Радиоизотопные источники альфа-излучения

Основными радиоизотопными источниками α-излучения являются тяжёлые радиоактивные элементы: радий-226 и дочерние продукты его деления, полоний-210, плутоний-238, плутоний-239, актиний-227, америций-241, самарий-242.

Радий-226 исторически был самым первым обнаруженным радиоактивным элементом, но и сейчас он используется достаточно широко. Радий-226 в процессе α-распада последовательно проходит целый ряд превращений:

²²⁶Ra→²²²Rn→²¹⁸Po→²¹⁴Po→²¹⁰Po→²⁰⁶Pb в конечном итоге превращаясь в нерадиоактивный свинец ²⁰⁶ Pb. На каждом этапе этих превращений излучается одна α-частица, но каждой реакции соответствует своя энергия α-частиц и свой период полураспада. Характеристики α-распада ²²⁶Ra и его дочерних продуктов представлены в таблице 2.5 [5].

Таблица 2.5

Основные характеристики α-распада ²²⁶Ra и его дочерних продуктов

Примечание: Полная схема распада ²²⁶Ra кроме реакций α-распада включает и реакции β-распада со своими дочерними продуктами.

Наличие нескольких дочерних продуктов α-распада, также подверженных α-распаду с резко отличными периодами полураспада, приводит к нестабильности величины активности радиевых источников во времени и нестабильности его энергетического спектра, поскольку каждый из дочерних продуктов испускает α-частицы с энергией, существенно отличной как от энергии α-частиц ²²⁶ Ra, так и от энергии α-частиц, испускаемых другими дочерними продуктами. Поэтому радиевые источники не используют в качестве образцовых источников α-излучения. В качестве таковых преимущественно используют плутониевые и другие источники.

Плутоний получают путём облучения нейтронами ²³⁸U в ядерном реакторе. ²³⁹Pu имеет период полураспада 24360 лет, что обеспечивает долговременную стабильность его активности: за 20 лет его активность уменьшается всего на 0,14 %. Однако, такая высокая стабильность обеспечивается лишь в случае высокой изотопной однородности источника. Дело в том, что при облучении урана-238 нейтронами, помимо изотопа ²³⁹Pu в небольших количествах образуются изотопы ²⁴¹Pu, ²⁴⁰Pu и ²³⁸Pu. Но если небольшие примеси ²⁴⁰Pu и ²³⁸Pu не приводят к заметным изменениям активности источника, поскольку период полураспада этих изотопов весьма велик (6580 лет у ²⁴⁰Pu и 86,4 года у ²³⁸Pu), то примеси изотопа ²⁴¹Pu могут приводить к существенно большей нестабильности источника за счёт накопления изотопа ²⁴¹Am. Этот изотоп образуется в результате β-распада ²⁴¹Pu (период полураспада 12,9 года), и сам является активным α-источником с периодом полураспада 458 лет. Постепенное накопление в источнике ²⁴¹Am приводит к небольшому росту активности источника. Энергия α-частиц, излучаемых при распаде ²³⁹Pu, составляет примерно 5,1 МэВ. Энергия α-частиц, излучаемых при распаде ²⁴¹Am, составляет 5,47 МэВ. При распаде ²³⁸Pu большая часть испускаемых α-частиц (71%) имеет энергию 5,5 МэВ, а остальные 28 % – энергию 5,46 МэВ.

Более детальные сведения о нуклидах, являющихся источниками α-излучения, приведены в таблице 2.6 [8].

В настоящее время в качестве образцовых источников α-излучения преимущественно используют плутониевые источники из изотопов ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu. Они излучают α-частицы примерно одинаковой энергии ~5,1 МэВ, обладают близкими периодами полураспада, что позволяет использовать любые смеси этих изотопов для создания источников α-излучения.

Таблица 2.6

Нуклиды, используемые как источники α-излучения

Для создания миниатюрных источников α-излучения с высокой активностью используются калифорниевые источники с преобладанием изотопа ²⁵²Cf. При этом примеси других изотопов калифорния несущественно расширяют энергетический спектр испускаемых α-частиц.