Воздействие ионизирующего излучения на вещество

УДК 539.2

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО © Г.В. Новиков, А.В. Чиванов, А.В. Летнев, Е.С. Меркулова, В.А. Федоров

Novikov G.V., Chivanov A.V., Letnev A.V., Merkulova E.C., Feodorov V.A. Influence of the ionizing radiation on substance. Interaction of an ionizing radiation with substance is considered. Electronic and laser radiations are con-sidered in more detail. The basic features of the influence of these types of ra-diation on substance are noted.

Использование интенсивных потоков радиации позволяет решать как фундаментальные проблемы физики твердого тела, так и задачи практического материаловедения, связанные с разработкой новых поколений высококачественных материалов. В связи с этим, в последние десятилетия интенсивно изучается поведение твердых тел в мощных радиационных полях.

Понимание физики процессов возникновения и последующей перестройки радиационных дефектов открывает возможности направленного воздействия на свойства материалов.

ОБ ИОНИЗИРУЮЩЕМ ИЗЛУЧЕНИИ

Важнейший фактор в явлениях взаимодействия излучения со средой - ионизационные потери, которые представляют собой акт ионизации, происходящий в том случае, когда кинетическая энергия облучающей частицы больше энергии связи орбитального электрона с ядром атома облучающейся среды. При этом электрон может быть сорван с оболочки облучаемого атома, и электрически нейтральный атом временно превращается в заряженное образование - ион, несущий положительный заряд. Сорванный электрон, теряя свою кинетическую энергию на ионизацию встречных атомов, замедляется и захватывается каким-либо атомом, превращающимся при этом в отрицательный ион, т.е. возникает пара ионов.

Помимо ионизационных потерь энергии, в веществе с высоким атомным номером имеют значение так называемые радиационные потери, возникающие при торможении движущейся частицы в электрическом поле встречных атомов. Энергия, затраченная при этом движущейся частицей, высвечивается квантами тормозного рентгеновского излучения. Радиационные потери выражены слабее в среде, состоящей из легких атомов.

Излучения наряду с ионизацией вызывают возбуждение атомов среды. Возбуждение атомов требует меньше энергии, чем ионизация. В связи с этим летящая заряженная частица способна возбуждать атомы, расположенные на большем удалении от ее траектории, чем при ионизации. Поэтому на каждый акт ионизации приходится примерно два-три акта возбуждения.

Ионизированное состояние длится лишь стомиллионные доли секунды, после чего положительный ион, присоединив к себе любой свободный электрон, рекомбини-

рует. Рекомбинация сопровождается перегруппировкой орбитальных электронов; при этом энергия излучения, ранее поглощенная атомом при ионизации, превращается в простых веществах в тепловую энергию колебания молекул, но в некоторых веществах высвобождается, в виде квантов £-, рентгеновского или ультрафиолетового излучения и даже видимого света. В последнем случае возникает явление люминесценции. Таким же путем избыток энергии отдается и возбужденными атомами. В сложных веществах возвращение в невозбужденное состояние может приводить к появлению химически активных радикалов и к другим химическим превращениям, которые, в свою очередь, способны изменить физические свойства облучаемого объекта [1].

Таким образом, ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом, вызывает в нем различные эффекты: первичные: ионизация, возбуждение, люминесценция и вторичные: химические и физические изменения. На выявлении перечисленных эффектов основаны средства и методы обнаружения и регистрации ионизирующего излучения [2].

При поглощении ионизирующих излучений в молекулярной системе в результате ионизации и возбуждения образуются ионы, электроны, свободные радикалы и другие промежуточные активные частицы, которые характеризуются высокой реакционной способностью, малым временем жизни и большими константами скорости реакций.

Образование возбужденных состояний молекул может происходить при непосредственном возбуждении молекул излучением, при нейтрализации ионов, при передаче энергии от возбужденных молекул матрицы молекулам добавки.

В отдельных молекулярных системах могут возникать более сложные возбужденные состояния: эксиме-ры, эксиплексы, экситоны, плазмоны, возможно появление высоковозбужденных и сверхвысоковозбужденных состояний.

На процессы ионизации расходуется более половины поглощенной энергии излучений [3].

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО

Электронное излучение разделяют на излучение ^-частиц, то есть на электроны с энергией от 0,02 до

2,3 МэВ, возникающие при распаде радиоактивных ядер, и ускоренные электроны, которые создаются ускорителями электронов.

Основной механизм взаимодействия заряженных частиц с веществом - взаимодействие с электронами (процессы ионизации и возбуждения) и кулоновским полем ядер и электронов (радиационные потери).

Путь ионизирующей частицы или фотона в веществе называют треком, который состоит из шпор (содержит несколько ионизованных или возбужденных частиц; затрачивается энергия 6-100 эВ), так называемых блобов (100-500 эВ), содержащих несколько слившихся шпор, и коротких треков (500-5000 эВ), содержащих десятки и сотни слившихся шпор. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом характеризуется также величиной линейной передачи энергии, которая определяет полную потерю энергии заряженной частицы в заданной окрестности ее трека на единицу длины трека при столкновениях.

Последовательность процессов в веществе, развивающихся после поглощения энергии излучений, условно принято делить на физическую, физикохимическую и химическую стадии. Физическая стадия происходит за время 10-16 -10-15 с и включает процессы поглощения, перераспределения и деградации поглощенной энергии. В результате ионизации и возбуждения молекул образуются ионы (М+), возбужденные ионы (М+*), электроны, возбужденные состояния молекул (М*), сверхвозбужденные состояния молекул (М**) с энергией, превышающей первый потенциал ионизации молекул, а также плазмоны, представляющие собой коллективное сверхвозбужденное состояние ансамбля молекул. Молекулярная система находится в энергетически неравновесном состоянии с негомогенным распределением активных частиц. Общий радиационный выход первичных заряженных и возбужденных частиц составляет 7-10 частиц/100 эВ. На физикохимической стадии за время 10-13 -10-10 с протекают реакции заряженных и возбужденных частиц, процессы передачи энергии и молекулярная система переходит в состояние теплового равновесия. На химической стадии в шпорах, блобах и коротких треках протекают реакции образовавшихся ионов, электронов, свободных радикалов друг с другом и с молекулами среды [4].

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО

В зависимости от вида материала, режима его облучения и интенсивности подводимого лазерного излучения в кристаллах возникают повреждения, отличающиеся порогом возникновения и степенью разрушения матрицы оптического элемента [5-9].

При импульсном режиме облучения по мере увеличения интенсивности излучения от импульса к импульсу вначале возникают повреждения на поверхности кристаллов, а затем и в объеме.

Повреждения поверхности оптических элементов представляют собой мелкую сетку трещин глубиной 0,1-1 мм и протяженностью 1-100 мм, ориентированных в соответствии с ориентацией кристаллографических плоскостей, выходящих на поверхность блоков и зерен. В полупроводниковых кристаллах часто наблюдается выкрашивание частиц материала с поверхности

с образованием хаотично расположенных кратеров и каверн произвольной формы размером до 1-3 мм и глубиной до 0,05-0,3 мм.

В объеме ионных кристаллов в результате оптического пробоя на поглощающих микронеоднородностях появляются повреждения в виде сферических полостей диаметром 5-60 мкм, окруженных микротрещинами, ориентированными по плоскостям спайности. Объемные повреждения в полупроводниковых кристаллах представляют собой полости размером 10-40 мкм, сферические в кубических кристаллах, либо имеющие огранку в кристаллах гексагональной сингонии.

Под действием еще более интенсивного излучения инициируется процесс прохождения стадии образования полостей с последующим возникновением каверн произвольной формы, достигающих размеров ~ 0,013 мм, а также трещин по границам блоков и зерен в полупроводниковых кристаллах, либо по плоскостям спайности в ионных кристаллах. В щелочно-галоидных кристаллах обнаружено возникновение центров окраски на стенках трещин.

Повреждение кристаллов при квазинепрерывном и непрерывном режимах облучения происходит в результате постепенного накопления внутренних напряжений и сопровождается их раскалыванием по плоскостям спайности и границам блоков [8, 10]. При этом в полупроводниковых кристаллах при высокой интенсивности излучения возможно локальное проплавление матрицы от входной грани вглубь оптического элемента.

Повреждения, возникающие в кристаллах под действием коротких серий импульсов при импульснопериодическом режиме облучения, сходны с теми, что возникают при моноимпульсном облучении. Заметного изменения величины внутренних напряжений при этом не происходит. Однако при длительном облучении оптических элементов излучением с допороговой интенсивностью в них наблюдается постепенное накопление внутренних напряжений, аналогично тому, как это происходит при непрерывном режиме облучения и может вызвать раскалывание оптических элементов.

ДЕФЕКТЫ, ОБРАЗУЮЩИЕСЯ В МАТЕРИАЛАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Все виды электронного и корпускулярного излучений, проходя через вещество, взаимодействуют либо с ядрами атомов, либо с орбитальными электронами, приводя к изменению свойств облучаемого вещества.

Обычно различают первичную и вторичную стадии этого процесса. Первичная стадия, или прямой эффект, состоит в возбуждении электронов, в смещении атомов из узлов решётки, в возбуждении атомов и молекул и в ядерных превращениях. Вторичные процессы состоят в дальнейшем возбуждении и нарушении структуры выбитыми из «своих мест» атомами, ионами и элементарными частицами в результате первичных процессов. Законы, которым они подчиняются, такие же, как законы, управляющие первичными стадиями процесса. Таким образом, частицы или кванты высокой энергии могут вызвать каскадный процесс с образованием большого числа смещённых атомов, вакансий, ионизированных атомов, электронов и т. д.

Современная интерпретация изменений свойств веществ, возникающих в результате взаимодействия ионизирующих излучений, основывается на рассмотрении процесса образования различных дефектов в материале.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Область применения ионизирующих излучений очень широка:

- в промышленности - это гигантские реакторы для атомных электростанций, для опреснения морской и засолённой воды, для получения трансурановых элементов; также их используют в активационном анализе для быстрого определения примесей в сплавах, металла в руде, качества угля;

- в сельском хозяйстве - это установки для массового облучения овощей с целью предохранения их от плесени, мяса - от порчи; выведение новых сортов путём генетических мутаций;

- в геологии - это нейтронный каротаж для поисков нефти, активационный анализ для поисков и сортировки металлических руд, для определения массовой доли примесей в естественных алмазах;

- в медицине - это изучение производственных отравлений методом меченых атомов, диагностика заболевания при помощи активационного анализа, метода меченых атомов и радиографии, лечение опухолей у-лучами и в-частицами, стерилизация фармацевтиче-

ских препаратов, одежды, медицинских инструментов и оборудования у-излучением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков Н.Б., Майер А.Е., Талала К.А., Яловец А.П. О механизме образования микрократеров на поверхности мишени, облучаемой мощным электронным пучком // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. Вып. 10. С. 20-28.

2. Демиховский В.Я. Электронная микроскопия // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 5. С. 80-86.

3. Завилопуло А.Н., Снегурский А.В. Пороговая ионизация молекул электронным ударом // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 21. С. 112-116.

4. Милинчук В.К. Радиационная химия // Соросовский образовательный журнал. 2000. № 4. С. 24-29.

5. Ковалев В.И. Исследование механизма пробоя на поверхности материалов ИК-оптики под действием излучения импульсного СО2-лазера // Труды ФИАН. М.: Наука, 1982. Т. 136. С. 51-117.

6. Горшков Б.Г. Исследование механизмов разрушения ионных кристаллов под действием импульсного лазерного излучения на-носекундного диапазона // Труды ФИАН. М.: Наука, 1982. Т. 137. С. 81-134.

7. БахаревМ.С., Миркин Л.И., Шестериков С.А. и др. Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях. М.: МГУ, 1988.

8. Карась В.Р. Перспективные материалы для окон СО2-лазеров. Обзорная информация. Серия: Монокристаллы. М.: НИИТЭХИМ и ВНИИ Монокристаллов, 1978.

9. Горшков Б.Г., Данилейко Ю.К., Маненков А.А. и др. Размерный эффект и статистика лазерного разрушения ЩГК на длине волны 10,6 мкм // Квантовая электроника. 1981. Т. 8. № 1. С. 148-154.

10. Казанцев С.Г. Лазерная стойкость перспективных материалов силовой ИК-оптики. Ч. 1. Механизмы повреждения материалов силовой ИК оптики. Ч. 2. Способы повышения лазерной стойкости и срока службы оптических элементов // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. № 4. С. 390-401.

Поступила в редакцию 26 декабря 2007 г.