ВВЕДЕНИЕ. Явление радиоактивности было открыто Антуаном Анри Беккерелем в 1896 году

Явление радиоактивности было открыто Антуаном Анри Беккерелем в 1896 году. Он заметил, что случайно оставленная рядом с неэкспонированной фотопластинкой, находящейся в светозащитной упаковке, соль урана произвела её засветку. Он, как истинный учёный, не отмахнулся от этого факта, как от досадной случайности, а начал исследовать возможные его причины. Так было сделано одно из великих открытий, положивших начало атомному веку. Почти в это же время Вильгельм Конрад Рентген, изучая взаимодействие потоков электронов с веществом, открыл неизвестное излучение, также засвечивающее фотопластинку через светозащитную упаковку. Он назвал это излучение Х-лучами. В 1901 г. за их открытие ему первому из физиков была присуждена Нобелевская премия. С тех пор это излучение стали называть рентгеновским по имени его первооткрывателя. Вскоре была подтверждена высокая проникающая способность рентгеновского излучения, раскрыта его физическая природа как электромагнитного излучения с длиной волны много меньше длин волн видимого света и началось бурное освоение этого излучения в прикладных областях и экспериментальных научных исследованиях. Одновременно продолжались экспериментальные и теоретические исследования явления радиоактивности. Были изучены закономерности радиоактивного распада природных радиоактивных элементов – радия и урана, выявлены различные виды радиоактивного излучения, сопровождающие распад этих элементов: альфа-, бета- и гамма-излучение. Интенсивно изучалось взаимодействие этих излучений с различными веществами. Именно в ходе этих исследований в 1932 году Дж. Чедвиком были открыты нейтроны, что позволило создать теорию строения атомного ядра. Большой вклад в эти исследования внесли супруги Мария и Жолио Кюри. Зародилась новая отрасль физики – ядерная физика.

Лишь спустя несколько десятилетий после открытия радиоактивности и рентгеновских лучей было выявлено вредное воздействие и радиоактивного, и рентгеновского излучения на человека, и появилась необходимость зашиты от него в тех бурно развивающихся прикладных областях, где начали использовать различные источники ионизирующих излучений.

В сороковых годах ХХ-го столетия сначала в США, а потом и в СССР было создано атомное оружие, а в 1953 году в СССР в г. Обнинске (первый советский наукоград) была введена в действие первая в мире атомная электростанция. Так началась атомная эра, представляющая собой принципиально новый этап развития человеческой цивилизации.

В настоящее время атомная отрасль представляет собой динамично развивающуюся высокотехнологичную отрасль, охватывающую не только энергетику и оборонный комплекс, но и машиностроение (неразрушающий контроль материалов, деталей и сварных швов с помощью проникающих излучений), приборостроение (детекторы, радиометры, дозиметры и спектрометры различных видов ионизирующих излучений; датчики и измерительные устройства с использованием радиоактивных изотопов и источников рентгеновского излучения, приборы и установки для исследования космических лучей и ближнего космоса), медицину (рентгенография и рентгенодиагностика, лучевая терапия), научные исследования в области ядерной физики и т.д.

Практически во всех отраслях народного хозяйства применяются источники ионизирующих излучения различной мощности, а наиболее мощные из них – ядерные реакторы – применяются не только в электроэнергетике, но и в качестве энергетических установок на транспорте (надводные и подводные корабли). Мощные потоки ионизирующих излучений генерируются на действующих ускорителях заряженных частиц, широко применяемых в ядерно-физических исследованиях. Понятно, что во всех этих случаях необходимо безусловное выполнение требований биологической защиты от вредного воздействия этих излучений на персонал и окружающую среду. Оптимальное проектирование биологической защиты на ядерных объектах, является одной из важнейших задач ядерной отрасли. Здесь достаточно указать на тот факт, что затраты на обеспечение радиационной безопасности строящихся АЭС составляют до 50 % всей её стоимости. Именно несовершенство биологической защиты не позволяет сегодня использовать ядерные энергетические установки на железнодорожном и автомобильном транспорте (не говоря уже об авиации).

Практически одновременно с зарождением ядерной физики начали развиваться различные методы и техника регистрации ядерных излучений различных видов, поскольку именно измерительные средства являются основным инструментом ядерно-физических исследований. Фактически все методы регистрации ионизирующих излучений основаны на преобразовании энергии попадающей в детектор ядерной частицы или кванта фотонного излучения в электрический импульс или световую вспышку. В качестве первых детекторов использовались фотопластинки и фотоплёнки, а также мелкие кристаллики (порошок) сернистого цинка, нанесённые в виде тонкого слоя на плоскую пластину (экран). При попадании энергичной частицы (например, альфа-частицы) на такой кристаллик возникала световая вспышка, которую в полной темноте можно было зафиксировать визуально. Конечно, такие методы регистрации ядерных частиц не позволяли ни определить их вид и энергию, ни количественно оценить интенсивность их потока. Затем появились камеры Вильсона, пузырьковые камеры, с помощью которых можно было наблюдать и фотографировать треки ядерных частиц при их торможении в газовой среде. Но всё это были лабораторные методы исследования, а не измерительные приборы. Лишь с появлением электроники стали быстро внедряться в технику регистрации ионизирующих излучений газоразрядные детекторы (ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, счётчики Гейгера-Мюллера). А с изобретением фотоэлектронных усилителей (ФЭУ) начали быстро развиваться сцинтилляционные детекторы и методы измерений. В основе работы всех этих детекторов лежит взаимодействие регистрируемых ядерной частицы или кванта электромагнитной энергии с электронами и ядрами вещества детектора. При прохождении этих частиц через вещество детектора они теряют свою энергию сразу или отдельными порциями, частично или полностью за счёт различных эффектов взаимодействия с электронными оболочками атомов или с их ядрами. Детектор преобразует выделяющуюся при этом энергию в электрический или световой импульс, которые далее непосредственно (если это электрический импульс) или с преобразованием светового импульса в электрический с помощью ФЭУ, поступают на электронное устройство их регистрации. При регистрации заряженных частиц (электронов, протонов, альфа-частиц и др.) в большинстве случаев используется эффект ионизации атомов, что непосредственно порождает электрические импульсы на выходе детектора. При регистрации электрически нейтральных нейтронов и квантов электромагнитного излучения (фотонов) используются вторичные эффекты их взаимодействия: фото- и комптон-эффекты, конверсия гамма-квантов в электрон-позитронные пары при прохождении их в поле действия ядерных сил, упругое рассеяние нейтронов на ядрах с выбиванием протонов отдачи и др. Чтобы рассчитать чувствительность детектора к определённым частицам, зависимость этой чувствительности от энергии частиц, эффективность регистрации частиц конкретным детектором от их энергии, временные и амплитудные характеристики выходных импульсов детекторов, необходимо детальное знание процессов взаимодействия частиц с молекулами, атомами и ядрами вещества детектора, а также влияние характеристик электронного устройства на параметры формируемых импульсов.

Таким образом, знание теории взаимодействия различных видов ионизирующих излучений с веществом совершенно необходимо для проектирования и эксплуатации детекторов, радиометров, дозиметров и спектрометров ионизирующих излучений, а также для создания систем радиационного контроля и экологического радиационного мониторинга ядерных объектов.