Радиоизотопные источники бета-излучения

Как уже отмечалось в п. 1.3 неустойчивые изотопы лёгких и средних элементов преимущественно подвержены бета-распаду. Если ядро имеет избыток нейтронов, то один из них испускает β^--частицу (т.е. электрон) и антинейтрино , превращаясь в протон. При этом порядковый номер изотопа увеличивается на единицу, а массовое число остаётся прежним, т.е. исходный элемент превращается в другой элемент с той же атомной массой. Если же ядро имеет избыток протонов, то происходит β⁺-распад, т.е. один из протонов испускает позитрон (β⁺-частицу) и нейтрино и превращается в нейтрон. При этом порядковый номер изотопа уменьшается на единицу, а массовое число остаётся прежним. Таким образом, при β-распаде мы всегда имеем превращение исходных элементов в соседние по порядковому номеру элементы, но с прежней атомной массой.

Испускаемые при β-распаде электроны и позитроны объединяются в одну группу бета-частиц. Они имеют равные массы и равные по абсолютной величине, но противоположные по знаку электрические заряды, т.е. позитрон является античастицей по отношению к электрону. Энергия, выделяемая при β-распаде, распределяется случайным образом между β-частицей и нейтрино (антинейтрино). Поэтому бета-излучение имеет сплошной спектр, т.е. энергия испускаемых β-частиц имеет непрерывное распределение от нуля до некоторой граничной энергии Е _макс , определяемой энергией, выделяемой нуклоном при β-распаде. Для различных изотопов она различна, но не превышает 10 МэВ. Энергичные позитроны взаимодействуют с веществом аналогично электронам. Лишь когда позитроны практически полностью потеряют свою энергию, они аннигилируют с электронами, высвобождая энергию в виде гамма-квантов, энергия которых в соответствии с соотношением Эйнштейна равна Е _γ = 2 m_ec ², где m_e – масса электрона, с – скорость света в вакууме, что соответствует 1,022 МэВ.

Поскольку β-частицы являются заряженными частицами, то при прохождении через любое вещество они активно взаимодействуют с электронными оболочками атомов этого вещества и быстро теряют свою кинетическую энергию, после чего электроны захватываются атомами, приводя к их ионизации (образуются отрицательные ионы), а позитроны аннигилируют с ближайшими атомными электронами (что также приводит к ионизации этих атомов, образуя положительные ионы) с испусканием гамма-квантов с энергией 1,022 МэВ. Поэтому β-частицы имеют невысокую проникающую способность, что позволяет достаточно легко обеспечить эффективную защиту от прямого β-излучения. Основную опасность представляют β-активные аэрозоли, легко переносимые потоками воздуха и попадающие внутрь организма при дыхании, а также вместе с пылью оседающие на кожных покровах человека.

Поскольку радиоактивные изотопы подавляющего большинства элементов подвержены именно β-распаду, то любой мощный источник ионизирующего излучения (и, особенно, нейтронного излучения) приводит к появлению в окружающем пространстве радиоактивных изотопов тех веществ, которые окружают этот источник, включая и аэрозоли, которые всегда находятся в окружающей воздушной среде во взвешенном состоянии и в ещё большей концентрации в виде осевшей пыли покрывают поверхности всех окружающих предметов. Подавляющее большинство этих вторичных радиоактивных изотопов подвержены именно β-распаду и вместе с пылью различными путями могут попадать внутрь организма, приводя к тяжёлым последствиям. Поэтому защита от радиоактивных аэрозолей и во взвешенном, и в конденсированном состоянии представляет одну из важнейших задач обеспечения радиационной безопасности. Для определения концентрации β-активных аэрозолей в воздухе и загрязнения β-активными веществами кожных покровов и одежды персонала, а также поверхностей различных предметов создаются специальные приборы. Для их градуировки и испытаний очевидно необходимы образцовые источники β-излучения с известной активностью и средней энергией излучения.

Характеристики некоторых наиболее широко используемых радиоизотопных β-источников приведены в таблице 2.4 [3, 8]. В начале этой таблице приводятся изотопы, которые имеют только один β-переход (их называют «чистыми» β-излучателями), а в конце таблицы приведены изотопы имеющие по нескольку β-переходов.

Таблица 2.4

Характеристики β-излучения некоторых наиболее широко

применяемых радиоактивных нуклидов

Нуклид и дочерний продукт	Т 1/2	Q, кэВ	Е β i, кэВ	n β i, %	i, кэВ/β-частица	, кэВ/распад
	12,33 года	18,57	18,6		5,7	5,7
	5730 лет	156,47	156,5		49,4	49,4
	14,282 сут	1710,4	1710,4		694,5	694,5
	87,5 сут	167,47	167,5		48,8	48,8
	100,1 лет	65,87	65,9		17,1	17,1
	29,2 года				196,1	196,1
	371,6 сут	39,4	39,4		10,1	10,1
	30 лет	1173,2	511,5 1173,2	94,43 5,57		179,3
	3,784 года	763,4	763,4	97,45		237,4
	163,8 сут	256,9	244,4 256,9	0,0019 99,9981		77,2
	55,2709 лет	2823,6	317,8 664,8 1491,1	99,92 0,005 0,08		96,2
	64,26 ч	2279,2	518,5 2279,2	0,016 99,9885		930,6

В первой колонке приводится реакция распада, включая дочерний продукт. Если дочерний продукт является стабильным, то он подчёркивается. Во второй колонке – период полураспада Т _1/2; в третьей – разность энергий между основными состояниями материнского и дочернего ядер Q, кэВ. В четвёртой и последующих колонках – данные об энергетическом спектре: Е _{β i} – граничная частота β-спектра i -го β-перехода, т.е. максимальная энергия непрерывного спектра i -го β-перехода; n _{β i},% – выход β-частиц i -го β-перехода в процентах; – средняя энергия спектра β-излучения i -го β-перехода на 1 β-частицу, кэВ/β-частица (средняя энергия β-частиц, определяемая по энергетическому спектру β-излучения i -го β-перехода); – средняя энергия спектра β-излучения на 1 распад ядра, кэВ/распад (средняя энергия β-частиц, определяемая по энергетическому спектру β-излучения данного радионуклида).

Графический вид спектров некоторых β-активных нуклидов, из перечисленных в таблице 2.4, приведен на рисунке 2.7 [3]. Здесь по оси ординат отложены значения спектральной плотности, пронормированные на 100 распадов (т.е. число β-частиц, приходящихся на энергетический интервал в 1 кэВ, излучаемых за 100 β-распадов). Из графиков следует, что на начальных участках спектральная плотность либо близка к равномерной, либо слабо растёт, затем идёт участок с более или менее плавным снижением спектральной плотности, а ближе к конечным участкам, где энергия β-частиц приближается к максимальной для данного изотопа спектральная плотность падает очень круто (почти вертикально).

Рис. 2.7. Энергетические спектры некоторых β-активных нуклидов