Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Радиационные технологии. Применения в лабораторных исследованиях, материаловедении и нанотехнологиях

Покупка
Артикул: 609448.01.01
Доступ онлайн
690 ₽
В корзину
Ранее вышедшая книга "Физические основы радиационных технологий" рассматривает вопросы потери Энергии различных видов излучений в веществе. Данное учебное пособие анализирует, как вещество эту энергию воспринимает и как воздействие излучений на вещество используется в разнообразных применениях. В книге подробно анализируются эффекты, возникающие в различных веществах, например, в кристаллах, полимерах, стекле, керамике, под действием облучения. Значительное внимание уделено решению задач анализа состава и структуры вещества. Рассматривается роль радиации в синтезе и модифицировании веществ, описаны варианты радиационной обработки, полимеризация без катализаторов и химических инициаторов, холодный крекинг нефти, вулканизация резинотехнических изделий, изготовление нанопористых структур. Важные разделы связаны с влиянием радиации на биологические структуры. Сюда относятся стерилизация медицинской, пищевой, фармацевтической продукции, обеззараживание отходов лечебно-профилактических учреждений, пастеризация и дезинсекция продуктов питания, очистка стоков сельскохозяйственных предприятий. Большое внимание уделено обоснованию выбора определенного вида излучения и способа его аппаратурной реализации. Учебное пособие предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей инженерно-физических и технических специальностей, для инженеров и специалистов различных отраслей промышленности.
Ободовский, И. М. Радиационные технологии. Применения в лабораторных исследованиях, материаловедении и нанотехнологиях / И. М. Ободовский - Долгопрудный : Интеллект, 2015. - 296 с.- ISBN 978-5-91559-180-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/524526 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
И.М. ОБОДОВСКИЙ
РАДИАЦИОННЫЕ  
ТЕХНОЛОГИИ

ПРИМЕНЕНИЯ В ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ, 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЯХ,  
ПРОМЫШЛЕННОСТИ

È.Ì. Îáîäîâñêèé
Ðàäèàöèîííûå òåõíîëîãèè. Ïðèìåíåíèÿ â ëàáîðàòîðíûõ
èññëåäîâàíèÿõ, ìàòåðèàëîâåäåíèè è íàíîòåõíîëîãèÿõ, ïðîìûøëåííîñòè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / È.Ì. Îáîäîâñêèé – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2015. – 296 ñ.
ISBN 978-5-91559-180-5

Ðàíåå âûøåäøàÿ êíèãà «Ôèçè÷åñêèå îñíîâû ðàäèàöèîííûõ
òåõíîëîãèé» ðàññìàòðèâàåò âîïðîñû ïîòåðè ýíåðãèè ðàçëè÷íûõ
âèäîâ èçëó÷åíèé â âåùåñòâå.  Äàííîå ó÷åáíîå ïîñîáèå àíàëèçèðóåò, êàê âåùåñòâî ýòó ýíåðãèþ âîñïðèíèìàåò è êàê âîçäåéñòâèå
èçëó÷åíèé íà âåùåñòâî èñïîëüçóåòñÿ â ðàçíîîáðàçíûõ ïðèìåíåíèÿõ.
 êíèãå ïîäðîáíî àíàëèçèðóþòñÿ ýôôåêòû, âîçíèêàþùèå â
ðàçëè÷íûõ âåùåñòâàõ, íàïðèìåð, â êðèñòàëëàõ, ïîëèìåðàõ, ñòåêëå, êåðàìèêå, ïîä äåéñòâèåì îáëó÷åíèÿ.
Çíà÷èòåëüíîå âíèìàíèå óäåëåíî ðåøåíèþ çàäà÷ àíàëèçà ñîñòàâà è ñòðóêòóðû âåùåñòâà.
Ðàññìàòðèâàåòñÿ ðîëü ðàäèàöèè â ñèíòåçå è ìîäèôèöèðîâàíèè
âåùåñòâ, îïèñàíû âàðèàíòû ðàäèàöèîííîé îáðàáîòêè, ïîëèìåðèçàöèÿ áåç êàòàëèçàòîðîâ è õèìè÷åñêèõ èíèöèàòîðîâ, õîëîäíûé êðåêèíã íåôòè, âóëêàíèçàöèÿ ðåçèíîòåõíè÷åñêèõ èçäåëèé,
èçãîòîâëåíèå íàíîïîðèñòûõ ñòðóêòóð.
Âàæíûå ðàçäåëû ñâÿçàíû ñ âëèÿíèåì ðàäèàöèè íà áèîëîãè÷åñêèå ñòðóêòóðû. Ñþäà îòíîñÿòñÿ ñòåðèëèçàöèÿ ìåäèöèíñêîé, ïèùåâîé, ôàðìàöåâòè÷åñêîé ïðîäóêöèè, îáåççàðàæèâàíèå îòõîäîâ
ëå÷åáíî-ïðîôèëàêòè÷åñêèõ ó÷ðåæäåíèé,  ïàñòåðèçàöèÿ è äåçèíñåêöèÿ ïðîäóêòîâ ïèòàíèÿ, î÷èñòêà ñòîêîâ ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ ïðåäïðèÿòèé.
Áîëüøîå âíèìàíèå óäåëåíî îáîñíîâàíèþ âûáîðà îïðåäåëåííîãî âèäà èçëó÷åíèÿ è ñïîñîáà åãî àïïàðàòóðíîé ðåàëèçàöèè.
Ó÷åáíîå ïîñîáèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ, àñïèðàíòîâ è
ïðåïîäàâàòåëåé èíæåíåðíî-ôèçè÷åñêèõ è òåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé, äëÿ èíæåíåðîâ è ñïåöèàëèñòîâ ðàçëè÷íûõ îòðàñëåé
ïðîìûøëåííîñòè.

© 2014, È.Ì. Îáîäîâñêèé
© 2015, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-180-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8

Глава 1. Элементарные процессы преобразования энергии
излучений в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11

§ 1.1. Диссипация энергии первичной частицы в веществе . . . . . . . .
11
1.1.1. Образование носителей зарядов в газах. . . . . . . . . . . . .
11
1.1.2. Образование носителей заряда в твердом теле . . . . . . . .
16
§ 1.2. Образование и структура трека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
§ 1.3. Флуктуации ионизации, фактор Фано . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
§ 1.4. Термализация электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26

Глава 2. Захват электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33

§ 2.1. Потенциал взаимодействия, роль центробежного потенциала . .
33
§ 2.2. Сродство к электрону . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.2.1. Сродство к электрону атомов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.2.2. Сродство к электрону молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.2.3. Выделение энергии сродства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
§ 2.3. Кинетика захвата электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
§ 2.4. Трехчастичный захват электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
§ 2.5. Диссоциативный захват электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
§ 2.6. Захват электронов в конденсированном веществе . . . . . . . . . .
47
§ 2.7. Ловушки электронов и дырок в кристаллах . . . . . . . . . . . . . .
48

Глава 3. Диффузия и дрейф зарядов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50

§ 3.1. Диффузия ионов и электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
§ 3.2. Дрейф ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
§ 3.3. Дрейф электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
§ 3.4. О движении электронов и дырок в твердом теле . . . . . . . . . .
59
3.4.1. Особенности движения электронов и дырок в полупроводниках
59
3.4.2. Эффективная масса. Полярон. Автолокализация дырок . .
61
§ 3.5. Радиус дебаевского экранирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62

Оглавление

§ 3.6. Критерий образования объемного заряда . . . . . . . . . . . . . . . .
64
§ 3.7. Ток, ограниченный объемным зарядом. . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
§ 3.8. Амбиполярная диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68

Глава 4. Рекомбинация зарядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69

§ 4.1. Механизмы рекомбинации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
§ 4.2. Предпочтительная рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
4.2.1. Кинетика предпочтительной рекомбинации . . . . . . . . . .
71
4.2.2. Модель Онзагера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
4.2.3. Модель Френкеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
§ 4.3. Объемная рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
§ 4.4. Колонная рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77

Глава 5. Люминесценция вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83

§ 5.1. Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
§ 5.2. Основные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
5.2.1. Эффективность преобразования энергии возбуждения в свет
85
5.2.2. Спектр свечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
5.2.3. Кинетика свечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
§ 5.3. Люминесценция благородных газов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
§ 5.4. Люминесценция органических молекул, жидкостей и кристаллов
92
5.4.1. Общие сведения об органических веществах — люминофорах
92
5.4.2. Люминесценция смешанных систем. Миграция энергии . .
97
5.4.3. Некоторые сведения о жидких растворах — сцинтилляторах
97
5.4.4. Некоторые сведения о сцинтиллирующих пластмассах . . .
99
§ 5.5. Механизмы миграции энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
§ 5.6. Люминесценция кристаллофосфоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
§ 5.7. Сцинтиллирующие стекла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
§ 5.8. О зависимости характеристик сцинтилляторов от удельных потерь энергии заряженных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106

Глава 6. Образование и миграция дефектов в кристаллах .
108

§ 6.1. Дефекты кристаллической структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
§ 6.2. Ударный механизм образования дефектов . . . . . . . . . . . . . . .
110
6.2.1. Выбивание атома из узла решетки . . . . . . . . . . . . . . . .
110
6.2.2. Стабилизация дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
6.2.3. Сечение смещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
§ 6.3. Подпороговое создание дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
§ 6.4. Отжиг дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117

Глава 7. Химические процессы под действием излучений .
119

§ 7.1. Радиохимия и радиационная химия . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119

Оглавление
5

§ 7.2. Cтадии радиационных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
7.2.1. Физическая стадия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
7.2.2. Физико-химическая стадия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
7.2.3. Химическая стадия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
§ 7.3. Виды радиолиза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
7.3.1. Радиолиз газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
7.3.2. Радиолиз жидкостей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
§ 7.4. Радиолиз воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
7.4.1. Свойства воды и ее роль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
7.4.2. Физическая стадия радиолиза воды . . . . . . . . . . . . . . .
129
7.4.3. Реакции радиолиза воды физико-химической стадии . . . .
129
7.4.4. Химическая стадия радиолиза воды . . . . . . . . . . . . . . .
130
§ 7.5. Радиолиз твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
§ 7.6. Выход продуктов радиолиза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132

Глава 8. Ускорители частиц в прикладных исследованиях
и технологиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
134

§ 8.1. Классификация ускорителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
134
§ 8.2. Ускорители для лучевых технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
8.2.1. Линейные ускорители прямого действия . . . . . . . . . . . .
136
8.2.2. Линейные резонансные ускорители . . . . . . . . . . . . . . . .
138
8.2.3. Циклические ускорители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
§ 8.3. Ускорители для научных исследований . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
8.3.1. Требования к ускорителям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
8.3.2. Циклические ускорители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141

Глава 9. Радиационные методы анализа состава
и структуры вещества. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
150

§ 9.1. Рентген-флуоресцентный анализ (РФА) . . . . . . . . . . . . . . . . .
150
9.1.1. XRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
9.1.2. PIXE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
§ 9.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) . . . . . .
154
§ 9.3. Нейтрон-активационный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
§ 9.4. Гамма-активационный анализ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
160
§ 9.5. Анализ по мгновенному гамма-излучению . . . . . . . . . . . . . . .
162
§ 9.6. Метод меченых атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
162
§ 9.7. Ускорительная масс-спектроскопия (УМС) . . . . . . . . . . . . . . .
164
§ 9.8. Позитронные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166

Глава 10. Эффект Мёссбауэра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168

§ 10.1. Резонансное поглощение гамма-квантов . . . . . . . . . . . . . . . . .
168
§ 10.2. Эффект Мёссбауэра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170

Оглавление

§ 10.3. Требования к мёссбауэровским нуклидам . . . . . . . . . . . . . . .
174
§ 10.4. Изомерный сдвиг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
176
§ 10.5. Квадрупольная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
178
§ 10.6. Магнитная сверхтонкая структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
180
§ 10.7. Проверка общей теории относительности . . . . . . . . . . . . . . . .
181

Глава 11. Кристалл-дифракционные методы исследования
структуры вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183
§ 11.1. Краткая история кристалл-дифракционного метода . . . . . . . . .
183
§ 11.2. Основы кристалл-дифракционного метода . . . . . . . . . . . . . . .
184
§ 11.3. Дифракция по Лауэ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
186
§ 11.4. Дифракция по Брэггу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
§ 11.5. Дифрактометрия поликристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
191
§ 11.6. Расшифровка структуры белков и ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . .
192

Глава 12. Промышленные радиационные технологии . . . . .
194
§ 12.1. Дефектоскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
194
§ 12.2. Геологоразведка (каротаж) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
196
§ 12.3. Мониторинг энергетических установок . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
§ 12.4. Контроль технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
200
§ 12.5. Контроль окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
204

Глава 13. Радиация в синтезе и модифицировании веществ
207
§ 13.1. Общие сведения о полимерах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
207
§ 13.2. Радиационная полимеризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208
§ 13.3. Модификация полимеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
210
§ 13.4. Улучшение изоляционных свойств проводов и кабелей . . . . . . .
213
§ 13.5. Производство термоусаживающихся изделий . . . . . . . . . . . . .
214
§ 13.6. Вулканизация резинотехнических изделий . . . . . . . . . . . . . . .
215
§ 13.7. Обработка лакокрасочных покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
215
§ 13.8. Снижение токсичности газовых выбросов,
очистка промышленных сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
13.8.1. Снижение токсичности газовых выбросов . . . . . . . . . . .
216
13.8.2. Очистка промышленных и бытовых сточных вод . . . . . .
216
13.8.3. Очистка природных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217

Глава 14. Радиационное легирование полупроводников . . .
218
§ 14.1. Имплантация ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218
14.1.1. Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218
14.1.2. Пробеги ионов и разброс пробегов . . . . . . . . . . . . . . .
220
14.1.3. Распределение имплантированных ионов . . . . . . . . . . .
221
14.1.4. Каналирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
222
14.1.5. Виды потерь энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
§ 14.2. Трансмутационное легирование кремния и германия . . . . . . . .
227

Оглавление
7

Глава 15. Радиационная стерилизация . . . . . . . . . . . . . . . .
230
§ 15.1. Некоторые сведения из бактериологии. . . . . . . . . . . . . . . . . .
230
§ 15.2. Действие излучений на живые клетки. . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
15.2.1. Прямое и косвенное действие радиации . . . . . . . . . . . .
233
15.2.2. Выживаемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
234
15.2.3. Радиочувствительность и радиорезистентность . . . . . . .
235
§ 15.3. Стерилизующее действие излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
237
§ 15.4. Радиационная стерилизация пищевой продукции . . . . . . . . . .
238
§ 15.5. Радиационная стерилизация медицинской продукции . . . . . . . .
241
§ 15.6. Обеззараживание отходов лечебно-профилактических учреждений
242
§ 15.7. Очистка стоков сельскохозяйственных и промышленных предприятий
242

Глава 16. Радиация для контроля и испытаний . . . . . . . . .
244
§ 16.1. Радиационные порталы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
244
§ 16.2. Радиационная инспекция нерадиоактивных грузов . . . . . . . . .
247
§ 16.3. Противопожарная безопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249

Глава 17. Радиационно-химические нанотехнологии . . . . .
251

§ 17.1. Нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
§ 17.2. Некоторые особенные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
17.2.1. Графен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
17.2.2. Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
254
17.2.3. Фуллерены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
255
17.2.4. Слоистые наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
255
§ 17.3. Ионизирующие излучения в создании и модификации наноструктур
256
§ 17.4. Аналитическое направление — применение ионизирующих излучений для диагностики наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
257
§ 17.5. Использование наноструктур в радиационных технологиях . . . .
258
17.5.1. Нанобиология и наномедицина . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258
17.5.2. Детекторы ядерных излучений на основе наноматериалов
259
§ 17.6. Радиационные методы нанолитографии . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
§ 17.7. Образование нанопористых структур. Ядерные трековые фильтры
262

Глава 18. Основы радиационного материаловедения . . . . .
266
§ 18.1. Понятие радиационного материаловедения . . . . . . . . . . . . . . .
266
§ 18.2. Изменение механических свойств металлов и сплавов . . . . . . .
268
§ 18.3. Изменение электрических характеристик полупроводников . . . .
270
§ 18.4. Изменение оптических свойств стекол, неорганических кристаллов и полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272
§ 18.5. Понятие радиационной стойкости, разработка радиационно-стойких
приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
274

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
276

ПРЕДИСЛОВИЕ

До самого конца XIX века человечество не подозревало,
что живет в океане ионизирующих излучений, хотя эти излучения присутствовали всегда, так сказать, от сотворения мира. Жизнь возникла
и эволюционировала от простейших до мыслящих существ вполне возможно при активном участии радиации. И вот в самом конце XIX века
почти одновременно было сделано три важных открытия, показавших,
что в природе существуют ранее неизвестные ионизирующие излучения. Ионизирующими их назвали из-за способности ионизировать вещество, т. е. превращать нейтральные атомы в ионы.
Последовательно, в 1895, 1896, 1897 и 1898 годах немецким ученым
К. Рентгеном, французским ученым А. Беккерелем, английским ученым
Дж.Дж. Томсоном и французскими учеными Пьером и Марией Кюри
были открыты рентгеновское излучение, радиоактивность, элементарная частица электричества — электрон и радиоактивные элементы —
радий и полоний. Довольно быстро после открытия ионизирующих излучений выяснились две важные области их применения — в медицине
и для решения аналитических задач. Резкое расширение сферы использования произошло после второй мировой войны. Появление ядерных
реакторов сделало доступным большое количество различных радиоактивных нуклидов. Успехи в создании мощной высокочастотной электроники, связанные с развитием радаров, способствовали разработке
целого арсенала ускорителей частиц.
Подробные и тщательные исследования открытых излучений показали, что ядерные излучения воздействуют на вещество и могут изменять его характеристики, в частности, в желательном для человека
направлении. Совокупность разнообразных методов воздействия ионизирующих излучений на вещество объединяется общим наименованием
«Радиационные технологии».
В настоящее время роль радиационных технологий в экономике, их
влияние на жизнь людей разнообразны и велики. Практически все от
Предисловие
9

расли естественных, технических и даже гуманитарных наук (история,
археология, искусствоведение, криминалистика и др.) и все отрасли
экономики испытывают на себе влияние ядерной науки и техники.
Не только в обиходном сознании, но и по мнению многих специалистов ионизирующие излучения проявляют себя разрушающим действием. Известно образование дефектов структуры вещества, деградация
исходных свойств изделий. Под действием излучений в веществе происходит радиационное распухание, возрастает ползучесть, хрупкость
и т. д. И даже полезные практические применения — стерилизация,
терапия — будто бы связаны с уничтожением болезнетворных микроорганизмов и дегенеративных клеток, с подавлением и разрушением.
Однако, вопреки сложившимся представлениям надежно установлено, что во многих случаях радиация может служить эффективным
технологическим инструментом. С помощью радиационной обработки
повышают адгезию защитных покрытий, увеличивают плотность конденсатов. Удается улучшить прочностные и трибологические свойства
поверхностных слоев, повысить их коррозионную стойкость. Использование радиации позволяет существенно усовершенствовать и удешевить
производство многих типов полупроводниковых приборов, улучшить их
качество, а также экономить драгоценные металлы, используемые при
их производстве.
Следует отметить, что бездумное использование радиации может
представлять определенную опасность, но эта опасность четко понимается. И ускорители, и рентгеновские установки излучают только пока
включены. После выключения они совершенно безопасны. Правда, для
работы они требуют электрического питания. Радионуклидные источники излучают непрерывно, их нельзя выключить, их можно только
закрыть, поместить в экранированное положение. Зато к ним не надо
подводить напряжение. На выбор необходимого для конкретной задачи
источника излучения влияют условия использования и экономические
соображения. Во всех случаях, когда это возможно, радионуклидные
источники заменяются ускорителями частиц или рентгеновскими аппаратами. В настоящее время в коммерческих применениях ускорители
используются примерно в 10 раз чаще, чем изотопные источники.
В книге подробно анализируются эффекты, возникающие в различных веществах, в кристаллах, полимерах, стекле, керамике и др.
под действием облучения. Рассматривается роль радиации в синтезе
и модифицировании веществ, описаны варианты радиационной обработки, полимеризации без катализаторов и химических инициаторов,
вулканизация резинотехнических изделий, изготовление нанопористых
структур и др. Не оставлено без внимания и влияние радиации на биологические структуры, в частности, стерилизация медицинской, пище
Предисловие

вой, фармацевтической продукции, обеззараживание отходов лечебнопрофилактических учреждений, пастеризация и дезинсекция продуктов
питания, очистка стоков сельскохозяйственных предприятий.
Большое внимание уделено обоснованию выбора определенного вида излучения и способа его аппаратурной реализации.
Совокупность вопросов, составляющих раздел науки «Радиационные технологии», чрезвычайно обширна. Невозможно дать даже краткую характеристику всем применениям ядерной техники в различных
областях науки и народного хозяйства». Сфера применений непрерывно
расширяется. Рассмотреть всю проблематику радиационных технологий
сколько-нибудь детально в одной книге не представляется возможным.
Оказалось более удобным разделить материал на две книги. Первая —
«Физические основы радиационных технологий» [1] — рассматривает
вопросы потери энергии различных видов излучений в веществе. Настоящая книга, посвящена анализу того, как вещество энергию излучений воспринимает и как воздействие излучений на вещество используется в разнообразных применениях. По ходу изложения многократно делаются ссылки на материал первой книги, она реферируется как
«книга 1».
Особо надо отметить мультидисциплинарный характер проблемы.
Сами ионизирующие излучения, их генерация, свойства и воздействие
на вещество — объект внимания физиков. Но используют их химики,
биологи, врачи, инженеры, специалисты многих других технических
и естественных отраслей знаний и производств, а также представители гуманитарных наук. В каждой отрасли своя терминология, свои
единицы измерения, своя базовая подготовка читателей. Объединить
разрозненные знания и интересы нам представляется весьма важным.
Целью данной книги является обзор основных применений радиационных технологий. Книга предназначена для студентов, аспирантов и
преподавателей инженерно-физических и технических специальностей,
для инженеров и специалистов различных отраслей промышленности,
использующих ионизирующие излучения в своей работе или пользующиеся результатом таких воздействий, а также для читателей, интересующихся современными проблемами, связанными с использованием
ионизирующих излучений.

Г Л А В А
1

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ИЗЛУЧЕНИЙ В ВЕЩЕСТВЕ

§ 1.1.
ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ ПЕРВИЧНОЙ ЧАСТИЦЫ
В ВЕЩЕСТВЕ

1.1.1.
Образование носителей зарядов в газах

Первичная частица (она может быть в принципе любого
типа) тратит свою энергию на ионизацию и возбуждение. Образованные при ионизации дельта-электроны ионизируют и возбуждают атомы
вещества и, в частности, образуют вторичные дельта-электроны. Вторичные дельта-электроны в свою очередь создают третичные, а те —
четвертичные и т. д. Такой процесс называют ионизационным каскадом.
Поскольку при этом энергия, первоначально сосредоточенная в одной
частице, разменивается небольшими порциями и передается большому
числу электронов с малой энергией, то говорят, что происходит деградация или диссипация энергии.
В процессе размена энергия всех дельта-электронов становится меньше энергии ионизации, после чего новые дельта-электроны перестают
появляться, а имеющиеся могут терять энергию в неупругих соударениях возбуждения, пока их энергия не станет меньше U min
ex . Дальнейшая судьба этих подпороговых дельта-электронов обсуждается в § 1.4.
Запишем баланс энергии, потерянной первичной частицей с энергией E0 в веществе.
На создание каждой электронно-ионной пары тратится энергия Ui,
а всего в ионизационном каскаде первичной частицей и дельта-электронами всех поколений образуется Ni пар. Вследствие случайного характера взаимодействия заряженной частицы с атомами вещества величина Ni флуктуирует. Записывая баланс энергии, воспользуемся средним
значением Ni.
Кроме однократной ионизации, при прохождении частицы могут
происходить акты многократной ионизации главным образом за счет
ионизации внутренних оболочек. Многозарядные ионы в столкновении

Гл. 1. Элементарные процессы преобразования энергии

с нейтральными атомами могут перезаряжаться, образуя новые однозарядные ионы. Однако двукратно заряженные ионы в благородных
газах уже не могут образовать двух однократных, поскольку энергия
двукратной ионизации меньше удвоенной энергии однократной ионизации. Так, в аргоне Ui = 15,8 эВ, а U II
i = 27,6 эВ, в ксеноне Ui = 12,1 эВ,
а U II
i = 21,2 эВ. Поэтому в столкновениях второго рода появляются
возбужденные атомы, а избыточная энергия переходит в кинетическую
энергию атомов:
Ar++ + Ar
G
A Ar+ + Ar∗.
(1.1)

В результате таких процессов часть энергии, пошедшей на ионизацию, не включается в баланс. Чтобы учесть ее, Р.Л. Платцман (R.L. Platzman) [1] предложил ввести небольшой коэффициент ki. Таким образом, суммарная энергия, потраченная на ионизацию, равна kiNiUi.
Суммарную энергию, потраченную на возбуждение, можно получить, просуммировав все переходы в соответствии со спектром уровней
возбуждения. Введя среднюю энергию возбуждения Uex, имеем
X Uex = NexUex.
(1.2)

Остальная энергия первичной частицы оказывается заключенной
в кинетической энергии подпороговых электронов, распределенных по
cпектру. Введя среднюю энергию подпороговых электронов Eδ, получим
X Eδ = NδEδ.
(1.3)

В итоге баланс энергии имеет вид

E0 = kiNiUi + NexUex + NδEδ.
(1.4)

Поскольку при прохождении частицы электроны возникают только
в процессах ионизации, то можно принять, что Ni = Nδ.
Для количественной характеристики образования ионов энергию частицы делят на число пар ионов. Частное называют средней энергией
образования пары ионов:

w = E0

Ni
= kiUi + UexNex + Eδ.
(1.5)

Расчеты всех входящих в соотношение баланса энергии (1.5) величин весьма затруднительны, поскольку плохо известны соответствующие сечения. Р. Л. Платцманом была сделана оценка, согласно которой
для всех благородных газов имеют место примерно одинаковые соотношения [1],

ki = 1,06;
Eδ
Ui = 0,31;
Uex
Ui = 0,85;
Nex
Ni
= 0,4.
(1.6)

1.1. Диссипация энергии первичной частицы в веществе
13

Отсюда для средней энергии образования пары ионов получаем

w
Ui = 1,71.
(1.7)

Последующие, более детальные оценки показали, что соотношения (1.7) в разных благородных газах несколько различаются, но погрешности, связанные с приближенным характером расчетов, в большинстве случаев не превышают 10%.
Характерной чертой ионизации и возбуждения благородных газов
является довольно узкий энергетический диапазон уровней возбуждения, что приводит к малой доле переходов в область дискретного
спектра, связанных с возбуждением атомов, по отношению к переходам
в континуум, связанным с ионизацией атомов. Так, в аргоне энергия
ионизация Ui = 15,76 эВ, а низший резонансный уровень возбуждения
U min
ex
= 11,61 эВ. Из-за этого отношение Uex/Ui велико, а w/Ui относительно мало по сравнению с другими газами. В молекулярных газах
рассчитанное значение отношения (1.7) оказывается заметно больше.
Так, в водороде w/Ui = 2,50.
Выше было показано, что в инертных газах Nex/Ni = 0,4. В молекулярных газах это отношение оказывается равным примерно единице.
Средняя энергия образования пары ионов оказывается очень важным параметром, характеризующим воздействие излучения на вещество. Обсуждению информации об этом параметре, доступной на время написания, посвящен специальный выпуск доклада Международной Комиссии по Радиационным Единицам и Измерениям (Intrenational
Comission on Radiation Units and Measurement — ICRU) — доклад №31,
1979 [2]. Исследование зависимости величины этого параметра от типа
и энергии частиц продолжается вплоть до настоящего времени [3–10].
Длительное время подробно изучалась зависимость величины w от
энергии и типа частиц. Можно считать установленным, что wα/wβ ≈ 1
для благородных газов и водорода и ∼ 1,05–1,07 для других молекулярных газов. Видимо это связано с вкладом упругих потерь энергии
на концах пробегов альфа-частиц. Хорошо известно, что w для медленных тяжелых ионов заметно больше, чем wα и wβ. Это обстоятельство
обычно представляется как наличие «ионизационного дефекта» Eдеф:

w = wβ
E0

(E0 − Eдеф).
(1.8)

Такое представление предполагает, что энергия (E0−Eдеф) идет на образование электронов с эффективностью 1/wβ, а энергия Eдеф передается
в упругих столкновениях с очень малой вероятностью ионизации.

Гл. 1. Элементарные процессы преобразования энергии

Предполагается, что величина w растет в области малых энергий
частиц. Полагая, что при малой энергии частицы число образованных
ею носителей заряда пропорционально не самой энергии, а разности
между ее кинетической энергией и энергией ионизации, можно получить простое выражение для w

w =
w∞

(1 − Ui/E),
(1.9)

где w∞ — средняя энергия образования пары ионов при большой энергии частиц.
Очевидное подтверждение роста величины w с уменьшением энергии частиц получено в работе в области энергий до 1,5 кэВ [10]. При
облучении вещества рентгеновскими квантами изменение w коррелирует с ионизацией L- и M-оболочек.
В табл. 1.1 приведены значения средней энергии образования пары
ионов в некоторых газах.

Таблица 1.1. Средняя энергия образования пары ионов в некоторых газах [1]

Вещество
He
Ne
Ar
Kr
Xe
H2
N2
O2
CO2
CH4
Воздух

w, эВ
42,3 36,6 26,4 24,1 21,9 36,3 34,9 30,8
32,8
27,3
34,0

w/Ui
1,72
1,70
1,68
1,72 1,80 2,35 2,24
2,55
2,38
2,10
—

Средняя энергия образования пары ионов измерялась многократно
разными авторами в разных лабораториях различающимися методами.
Соответственно и результаты измерений несколько различаются. В других обзорах и руководствах читатель может найти другие значения параметра w, хотя разброс в настоящее время невелик. Однако величина
w = 34,0 эВ для воздуха, ввиду важности этого параметра, рекомендована Международной комиссией по радиологическим единицам [12].
Экспериментальное определение величины w довольно просто, но
получить точное значение очень сложно [1]. Имеется большое число
факторов, которые могут влиять на результат как в одну, так и в другую
сторону. Проанализируем главные из них.
Обычно в эксперименте величина, пропорциональная Ni, определяется путем измерения либо амплитуды ионизационного импульса, либо среднего тока. Число зарядов, извлеченных с трека частицы и участвующих в формировании сигнала, сильно зависит от рекомбинации на
треке (см. гл. 4). Неправильный учет роли рекомбинации может приводить к погрешностям в определении Ni. В импульсных измерениях существенную роль может играть захват электронов молекулами электроотрицательных примесей (см. гл. 2). Правда, в случае токовых измерений это обстоятельство роли не играет, поскольку при захвате электро
1.1. Диссипация энергии первичной частицы в веществе
15

нов в газах образуются отрицательные ионы, которые также дают вклад
в ток. В токовых измерениях вклад в ток электронов и отрицательных ионов, несмотря на их существенно различающуюся подвижность,
эквивалентен. Значительные погрешности могут возникать при неправильном определении энергии частицы, потерянной ею в веществе.
Важную роль в точности измерения w играет чистота исследуемого
вещества. В некоторых случаях небольшие добавки могут существенно
менять энергию образования пары ионов. Так, в смесях некоторых газов
энергия нижнего возбужденного уровня основного газа оказывается
выше, чем энергия ионизации примеси. В этом случае могут происходить неупругие соударения 2-го рода, приводящие к дополнительной
ионизации. Например, в смеси Ne + Ar идет реакция

Ne∗ + Ar
G
A Ne + Ar+ + e.
(1.10)

Вероятность таких реакций особенно велика, поскольку нижний
возбужденный уровень благородных газов метастабилен и, следовательно, время жизни его довольно велико.
Дополнительная ионизация, возникающая в таких реакциях, заметно изменяет измеряемую величину w. Для некоторых смесей это изменение приведено в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Средняя энергия образования пары ионов в газовых смесях

Вещество
He
He + 0, 13%Ar
Ne
Ne + 0, 12%Ar
Ar
Ar + 0, 2%C2H2

wср, эВ
41,3
29,7
36,3
26,1
26,4
21

Указанный эффект влияния малых добавок примеси на выход ионизации иногда называют эффектом Джесси [11]. Он используется для
уменьшения средней энергии образования пары ионов, главным образом, для уменьшения флуктуаций ионизации (см. § 1.3).
При воздействии излучений некоторые вещества излучают часть
поглощенной энергии в виде света — люминесцируют (сцинтиллируют).
Интенсивность люминесценции и эффективность преобразования энергии излучения в свет можно оценивать по числу фотонов, испущенных
веществом при возбуждении частицей. Для количественной характеристики выхода фотонов по аналогии с ионизацией удобно ввести среднюю энергию, затраченную на образование фотона.
Фотоны могут возникать из двух источников: во-первых, при переходе возбужденных атомов в основное состояние, а во-вторых, при
рекомбинации ионов.
Следует отметить, что испускание фотонов происходит после весьма
сложных превращений, которые претерпевают возбужденные атомы,
электроны, ионы и продукты их рекомбинации. В процессе этих пре
Доступ онлайн
690 ₽
В корзину