatsiooni summa. 1 µm teekonnal aines tekitab β-osake mitusada paari ioone. Aeglustatud elektron jääb vabaks või jääb aatomi poolt kinni ja on seotud olekus ning positron hävib.

Ionisatsioonikaod sõltuvad elektronide arvust neelduja aatomites. Suhtarvust saab arvutada elektronide arvu aine 1 cm 3-s

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

kus Ν ​​Α on Avogadro arv; A on aatommass; ρ on neelduja tihedus; Z on neelduva elemendi aatomnumber.

Järelikult ionisatsioonikaod (dЕ / dх) ioon ≈ ρ · Ζ / Α.

Kui Z muutub, muutub Z / A suhe 0,5-lt kergete ainete puhul 0,4-le plii puhul, st. erinevate elementide suhe Z / A muutub ebaoluliselt (välja arvatud vesinik, mille puhul Z / A = 1), mis võimaldab pidada seda suhet ligikaudu konstantseks. Seetõttu väljendades neelava kihi mõõdetud paksust mitte sentimeetrites, vaid ühikutes ρ · cm, s.o. g / cm 2 puhul võib järeldada, et antud energia β-kiirguse neeldumine on kõigi ainete puhul ligikaudu sama.

Absorbeerivate aatomite tuuma läheduses lendavad β-osakesed aeglustuvad tuuma väljas ja muudavad oma liikumissuunda. Energia vähenemine neelduva tuuma väljas oleva elektroni aeglustumise tagajärjel (kiirguskaod) seotud bremsstrahlungi emissiooniga.

Suure energiaga (mitu MeV) β-osakeste puhul määratakse kiirguskadude ja ionisatsioonikadude suhe avaldisega

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

kus E β m ax on β-osakeste pideva spektri maksimaalne energia või monoenergeetiliste elektronide algenergia;

Z on elemendi aatomnumber, milles elektronid on aeglustunud.

β-osakeste teatud energia juures on kiirguskaod proportsionaalsed ionisatsioonikadudega. Seda energiat nimetatakse kriitiliseks. Kui kiirgus- ja ionisatsioonikaod on võrdsed, määratakse kriitiline energia (E 0, MeV) avaldisega

E 0 = 800 / Z. (2.11)

Näiteks plii (Z = 82) jaoks on kriitiline energia E 0 = 800/82 ≈ 10 MeV.

Kuna β-osakeste mass on väike, iseloomustab neid hajutav toime. β-osakeste hajumine toimub kokkupõrgetel neelduja aine aatomite orbitaalelektronidega. Hajumise käigus kaob β-osakese energia suurte portsjonitena, mõnel juhul kuni poole võrra. Hajumine sõltub β-osakeste energiast ja neelduva aine olemusest: β-osakeste energia vähenemisel ja neelduja aine aatomarvu suurenemisel hajumine suureneb.

Absorberis hajumise tulemusena ei ole β-osakeste tee sirgjooneline, nagu α-osakestel, ja tegelik teepikkus neelduris võib ületada nende vahemikku 1,5-4 korda. Maksimaalse energiaga β-osakeste teepikkusega võrdne ainekiht pärsib täielikult selle radionukliidi poolt emiteeritud β-osakesi.

Pideva spektriga β-osakeste neeldumine toimub eksponentsiaalselt. See on tingitud asjaolust, et erineva energiaga β-osakesed neelavad täielikult absorberi erinevad kihid:

φ = φ 0 exp (- μd), (2.12)

kus φ ο on β-osakeste esialgne voo tihedus; φ — β-osakeste voo tihedus pärast neelduri läbimist paksusega d; μ-lineaarne sumbumiskoefitsient, mis näitab neelduvate β-osakeste osa absorberi paksuse ühiku kohta.

Riis. 2.6. β-osakeste maksimaalse vahemiku sõltuvuse graafik nende maksimaalsest energiast.

β-osakeste, nagu ka α-osakeste, üks iseloomulikumaid omadusi on see, et neil on neelavas aines teatud vahemik ning kiirguskaitses kasutatakse kõige sagedamini olemasolevaid suhteliselt usaldusväärseid ja piisavaid andmeid nii maksimaalse energia E kohta. β ja maksimaalne vahemik R β. β-osakeste maksimaalse vahemiku sõltuvuse graafik mitme elemendi maksimaalsest energiast on näidatud joonisel fig. 2.6.

Alumiiniumi kasutatakse kõige sagedamini β-osakeste eest kaitsva materjalina. Empiirilised valemid ja tabelid β-osakeste maksimaalse vahemiku R β (nagu ka α-osakeste) maksimaalsest energiast sõltuvuse kohta on teatmekirjanduses toodud piisavalt üksikasjalikult.

β-osakeste maksimaalne ulatus õhus energia muutusega 1–10 MeV varieerub vahemikus 292–3350 cm ja bioloogilises koes vahemikus 0,335–4,3 cm. Kui E β = 5 MeV, on R β õhus 1,7 10 3 cm ja bioloogilises koes - 2,11 cm.

GAMMAKIIRGUSE KOOSTÖÖ AINEGA

Fotoonkiirgus viitab elektromagnetilisele kaudsele ioniseerivale kiirgusele ja hõlmab röntgeni- ja γ-kiirgust.

Röntgen- ja γ-kiirguse päritolu on erinev, kuid nende olemus on sama: klassikalise füüsika seisukohalt - elektromagnetkiirgus (lained) ja kvant - footonite voog (kvandid), s.o. osakesed. Footonkiirguse kahetist olemust tuleks mõista nii, et mõne nähtuse korral on sellel kiirgusel lainelised omadused (peegeldus, murdumine, difraktsioon, interferents), teistes - γ-kvantideks nimetatavate osakeste omadused (fotoelektriline efekt, tuumareaktsioonid).

Vaatamata nende erinevale päritolule on sama energiaga röntgen- ja y-kiirgusel ainega suhtlemisel samad omadused. Footonite ja aine vastastikmõju mehhanism on täiesti erinev laetud osakeste vastastikmõjust. Neelavat ainet läbivad laetud osakesed annavad sellele osa või kogu oma energiast, samas kui footonkiirguse läbimisel räägitakse selle interaktsiooni tõenäosusest neelava ainega ning interaktsiooni tõenäosus suureneb eksponentsiaalselt neelduja paksuse suurenedes. .

γ-kvantide eripäraks aine läbimisel on see, et nad põrkuvad elektronide ja tuumadega suhteliselt harva, kuid teisalt põrkuvad kokkupõrke käigus reeglina oma teelt järsult kõrvale, s.t. praktiliselt valgusvihust välja kukkuda. γ-kvantide teine ​​eripära on see, et nende puhkemass on null ja seetõttu ei saa nende kiirus erineda valguse kiirusest, mis tähendab, et γ-kvandid ei saa keskkonnas aeglustuda. Need kas neelduvad või hajuvad ja peamiselt suurte nurkade all.

γ-kvantide puhul puuduvad mõisted ulatus, maksimaalne ulatus, energiakadu pikkuseühiku kohta. Kui γ kvantide kiir läbib neelavat ainet, siis nende energia ei muutu, kuid kokkupõrgete tulemusena kiire intensiivsus järk-järgult nõrgeneb.

Lineaarne energiaülekanne (LET) on ioniseeriva kiirguse kvaliteedi füüsikaline karakteristik, mis on võrdne kogu ülekantava energia suhtega: ainele laetud osakese poolt teel kokkupõrgete tõttu selle atuti pikkusega [. ..]

Minimaalne väärtus K = 1 ja vastab lineaarse energiaülekande korrale. Muudel juhtudel soovitab selle koefitsiendi väärtust Rahvusvaheline Kiirguskaitsekomisjon (ICRP) ja see on esitatud tabelis. 10,2 (maksimaalne väärtus K = 20). [...]

On kaks põhjust, miks ülaltoodud lineaarne teooria tegelikult orkaaniefekti ülitäpseks arvutamiseks ei sobi. Üks neist on see, et orkaani enda mõju on nii tugev, et võrrandite mittelineaarseid termineid on võimatu tähelepanuta jätta. Teine põhjus on soojusefektide suur roll. Soojusülekande mõju osutub eriti oluliseks, sest (vt) orkaanid säilitavad oma olemasolu tänu energiale, mida nad ammutavad ookeani olemasolevast soojussalvest. Samal ajal ei võta orkaan mitte ainult ookeanilt soojust ära, vaid jaotab selle ümber segamise teel, mis toimib samaaegselt advektsiooni mõjudega. Kõik need mõjud mõjutavad joonisel fig 1 näidatud isopükni jaotust. 9.9 [...]

Kvadrupoolse massifiltri eripäraks on massispektri lineaarne pühkimisskaala, kõrge ioonide ülekandetegur allikast detektorisse ja eraldusvõime ebaoluline sõltuvus ioonide energia esialgsest levikust. ]

Kiirguse mõju ainele olulisemad näitajad on neeldunud doos ja lineaarne energiaülekanne (LET). [...]

Võrrandi (IV.105) graafilise esitusega logaritmilistes koordinaatides eeldatud energiaülekande protsesside jaoks saame molekuli omaduste indikaatori lineaarse sõltuvuse kiirgusdoosist. [...]

Kuna sellise oletuse kontrollimiseks puuduvad eksperimentaalsed vahendid, on mitmed autorid kuni meie ajani püstitanud hüpoteesi tangentsiaaljõu rollist energia ülekandmisel lainetele. Vahepeal saab näidata, et lainete poolt selle kanali kaudu vastuvõetud energia hulk on tühine võrreldes sellega, mida tuulest tegelikult saadakse. Arvestades pinnaveeosakeste liikumist mööda nende orbiite, tuleks järeldada, et orbiidi ülemises pooles peaks puutujajõud kaasa aitama osakeste joonkiiruse suurenemisele; kuid teisest küljest peaks orbiidi alumises pooles õhu hõõrdumise tangentsiaalne jõud veepinna vastu aeglustama osakeste orbitaalset liikumist, kuna siin on see suunatud osakeste joonkiirusele vastupidises suunas. [...]

Bioloogiline valgusüntees on keeruline, mitmefaasiline või mitmeetapiline protsess. Lisaks RNA-le osalevad valkude sünteesis arvukad ensüümid. Esimeses etapis aktiveeritakse aminohapped, mis seejärel ühinevad peptiidahelateks. Teine etapp on aktiveeritud aminohapete transport ribosoomidesse. Kolmas etapp on initsieeritud aminohapete järjestamine ja kombineerimine ning nende järjestamine vajalikus järjestuses messenger-RNA-l, millele järgneb peptiidsidemete sulgemine. Neljas etapp on mahulise struktuuri moodustamine antud valgule omasest lineaarsest molekulist. Reaktiivsuse suurenemine, aminohapete aktiveerimine suurendab nende üksteisega suhtlemise võimalust; see protsess viiakse läbi aminohapete interaktsioonil adenosiintrifosforhappega (ATP). Sel juhul kantakse energia ühelt ATP kõrge energiaga sidemelt üle aminohappele, mis liigub kõrgemale energiatasemele. Aminohapete aktiveerimise reaktsioon kulgeb ensüümi aminoatsüül-RNA süntetaasi osalusel. Erinevate aminohapete aktiveerimiseks on vaja erinevaid ensüüme, süntetaase. Sünteesi käigus viivad aminohappejärjestuse läbi koodonid (DNA ahela fragmendid).

1. Lineaarne sumbumiskoefitsient m - aktsia eeldatava väärtuse suhe dN/N kaudselt ioniseerivad osakesed, mis on elementaarse tee läbimisel kogenud vastasmõju dl

Mõõtühik on m - 1 / m, 1 / cm.

2. Massi sumbumise koefitsient m m- lineaarse sumbumise koefitsiendi m suhe aine tihedusse r, mida ioniseeriv kiirgus kaudselt läbib:

Mõõtühik on m 2 / kg, cm 2 / g.

3. All läbisõit Laetud osakeste vahemik on ekstrapoleeritud vahemik ja g-kvantide vahemik on aine lineaarse nõrgenemiskoefitsiendi pöördväärtus.

4. Lineaarne jõuülekande suhe m tr Kas energiaosa suhe d kaudselt ioniseeriva kiirguse e / e, mis muundub elementaartee läbimisel laetud osakeste kineetiliseks energiaks dl sisuliselt selle tee pikkusele:

m tr = . (2.3)

Mõõtühik m tr- 1 / m, 1 / cm.

Massi energia ülekandetegur m tr, m on seotud lineaarse energiaülekandeteguriga m tr

m tr, m = . (2.4)

Mõõtühik m tr, m- m 2 / kg, cm 2 / g.

5. Lineaarne energia neeldumistegur m ru Kas lineaarse energiaülekandeteguri m korrutis trühiku ja energia murdosa erinevuse järgi g sekundaarsed laetud osakesed, mis muunduvad antud aines bremsstrahlungiks:

m ru= m tr× (1 - g). (2.5)

Mõõtühik m ru- 1 / m, 1 / cm.

Massi energia neeldumistegur m et, m on seotud lineaarse energia neeldumisteguriga m ru läbi keskkonna tiheduse r, milles kiirgus levib:

m et, m= m ru/ r. (2.6)

Mõõtühik m et, m- m 2 / kg, cm 2 / g.

Footonkiirguse radionukliidsete allikate jaoks
(e £ 3 MeV) õhus g 0,01 £, seega võib rakendusprobleemide jaoks piisava täpsusega eeldada.

Footonkiirguse puhul saadakse energia ülekande- ja neeldumiskoefitsiendid fotoneeldumisest, nõrgalt seotud elektronide ebakoherentsest hajumisest ja elektron-positroni paaride moodustumisel tekkivate interaktsioonitegurite summeerimisel.

6. Keemiliste ühendite või keeruliste kemikaalide puhul saadakse footonenergia ülekande- ja neeldumismassi koefitsiendid liitmise teel:

m m = , (2.7)

kus m m, i- massikoefitsient i th komponent massiosaga w i; = 1.

7. Neutronite interaktsioon ainega on keerulisem kui footonitel ja ei sõltu ainult keemilisest koostisest, vaid ka isotoobist, st. üksikutest nukliididest, millest aine koosneb. Teatmeteosed annavad interaktsiooni kogumikroskoopilised ristlõiked energia s (e) funktsioonina. Antud tuumaprotsessi makroskoopiline ristlõige S, 1 / cm, on seotud mikroskoopilise ristlõikega s, cm 2 avaldise abil

kus e on neutroni energia; N A- Avogadro number; M, r on selle elemendi massiarv ja tihedus, millega neutron interakteerub.

8. Laetud osakeste ja aine vastastikmõju tunnuseks on kiirgusenergia e, mis kantakse ainele üle interaktsioonides, mis viivad aatomite ja molekulide ioniseerumisele ja ergastumisele. Laetud osakese poolt elementaarrajal toimunud kokkupõrgete tõttu kaotatud energia keskmise väärtuse suhe dl, selle tee pikkus on kogus täielik lineaarne energiaülekanne L:

Valem (2.9) ei hõlma energiakadusid tõkestamise korral. Lühendit LET kasutatakse täislineaarse jõuülekande tähistamiseks. LET ühik on J / m. Spetsiaalseks ühikuks on kiloelektronvolt vee mikromeetri kohta (keV / μm).

9. Keskmine NS sihtmärgile üle kantud energia... Kiirguse toimel piiratud ainemahule ülekantav energia on võrdne kõigi laetud ja laenguta osakeste kogu kineetilise energia ja vaadeldavasse ruumalasse sisenevate kvantide ning kõigi laetud ja laenguta osakeste ja sellest mahust väljuvate kvantide kogu kineetilise energia vahega. .

Kosmoselaevade kiirgusohu hindamise ja prognoosimise meetodid põhinevad tahketes ja bioloogilistes objektides kiirgusmõjude esinemise mehhanismide uuringutel, mis viiakse läbi laboritingimustes ioniseeriva kiirguse simulatsiooniseadmetel (kiirendid, radioisotoopide paigaldised). Need pikaajalised uuringud on võimaldanud välja töötada mudeleid ja luua üldisi mustreid kiirgusmõjude esinemisest konstruktsioonimaterjalides ja kosmosetehnoloogia toodetes, aga ka üldiselt lahendada kosmonautide kiirgusohutuse probleem mehitatud ruumis. lennud. Kiirgusmõju ilmneb kahes etapis. Esimeses kiiresti voolavas etapis (< ~ 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.

Lineaarne jõuülekanne (LET)

LET väärtus L iseloomustab kvantitatiivselt kiirgusmõjude algpõhjust – energia ülekandumist osakeselt ainele. LET-sid arvestatakse ionisatsiooniefektide ja struktuurihäirete tekkeks. Kosmose laetud osakeste toimest tulenevate kiirgusmõjude hindamisel võrdsustatakse LET väärtused energia erikaoga dE / dx - keskmise energiaga, mida osake kaotab oma teekonna ühiku kohta.

• LET on peamine füüsikaline suurus, mis kvantitatiivselt iseloomustab ühe osakese energiapanust kiirgusefekti kujunemisse,
• LET, L on keskmine energia, mida aine saab langevast laetud osakesest oma teekonna ühiku kohta
• LET ühikud – MeV / cm või MeV / (g / cm 2)

Laetud osakeste energiakadu

Laetud osakeste erienergiakaod dE / dx = (dE / dx) e + (dE / dx) n on tuumafüüsikas defineeritud osakeste kokkupõrgeteks aine elektronidega (ionisatsioonikaod, tähistatakse alaindeksiga "e") ja aine tuumadega (aatomi-tuumakaod, tähistatakse alaindeksiga "n"). Nende koguste väärtused, sõltuvalt laetud osakeste energiast, on teada paljude ainete puhul ( Ziegler J. F. et al., 1995).

Näiteks on joonistel näidatud väärtused (dE / dx) e(tahked kõverad) ja (dE / dx) n(punktiirjooned) ränis "Si", sõltuvalt prootonite (vesiniku tuumad "H") (punased kõverad), raudtuumade "Fe" (rohelised kõverad) ja elektronide "e" (lillad kõverad) energiast. Arvesse võetakse, et prootonite suure energia korral (> ~ 30 MeV) annavad tuumareaktsioonid täiendava panuse nende aatom-tuumaenergia kadudesse.
Oluline on rõhutada, et kosmoses leiduvate suure energiaga laetud osakeste puhul (dE / dx) e >> (dE / dx) n.

Klassifikatsioon

• Imendunud annuse mõju ilmnevad paljude osakeste aine tundlikule ruumalale ülekantava energia liitmise tulemusena
• Juhuslikud üksikud efektid tekivad siis, kui energia kandub ühelt osakeselt tundlikule ainemahule

Kaasaegne kiirgusmõjude klassifikatsioon võtab arvesse, et osakeste sisenemine korpuskulaarse kiirguse koguvoost tundlik helitugevus(maht, mis määrab materjali või seadme funktsionaalsed omadused) tekib kiiritatud objekt diskreetselt. Juhuslikud üksikefektid (SAE) esinevad objektides, mis sisaldavad tundlikke mikronisuurusi ruumalasid, ja avalduvad praegu siis, kui suure energiaga kosmiline kiirgus mõjutab tänapäevaseid tahkiselektroonilisi seadmeid (mikroskeemid, CCD-d, optronid jne).

Imendunud annus

Imendunud annus D on kiirgusefekti suuruse kvantitatiivne mõõt, kui see tekib paljude osakeste sattumise tulemusena aine tundlikku ruumalasse. Neeldunud doos on lahutamatu näitaja, mis iseloomustab materjali või seadme omaduste muutust, mis on toimunud kosmoseaparaadi lennu ajal pärast selle käivitamist.

Definitsiooni järgi: neeldunud doos D - kiirgusest massiühikulise aine elementaarmahule üle kantud energia

D = ΔE / Δm [J ​​​​/kg või hall (100 rad)]

Kokkupuutel osakeste vooluga Ф energiaga E 0 = konst

Kokkupuutel erinevat tüüpi ja erineva energiaga osakeste Ф i (E) vooluga

kus - kõigi osakeste voo LET spekter.

Neeldunud doos võtab arvesse osakeselt nii elektronidele kui ka elementaarmahu tuumadele ülekantavat koguenergiat. Kui aga kiirgusefekti seletatakse kas ionisatsiooni või struktuursete häiretega, siis kasutatakse arvutustes vastavalt kas elektroonika- või tuumakokkupõrgetes energia erikadude väärtusi. Nendel juhtudel räägitakse sellest ionisatsiooni- või mitteionisatsioonidoos(väliskirjanduses “kogu ioniseeriv doos (TID)” ja “mitteioniseeriv elastsuskadu (NIEL)”).

Näide ionisatsioonidoosi mõjust

MOS-struktuuri kiiritamisel tekkivad mittetasakaalulised laengukandjad muudavad olemasolevaid laenguid oksiidmassis ja oksiid-pooljuhi liideses. Esimene efekt viib n-kanaliga MOS-transistori lävipinge vähenemiseni (roheline kõver) ja teine, alates ionisatsioonidoosi teatud väärtusest, tõusuni (sinine kõver). Selle tulemusena selgitab konkurents kahe efekti vahel n-kanaliga MOS-transistori lävipinge mittemonotoonset sõltuvust ionisatsioonidoosist (punane kõver).

Näide mitteioniseeriva doosi mõjust

Fotovool ma Päikesepatareide poolt tekitatud oleneb elemendi põhilises pooljuhtmaterjalis (räni, galliumarseniid) vähemuslaengukandjate elueast. Kõrgenergiaga kiirgusega kokkupuutel see väheneb vähemuskandjate eluea lühenemise tõttu, mis on seletatav struktuursete defektide (kiirgusdefektide) tekkega.
Tõepoolest, see vähenemine (ja sellest tulenevalt ka kiirgusdefektide kuhjumine) korreleerub hästi mitteionisatsioonidoosi D n suurenemisega, sõltumata langeva kiirguse tüübist (elektronid, prootonid) ja selle energiast.

Samaväärne annus

Neeldunud doosi arvutamisel eeldatakse, et paljudest osakestest vabanev energia jaotub elementaarmahus ühtlaselt. Ainult sel juhul võib neeldunud doosi pidada kiirgusefekti kvantitatiivseks mõõduks, sõltumata kiirguse energiast ja tüübist.
See tingimus ei ole täidetud prootonite ja raskete laetud osakeste toimel, kui vabanev energia koondub lokaalselt nende osakeste jälgedesse. Sel juhul vajab selgitamist neeldunud doosi kasutamine kiirgusmõju hindamisel.

Nii et radiobioloogias (ja mehitatud lendude kiirgusohutuses) kvaliteeditegur w(L) kiirgus, mis sõltub osakese lineaarsest energiaülekandest (LET), mis kvantitatiivselt iseloomustab ühe osakese energiapanust kiirgusefekti kujunemisse, kuid ei võta arvesse osakeste raja suurust ja seega ka tihedust. ülekantud energia jaotusest sellel rajal .
Radiobioloogias on tavaks kasutada kogust ekvivalentne annus.

H [Sivert (100 rem)] = ∫ w (L) · L · Ф (P) dL

Üksikud juhuslikud efektid

Üksikud juhuslikud efektid (SSE) tekivad tundliku ruumala omaduste rikkumise tõttu, kui üks osake seda läbib. Need tekivad siis, kui ioonid (raske laenguga osakesed) kiiritavad tundlikke mikronisuurusi ruumalasid. Näiteks moodsates mikroelektroonikaseadmetes tekivad OSE-d ionisatsiooni tulemusena mittetasakaaluliste laengukandjate moodustumise tõttu.
Esinemise tingimus: osakese poolt tundlikule ruumalale ülekantav energia ∆E peab olema suurem kui selle ruumala funktsionaalset omadust iseloomustav läviväärtus E c.

Slaidil on kaks OSE esinemise mehhanismi kokkupuutel kosmilise kiirguse osakestega: otse ioonidest, mis moodustavad kosmilisi kiiri (otsene mehhanism) ja sekundaarsetest ioonidest, mis tekivad kosmilise kiirguse prootonite tuumakokkupõrgete tulemusena. aine tuumad (tuumamehhanism).

OSE on stohhastiline nähtus ja selle esinemise tõenäosust iseloomustab nn OSE ristlõige. Üldjuhul on see väärtus σ i ( E,θ ) sõltub osakeste tüübist, nende energiast ja ioonide liikumissuunast tundlikus ruumalas.
SSE esinemise otsese mehhanismi mudelid arvestavad OSE ristlõiget σ i (L, θ) sõltuvalt ioonide LET-st olenemata nende tüübist, mis võimaldab OSE ristlõike ühe sõltuvuse (mitte palju), et hinnata kosmilise kiirguse ioonivoogude, sealhulgas erinevat tüüpi ioonide katkestuste sagedust ...
Oluline on märkida, et erinevalt neeldunud doosist iseloomustab OSE sagedus materjali või seadme omadust teatud ajahetkel, sünkroniseerituna mõjuvate osakeste vooga. OSE sagedust arvutatakse aga pika ajaintervalli kohta, kuid siis kasutatakse selle arvutamiseks selles intervallis keskmistatud osakeste voo tihedust.
OSE esinemise kvantitatiivne mõõt osakeste voo toimel on OSE sagedus.

Kokkupuutel osakeste voo tihedusega F (1 / cm 2 s) energiaga E 0 = const ja langemisnurk
θ 0 = konst

ν = σ (E 0, θ 0) F

Kokkupuutel erinevat tüüpi ja erineva energiaga osakeste F i (E) isotroopse voo tihedusega (1 / cm 2 cMeV)

ν = ∑ i ∫∫∫ σ i (E, Ω) F i (E) dEdΩ

või mudeliesitluste kasutamine OSE esinemise otsese mehhanismi jaoks

ν = ∫∫∫ σ ioon (L, Ω) F i (L) dLdΩ

kus F (L) on osakeste voo tiheduse diferentsiaal-LET-spekter

OSE ristlõigete absoluutväärtuste ja σ p (E) ja σ ioonide (L) sõltuvuste vormi määramiseks kasutatakse prootonite ja raskete ioonide kiirendeid.
RSE ristlõike σ iooni (L) väärtused TSP-st suurenevad LET suurenemisega teatud läviväärtusest L c ja kalduvad konstantsele väärtusele σ sat, mis sõltub tundliku ruumala suurusest. mikroobjektist. Sarnast RSE ristlõike σ p (E) väärtuste suurenemist täheldatakse sõltuvalt prootoni energiast, kuid sel juhul sõltub E c läviväärtus tuumareaktsioonide efektiivsest lävest ja väärtusest. σ sat ei sõltu mitte ainult tundliku ruumala suurusest, vaid ka mikroobjekti aines jääktuumade moodustumise ristlõikest.
Praegu on sellised sõltuvused saadud paljudele kosmoselaevade seadmetes kasutatud ja kasutatavate mälumikroskeemide jaoks, kuna need on OSE esinemise seisukohalt kaasaegse elektroonika kõige tundlikumad komponendid.

Näited OSE ristlõikest mälu mikroskeemide jaoks normaalse langemisnurga all sõltuvalt efektiivsest LET-st (vasakul joonisel) ja prootonienergiast (parempoolne joonis).

järeldused

• Praegu on uuritud kiirgusmõjude mõju paljude kosmosetehnoloogia materjalide ja toodete omadustele.
• Kosmosetehnoloogiatoodete kiirgusmõjud jagunevad neeldumisdoosi mõjudeks (EPD) ja üksikjuhuslikeks mõjudeks (SSE).
  • EPD-st tuleneva kiirgusohu kvantitatiivne mõõt on neeldunud doosi (ionisatsioon ja mitteionisatsioon) arvutuslik väärtus.
  • OSE-st tuleneva kiirgusohu kvantitatiivne mõõt on üksikute juhuslike mõjude arvutatud sagedus.
• Kosmoselaeva pardal olevate kosmosetehnoloogia toodete kiirgusoht sõltub:
  • materjali ja seadme individuaalsed omadused, mida iseloomustab lineaarse energiaülekande väärtus või üksikute juhuslike mõjude ristlõige ja mis peegeldavad nende kiirgustakistust (tundlikkust),
  • mõjutavast kiirguskeskkonnast, mida iseloomustavad osakeste voo Ф (Е) või voo tiheduse F (E) diferentsiaalenergia spektrid ja mis peegeldavad kosmoselaeva kiirgustingimusi.

Kosmoselaeva kiirgustingimuste määramiseks on vaja arvestada erinevate kiirgusväljadega, mis avakosmoses on moodustatud erinevatest allikatest ja sisaldavad erinevat tüüpi laetud osakeste voogusid erineva energiaspektriga.
Veelgi enam, nende spektrite vorm ja osakeste voog muutuvad sõltuvalt kosmoseaparaadi lennutrajektoorist ja võivad muutuda kosmoseaparaadi lennu ajal. Kõik need muudatused mõjutavad oluliselt kiirgusohu taset, mida tuleks kosmoselaeva seadmete töövõime tagamiseks arvesse võtta.
Järgmine osa on pühendatud kiirgustingimuste muutumise üldistele mustritele ja kiirgusohu omadustele avakosmoses ja kosmoselaevade lennuorbiitidel.

; ionisatsioonienergia kadude väärtus aine teeühiku kohta. LET on defineeritud kui koguenergia suhe dE teel toimunud kokkupõrgete tõttu osakese poolt ainele üle kantud dl, selle tee pikkusele: L = dE / dl... Laenguta osakeste puhul LET-i ei rakendata, vaid kasutatakse nende aines moodustunud sekundaarsete laetud osakeste LET väärtusi. Mõõdetud eV / nm. LET väärtused ulatuvad 0.2 suure energiaga footonite jaoks kuni 104 eV / nm uraani lõhustumise fragmentide puhul.

Seda mõistet kasutatakse laialdaselt radiobioloogias erinevate kiirgusliikide radiobioloogiliste mõjude hindamisel.

Vaata ka

• Ioniseeriva kiirguse suhteline bioloogiline efektiivsus

Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.

Vaadake, mis on "Lineaarne energiaülekanne" teistes sõnaraamatutes:

- (LET), energia, mille ioniseeriv rakk kannab oma trajektoori antud naabruses ühiku kohta. tee pikkus: Ldeltt = (d? cp / dl) deltt, kus dl on laengu läbitud tee. h ce in ve, d? cp vrd. energia, mille inimene kaotab kokkupõrgetes, milles ... ... Füüsiline entsüklopeedia

lineaarne jõuülekanne- 4,5 lineaarne jõuülekanne [LET]; LΔ: laetud osakese poolt elementaarrajal dl toimunud kokkupõrke tõttu keskkonda lokaalselt üle kantud energia dE suhe selle tee pikkusesse Allikas ...

lineaarne jõuülekanne- ilginė elektringųjų dalelių energia perdava statusas T valdkond Standartiseerimine ja metroloogia definis Jonizuojančios elektringosios dalelės, tam tikroje vietoje nueinančios elementarųjį atstumą, mediagai… Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

lineaarne jõuülekanne- ilginė energijos perdava statusas T ala fizika vastavusmenys: angl. lineaarne energiaülekanne vok. Energieabgabe je Längeneinheit, f rus. lineaarne jõuülekanne, f pranc. transfert d'énergie linéique, m ... Fizikos terminų žodynas

- (LET) keskmine energia, mille keskkond neelab laetud osakese läbimise punktis selle teekonna ühiku kohta; kasutatakse erinevat tüüpi ioniseeriva kiirguse bioloogilise toime erinevuste arvessevõtmiseks ... Põhjalik meditsiiniline sõnastik

Vaadake Ioniseeriv kiirgus ... Keemia entsüklopeedia

Lineaarne jõuülekanne (LET)- 5. Lineaarne jõuülekanne (LET) Vastavalt GOST 15484 Allikas ... Normatiivse ja tehnilise dokumentatsiooni terminite sõnastik-teatmik

lineaarne- 98 lineaarne [mittelineaarne] elektriahel Elektriahel, milles elektripinged ja elektrivoolud ja (ja) elektrivoolud ja magnetvooühendused või (ja) elektrilaengud ja elektripinged on omavahel seotud ... .. . Normatiivse ja tehnilise dokumentatsiooni terminite sõnastik-teatmik

GOST 25645.218-90: Kosmoselaeva meeskonna kiirgusohutus kosmoselennul. Kosmilise kiirguse kvaliteediteguri sõltuvus lineaarenergiast- Terminoloogia GOST 25645.218 90: Kosmoselaeva meeskonna kiirgusohutus kosmoselennul. Kosmilise kiirguse kvaliteediteguri sõltuvus lineaarenergiast originaaldokument: 7. Lineaarse ülekande doosispekter ... ... Normatiivse ja tehnilise dokumentatsiooni terminite sõnastik-teatmik

LET- lineaarne energiaülekanne lineaarsed energiakadud (mitmuses) lineaarsed energiakadud ... Vene keele lühendite sõnastik