Излучение Черенкова-Вавилова
Излучение Черенкова – Вавилова излучение – световое излучение,
возникающее при движении в веществе электрически заряженных частиц
(например, электронов) со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этом веществе (скорость распространения световых волн).
В отличие от тормозного излучения, возникающего при неравномерном движении электрических зарядов, черенковское излучение возникает и при равномерном движении,
но при скоростях движения электрона,
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
превышающих скорость света в данной среде. Обнаружено в 1934
П.А.Черенковым при исследовании гамма-люминесценции растворов как слабое голубое свечение жидкостей под действием гамма-лучей.
Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе
С.И. Вавилова, выявили ряд характерных особенностей излучения: свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава, излучение имеет поляризацию с преимущественной ориентацией электрического вектора вдоль направления первичного пучка, при этом в отличие от люминисценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения.
Черенкову удалось доказать, что наряду с люминесценцией при облучении жидкостей некоторыми радиоактивными β- и γ-источниками появляется совершенно новый тип свечения, многие характеристики которого прямо противоположны свойствам люминесценции. Здесь интенсивность и спектр излучения почти не зависят от типа вещества, его чистоты и температуры; излучение связано с движением в среде электронов
(это было установлено в специальных опытах, в которых сосуд с исследуемой жидкостью помещали в магнитное поле); излучение поляризовано и направлено вдоль пучка электронов; излучение имеет сплошной спектр, максимум интенсивности приходится на синюю часть спектра; излучение имеет пороговый характер; оно не вызывается, например,
рентгеновскими лучами с максимальной энергией 30 кэВ.
Обнаруженное Черенковым свечение носит универсальный характер в том смысле, что под действием излучения с достаточной энергией «светятся»
все прозрачные тела, а не только жидкости.
Синхотронное излучениеСинхротронное излучение,
магнитотормозное излучение, излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Излучение обусловлено ускорением, связанным с искривлением траекторий частиц в магнитном поле.
Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям, называют циклотронным излучением; оно происходит на основной гиромагнитной частоте и её первых гармониках. С увеличением скорости частицы роль высоких гармоник возрастает; при приближении к релятивистскому пределу излучение в области наиболее интенсивных высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора Y mc
2
/Е где m и Е - масса и энергия частицы, с - скорость света в вакууме.
Переходное излучение
Переходное излучение - излучение, возникающее при пересечении заряженной частицей границы между двумя средами с разными электромагнитными константами.
Выше уже упоминалось, что заряд, движущийся равномерно и прямолинейно, не может излучать электромагнитные волны: излучает только заряд, движущийся с ускорением. Это верно, если заряд находится в вакууме.
Если же заряд перемещается в веществе с постоянной скоростью,
превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде, то возникает черенковское излучение. А может ли излучать заряд, движущийся без ускорения с досветовой скоростью? Рассматривая, как образуется черенковское излучение, мы считали путь заряженной частицы в среде достаточно длинным, оставив без ответа вопрос, что происходит при входе частицы в черенковский радиатор. Между тем, поведение частицы на входе в черенковский радиатор или в общем случае при пересечении границы двух сред с различными электрическими и/или магнитными свойствами, как оказалось, представляет самостоятельный интерес.
При переходе заряда из одного вещества в другое возникает новый тип электромагнитного излучения, которое было названо переходным. Оно
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
сопровождает частицы, движущиеся со скоростью как большей, так и меньшей фазовой скорости света.
Переходное излучение применяется для регистрации ультрарелятивистских заряженных частиц - в основном самых легких:
электронов и позитронов. При этом используется излучение только в области рентгеновских частот. Именно по интенсивности переходного излучения или числу зарегистрированных рентгеновских фотонов отличают электроны и позитроны от более тяжелых частиц. Идентификация электронов и позитронов представляет важную задачу в физике высоких энергий. Дело в том, что время жизни большинства элементарных частиц столь мало, что они не могут быть зарегистрированы непосредственно, и изучить их свойства можно только путем регистрации продуктов распада. Многие из очень интересных для физиков частиц распадаются с испусканием электронов и/или позитронов.
Детектор переходного излучения состоит из нескольких модулей радиатор-детектор рентгеновских фотонов. Радиатор состоит из большого числа пленок с малым средним атомным номером Z. Последнее существенно для
уменьшения поглощения излучения в радиаторе, связанного главным образом с фотоэффектом: коэффициент поглощения рентгеновских фотонов пропорционален Z4.
Отметим, что интенсивным источником переходного излучения могут быть не только регулярные стопки из пленок или пластинок, но и микропористые материалы из полиэтилена, полиуретана, полистирола и других органических соединений.
4.2 Свойства и источники ионизированных излучений.Частицы и кванты, образующиеся при радиоактивном распаде ядер элементов, по-разному взаимодействуют с окружающей средой. Эти взаимодействия абсолютно не зависят от вида элемента, а лишь от свойств
(масса, энергия, заряд, частота и т.д.) самих частиц.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Основными свойствами радиоактивных излучений являются:
- способность проникать через вещества;
- ионизация вещества среды;
- выделение тепла при радиоактивном распаде;
- действие на фотоэмульсию;
- способность вызывать свечение люминесцирующих веществ;
- способность вызывать химические реакции и распад молекул (при длительном воздействии излучений изменяется окраска окружающих предметов).
Все эти свойства и используются при обнаружении и регистрации излучений, т.к. ни одно из шести чувств человека воздействие ионизирующих излучений не улавливает. Неспособность человека обнаружить радиацию создает вокруг радиоактивных излучений целую ауру таинственности и опасности, и значительно усложняет взаимоотношения общества с предприятиями и органами управления атомной промышленностью.
γ-лучи, α- и β-частицы обладают различной проникающей способностью. Пробег α-частицы в воздухе не превышает нескольких сантиметров; β-частицы могут пройти в воздухе несколько метров, а γ- кванты – десятки, сотни метров. При внешнем облучении человека α- частицы полностью задерживаются поверхностным слоем кожи, поэтому они не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества,
испускающие α-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану,
с пищей или с воздухом, тогда они становятся чрезвычайно опасными.
β-частицы не могут проникнуть вглубь человеческого организма больше, чем на несколько миллиметров (глубина проникновения 1 - 2 см).
Проникающая способность γ-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. γ-кванты вызывают облучение всего тела.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Источником ионизирующего
излучения может быть космический объект, земной объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать ионизирующее излучение. Источниками ИИ могут быть природные и искусственные радиоактивные вещества, различного рода ядерно-технические установки, медицинские препараты, многочисленные контрольно-измерительные устройства (дефектоскопия металлов, контроль качества сварных соединений). Они используются также в сельском хозяйстве, геологической разведке, при борьбе со статическим электричеством и др.
Любой источник излучения характеризуется:
1. Видом излучения – основное внимание уделяется наиболее часто встречающимся на практике источникам γ-излучения, нейтронов, β-, β+, α- частиц.
2. Геометрией источника (формой и размерами) – геометрически источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники представляют суперпозицию точечных источников и могут быть линейными,
поверхностными или объемными с ограниченными, полубесконечными или бесконечными размерами. Физически точечным можно считать такой источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и длины свободного пробега в материале источника
(ослаблением излучения в источнике можно пренебречь). Поверхностные источники имеют толщину много меньшую, чем расстояние до точки детектирования и длина свободного пробега в материале источника. В
объемном источнике излучатели распределены в трехмерной области пространства.
3. Мощностью и ее распределением по источнику – источники излучения наиболее часто распределяются по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
4. Энергетическим составом – энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим
(испускаются частицы одной фиксированной энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические частицы нескольких энергий) или непрерывным (испускаются частицы разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).
5. Угловым распределением излучения – среди многообразия угловых распределений излучений источников для решения большинства практических задач достаточно рассматривать следующие: изотропное,
косинусоидальное, мононаправленное. Иногда встречаются угловые распределения, которые можно записать в виде комбинаций изотропных и косинусоидальных угловых распределений излучений. На практике источники встречаются в неограниченном многообразии указанных характеристик.
Рентгеновское излучение
Источниками рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы (одни из них непосредственно испускают рентгеновские лучи, ядерные излучения других (электроны или α- частицы) бомбардируют металлическую мишень, которая испускает рентгеновские лучи).
Интенсивность рентгеновского излучения изотопных источников на несколько порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки,
но габариты, вес и стоимость изотопных источников несравненно меньше,
чем установки с рентгеновской трубкой. Источниками мягких рентгеновских лучей с L порядка единиц и десятков нм могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв, а также лазеры. По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2 - 3 порядка.
Естественные источники рентгеновских лучей – солнечная корона и другие космические объекты.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Приемниками рентгеновского излучения могут быть фотопленка,
люминесцентные экраны, детекторы ядерных излучений.
Электронная пушка - устройство для
создания направленного потока электронов; применяется в телевизионных трубках, рентгеновской аппаратуре, электронных микроскопах. В телевизионном приемнике электронная пушка используется для развертки изображения по экрану кинескопа.
УскорителиУскорители заряженных частиц
–
установки для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий с помощью электрического поля.
Частицы движутся в вакуумной камере; управление их движением
(формой траектории) производится магнитным (реже электрическим) полем.
По характеру траекторий частиц различают циклические и линейные ускорители, а по характеру ускоряющего электрического поля - резонансные и нерезонансные ускорители (последние – индукционные и высоковольтные).
К циклическим относятся ускорители электронов: бетатрон, микротрон,
синхротрон и ускорители тяжелых частиц (протонов и др.): циклотрон,
фазотрон и протонный синхротрон. Все циклические ускорители, за исключением бетатрона, - резонансные.
Линейные высоковольтные ускорители дают интенсивные пучки частиц с энергией до 30 МэВ. Самую высокую энергию электронов дают линейные резонансные ускорители (20 ГэВ), протонов – протонный синхротрон (500 ГэВ). Помимо первичных пучков ускоренных заряженных частиц, ускорители являются источником пучков вторичных частиц
(мезонов, нейтронов, фотонов и т.д., получаемых при взаимодействии первичных частиц с веществом. Ускоритель – один из основных инструментов современной физики. Пучки частиц высокой энергии используются для исследования природы и свойств элементарных частиц, в
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
физике атомного ядра и твердого тела, а также в дефектоскопии, лучевой терапии, радиационного синтеза и др.
Бетатрон – циклический ускоритель электронов, в котором электроны ускоряются вихревым электрическим полем, порожденным переменным магнитным полем. Обычно энергия электронов в бетатроне не выше 50 МэВ.
Синхротрон – ускоритель электронов с орбитой постоянного радиуса,
растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. В современных синхотронах достигнуты энергии 20 ГэВ.
Синхрофазотрон (- одновременно и - фазотрон) – протонный синхотрон
– ускоритель протонов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и переменной частотой ускоряющего электрического поля. Максимальная энергия протонов в современном синхрофазатроне 800 ГэВ.
Фазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, дейтронов и др.), в котором
управляющее магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.
Нейтронные источникиНейтронные источники – устройства, в которых идут ядерные реакции с образованием нейтронов.
Нейтроны образуются при различных ядернофизических процессах.
Любой источник излучения характеризуется:
1. Видом излучения – основное внимание уделяется наиболее часто встречающимся на практике источникам γ-излучения, нейтронов, β-, β+-, α- частиц.
2. Геометрией источника (формой и размерами) – геометрически источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники представляют суперпозицию точечных источников и могут быть линейными,
поверхностными или объемными с ограниченными, полубесконечными или бесконечными размерами. Физически точечным можно считать такой
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и длины свободного пробега в материале источника
(ослаблением излучения в источнике можно пренебречь). Поверхностные источники имеют толщину много меньшую, чем расстояние до точки детектирования и длина свободного пробега в материале источника. В
объемном источнике излучатели распределены в трехмерной области пространства.
3. Мощностью и ее распределением по источнику – источники излучения наиболее часто распределяются по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону.
4. Энергетическим составом – энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим
(испускаются частицы одной фиксированной энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические частицы нескольких энергий) или непрерывным (испускаются частицы разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).
5. Угловым распределением излучения – среди многообразия угловых распределений излучений источников для решения большинства практических задач достаточно рассматривать следующие: изотропное,
косинусоидальное, мононаправленное. Иногда встречаются угловые распределения, которые можно записать в виде комбинаций изотропных и косинусоидальных угловых распределений излучений.
Портативные нейтронные источники могут быть созданы при использовании ядер, подвергающихся спонтанному делению или тех,
которые испускают нейтроны в результате ядерных реакций. Все они дают небольшие потоки.
4.3 Биологическое действие ионизирующих излучений.
При облучении биологических объектов, содержащих воду,
находящуюся частично в свободном состоянии, а частично входящую в состав органелл соответствующих биосистем, принято считать, что 50%
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
поглощенной дозы в «средней» клетке приходится на воду, другие 50% - на ее органеллы и растворенные вещества. В соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) можно говорить о непрямом и прямом действии ионизирующего излучения.
При взаимодействии ионизирующего излучения с водой происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием так называемых молекулярных ионов, несущих положительный и отрицательный заряды.
Схематически этот процесс можно представить следующим образом:
Н2О - Н2О+ + е1, Н2О + е-1 - Н2О- .
Возникающие ионы воды, в свою очередь, распадаются с образованием ряда радикалов, которые взаимодействуют между собой:
Н2О+ - Н+ + ОН,
Н2О- - Н + ОН-,
Н + ОН - Н2О,
ОН + ОН - Н2О2, Н2О2 + ОН - Н2О + НО2.
Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н, ОН и особенно НО2 (гидропероксид). Последний радикал, обладающий высокой окислительной способностью, образуется при облучении воды в присутствии кислорода: Н + О2 = НО2. Выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода. Этим объясняется кислородный эффект при облучении,
проявляющийся в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия. Кислородный эффект отсутствует при облучении биообъектов излучением с высоким значением
ЛПЭ (например, нейтронами). Это явление объясняется тем обстоятельством,
что при взаимодействии частиц с веществом создается высокая удельная концентрация радикалов ОН, при которой протекают следующие реакции:
ОН + ОН - Н2О2, Н2О2 + ОН - Н2О + НО2, Н2О2 + О2Н - Н2О + ОН +
О2, Н + О2 - НО2, НО2 + ОН - Н2О + О2.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Таким образом, в
этом случае кислород, необходимый для возникновения радикала НО2, продуцируется непосредственно в зоне поглощения энергии, поэтому количество возникающих в данном случае окислительных радикалов не зависит от степени насыщенности растворов кислородом.
Возникшие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений,
давая начало вторично-радикальным продуктам. Время жизни этих продуктов значительно больше по сравнению со сроком жизни первичных радикалов, поэтому для них возможно проявление большей избирательности действия.
Пути размена энергии при действии ионизирующих излучений могут быть представлены на первом этапе возникновением ионизированных и возбужденных молекул:
А - А+ + е-1; А - А*.
Важнейшими процессами, ведущими к химическим преобразованиям (а следовательно, к поражению) биомолекул, являются диссоциации А* на соответствующие молекулярные продукты, взаимодействующие с
сенсибилизатором (например, О2).
Кроме указанных механизмов размена энергии, возможны процесс переноса энергии возбуждения путем реабсорбции (пере- поглощения активатором света люминесценции растворителя), образование комплексов молекул растворителя и активатора с передачей энергии внутри этого комплекса, передачей энергии при столкновении (диффузионный механизм)
и др. Конкурировать с перечисленными процессами поражения могут эффекты восстановления, к которым относятся люминесценция и преобразование энергии возбуждения в тепло.
Следует подчеркнуть, что в результате прямого и непрямого действия ионизирующих излучений на биосубстрат возникают идентичные вторичные
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
радикалы, которые могут служить объяснением определенной специфичности радиационно-химических превращений.
Дальнейшие этапы развития радиационного поражения молекулярных структур и наиболее радиочувствительных надмолекулярных образований сводятся к изменениям белков, липидов и углеводов. Так, например,
облучение белковых растворов приводит к конфигурационным изменениям белковой структуры, агрегации молекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, связанной с разрывом пептидных или углеводных связей.
Все эти процессы наблюдаются при поглощении достаточно высоких доз - порядка сотен тысяч рад и более. При облучении целостного организма в первую очередь изменяется содержание свободных аминокислот в тканях.
При общем облучении экспериментальных животных дозой 5 Гр понижается уровень метионина (важнейшего донора метальных групп) на
75%, триптофана на 26%, что оказывает большое влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной аминокислоты приводит к резкому замедлению биосинтеза белков. Отмечаемое уменьшение содержания сульфгидрильных групп в тканях облученных животных относится к наиболее ранним радиационным изменениям. В дальнейшем оно прогрессирует и достигает более 50% исходного уровня на 5-е сутки при облучении дозой 6 Гр. Считается, что начальная инактивация сульфгидрильных групп вызывается короткоживущими радикалами, а в дальнейшем она происходит за счет действия стойких перекисей.
Различные ферментные системы реагируют на облучение неодинаково.
Активность одних ферментов после облучения возрастает, других понижается, третьих остается неизменной. Важно отметить, что при облучении организма происходят повреждение систем синтеза нуклеиновых кислот и стимуляция ферментных систем, деполяризующих эти макромолекулы.
К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование. Нарушение этого процесса отмечается
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
уже через несколько десятков минут после облучения дозой 1 Гр. Оно проявляется в повреждении системы генерирования аденозинтрифосфата, без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности.
Высокой чувствительностью обладают дезоксирибонуклеиновые комплексы (ДНК клеточного ядра в комплексе с щелочными белками, РНК и ферментами). Уже через несколько минут после облучения происходят высвобождение нуклеиновой кислоты из дезоксинуклеопротеида и одновременное накопление нуклеиновых кислот в цитоплазме облученных клеток. Предполагается, что в этом случае в первую очередь поражаются связи белок-белок и белок-ДНК.
Облучение простых сахаров значительными дозами приводит к их окислению и распаду, в результате чего образуются органические кислоты и формальдегид. Облучение растворов полисахаридов (например, крахмала)
сопровождается значительным понижением их вязкости, появлением простых сахаров (глюкозы, мальтозы) и др.
При дозах 5-10 Гр выявлены изменения в мукополисахаридах. Так,
понижается
вязкость гиалуроновой кислоты, теряется ее способность к соединению с белком. Облучение другого мукополисахарида - гепарина - приводит к его деполяризации, сопровождающейся потерей антикоагулянтных свойств. При облучении целостного организма содержание гликогена снижается в скелетных мышцах, печени и ряде других тканей, как предполагают, в результате нейрогуморальной реакции на облучение. Кроме того, нарушаются процессы распада глюкозы и в первую очередь анаэробного гликолиза. Отмечаются изменения и в обмене высокополимерных полисахаридов - гиалуроновой кислоты и гепарина.
При действии ионизирующих излучений на липиды образуются перекиси, которым придают особо важное значение в развитии лучевого поражения. Схема реакций в этом случае может быть представлена так:
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
При облучении организма снижаются содержание липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови, что, по-видимому, связано с изменениями углеводного обмена.
Наряду с некоторой стимуляцией синтеза липидов происходит также повышенная их окисляемость, в результате которой возникают перекиси.
При этом образование перекисей обусловлено не столько прямым действием радиации, сколько результатом угнетения ряда антиоксидантов. Необходимо также отметить, что в результате действия радиации обнаруживаются изменения в липопротеинах во внутриклеточных структурах, в частности в митохондриях и микросомах.
Перечисленные выше некоторые поражения молекулярных структур,
возникающие в результате облучения, далеко не исчерпывают все сведения,
которые накоплены к настоящему времени в этой области. Вместе с тем эта информация до настоящего времени пока еще носит описательный качественный характер.
Скачать 459.37 Kb.