Количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

Основы радиационного оптического материаловедения: Учебное пособие. Читать бесплатно онлайн в электронном виде Единое окно Голосов: 3 В пособии изложены закономерности взаимодействия ионизирующего излучения с оптическими материалами. В нем классифицируются ионизирующие излучения и оптические материалы, описываются изменения спектров пропускания оптических стекол и кристаллов при их облучении фотонным или корпускулярным излучением, дается представление о стабильности их радиационной окраски и о способах повышения радиационно-оптической устойчивости стекол к ионизирующему излучению, приводится информация о функциональных свойствах радиационно-защитных стекол, позволяющих получать информацию об объектах в радиационных полях и предохраняющих человека от вредного действия ионизирующего излучения. Пособие предназначено для магистров, обучающихся по направлению 200600 "Фотоника и оптоинформатика" по магистерской программе "Оптические материалы фотоники и оптоинформатики" при изучении дисциплины "Фоточувствительные и радиационно-стойкие материалы". Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра. Изображения картинки, формулы, графики отсутствуют. Арбузов ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Учебное пособие Санкт-Петербург 2008 УДК 681. Арбузов Основы радиационного оптического материаловедения. В пособии изложены закономерности взаимодействия ионизирующего излучения с оптическими материалами. В нем классифицируются ионизирующие излучения и оптические материалы, описываются изменения спектров пропускания оптических стекол и кристаллов при их облучении фотонным или корпускулярным излучением, дается представление о стабильности их радиационной окраски и о способах повышения радиационно-оптической устойчивости стекол к ионизирующему излучению, приводится информация о функциональных свойствах радиационно-защитных стекол, позволяющих получать информацию об объектах в радиационных полях и предохраняющих человека от вредного действия ионизирующего излучения. Пособие предназначено для магистров, обучающихся по направлению 200600 «Фотоника и оптоинформатика» по магистерской программе «Оптические материалы фотоники и оптоинформатики» при изучении дисциплины «Фоточувствительные и радиационно-стойкие материалы». В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007—2008 годы. Реализация количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики. © Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2008 © Арбузов, 2008 2 Оглавление Стр. ВВЕДЕНИЕ 6 Глава 1. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ 9 1. Классификация ионизирующих излучений 9 1. Фотонное излучение 11 1. Корпускулярное излучение 15 1. Единицы измерения ионизирующих излучений 19 1. Источники ионизирующих излучений 21 1. Ионизирующие излучения в космическом пространстве количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом 1. Механизмы взаимодействия γ-излучения с веществом 29 Глава 2. ЗОННАЯ СХЕМА, ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ И РАДИАЦИОННЫЕ ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ В КРИСТАЛЛАХ И СТЕКЛАХ 33 2. Классификация дефектов их структуры 33 2. Типы центров окраски в щелочно-галоидных кристаллах 38 2. Методы исследования центров окраски 41 2. Классификация оптических кристаллов их радиационно-оптическая устойчивость 46 2. Локализованные состояния 67 2. Особенности образования радиационных центров окраски в стекле 71 2. Феноменологическое описание кинетики накопления радиационных центров окраски в оптических материалах 72 Глава 3. РАДИАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА 75 3. Типы, основные характеристики, области применения и способы получения кварцевого стекла 76 3. Типы дефектов структуры и радиационные дефекты кварцевого стекла 81 3. Влияние технологических примесей на радиационно- оптическую устойчивость кварцевого стекла 83 Глава 4. ПРОЦЕССЫ ФОТО- И РАДИАЦИОННО- СТИМУЛИРОВАННОГО ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ОКСИДНЫХ СТЕКЛАХ 85 4. Край фундаментального поглощения и элементарные электронные возбуждения в оксидных стеклах 85 4. Генерация электронных возбуждений в стекле под действием ионизирующего излучения 100 4. Спектральные характеристики радиационных центров окраски в модельных оксидных стеклах 101 3 Глава 5. ОПТИЧЕСКИЕ СТЕКЛА И ИХ РАДИАЦИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ 113 5. Классификация оптических стекол 113 5. Окрашивающее действие γ-излучения на оптические стекла 116 5. Образование радиационных центров окраски в оптических стеклах под действием корпускулярного излучения 138 Глава 6. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТИ НА РАДИАЦИОННО- СТИМУЛИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СТЕКЛАХ И КРИСТАЛЛАХ 145 6. Влияние элементов переменной валентности на образование центров окраски в стеклах под действием УФ излучения 146 6. Фотостимулированная перезарядка элементов переменной валентности в стеклах и кристаллах 152 6. Радиационно-стойкие стекла: составы, классификация, оптические и спектральные свойства 156 6. Устойчивость радиационно-стойких стекол к действию γ-излучения 162 6. Количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом корпускулярного излучения на радиационно-стойкие стекла 171 Глава 7. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АСПЕКТ ОБРАЗОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ В СТЕКЛАХ 175 7. Методика исследования фото-и радиационно- стимулированной перезарядки элементов переменной валентности в стекле 175 7. Влияние восстановления элементов переменной валентности под действием Количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и γ-излучения на образование центров окраски в стекле 177 7. Влияние окисления элементов количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом валентности под действием УФ и γ-излучения на образование центров количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом в стекле 184 7. Влияние железа на образование центров окраски в церийсодержащих силикатных стеклах 197 7. Изучение кинетики накопления центров окраски в стекле К108 при УФ и γ-облучении 204 7. Количественный аспект образования радиационных центров окраски в стеклах К8 и К108 210 Глава 8. МЕХАНИЗМЫ ПРОТЕКТОРНОГО ДЕЙСТВИЯ ЦЕРИЯ В РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ СТЕКЛАХ 214 8. Методика изучения фотопереноса электрона 4 от ионов церия к собственным дырочным центрам окраски в силикатных стеклах 215 8. Стимулированный излучением перенос электронов от ионов Се3+ к собственным дырочным центрам в стекле К108 216 8. Сопоставление дырочно-акцепторного и электронно- рекомбинационного механизмов протекторного действия церия в стекле К108 218 Глава 9. ОСЛАБЛЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМИ СТЕКЛАМИ. ОПТИЧЕСКИЕ СТЕКЛА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ИОНИЗУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ 225 9. Методика расчета коэффициента ослабления рентгеновского и гамма-излучения оптическими стеклами 226 9. Характеристика ослабления рентгеновского и γ-излучения оптическими и радиационно-стойкими стеклами 229 9. Требования к оптическим стеклам для защиты человека от ионизирующего излучения 234 9. Радиационно-стойкие защитные стекла нового поколения 235 Глава 10. СТАБИЛЬНОСТЬ РАДИАЦИОННОЙ ОКРАСКИ ОПТИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ СТЕКОЛ 248 10. Модели рекомбинационных процессов в кристаллах и стеклах 249 10. Хроноспектроскопия радиационных центров окраски в стеклах 253 10. Закономерности пост-радиационных процессов в облученных стеклах 260 10. Влияние оптического излучения и температуры на стабильность радиационной окраски в стеклах 269 ЛИТЕРАТУРА 278 КАФЕДРА ОПТОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ 281 5 ВВЕДЕНИЕ Хорошо известно, что любое вещество количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом той или иной степени изменяет свои свойства под действием ионизирующего излучения. В случае оптических материалов это могут быть оптические, спектральные, механические, электрические и химические свойства, играющие важную роль при использовании элементов из названных материалов в оптических приборах. При этом следует помнить, что последствия облучения могут быть не только негативными, но и позитивными. Однако и в том, и в другом случаях в материале под воздействием ионизирующего излучения протекает целый комплекс сложных процессов, предсказать последствия которых теоретически удается далеко не всегда. По этой причине для обеспечения возможности надежного прогнозирования поведения того или иного оптического прибора в условиях его функционирования в радиационных полях требуется экспериментально изучить действие ионизирующего излучения на разные классы оптических материалов. Установить наиболее общие закономерности воздействия излучения на вещество можно только на основе накопленного учеными большого массива достоверных экспериментальных данных. Понятно, однако, что не только научные работники, но и практические специалисты в области разработки и производства оптических материалов, а также специалисты по проектированию и эксплуатации оптических приборов должны быть знакомы с качественными и количественными закономерностями процесса взаимодействия ионизирующих излучений с оптическими материалами, иметь представление о способах повышения или понижения чувствительности материала к излучению, о методах устранения негативных последствий действия излучения на оптические элементы, изготовленные из того или иного материала. Представители всех названных профессий должны также иметь представление о том, в какой степени и почему смотровые окна облучательных установок, так называемых «горячих камер», машин радиационной разведки количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом не только давать возможность получать оптическую информацию об объекте наблюдения, находящемся в радиационном поле, но и одновременно защищать персонал от вредного действия ионизирующего излучения. Дать в сжатой форме информацию по всем этим проблемам и является целью настоящего учебного пособия. Пособие написано на основе лекций, которые автор в течение многих лет читал и продолжает читать студентам старших курсов СПбГУИТМО, специализирующимся в области оптического приборостроения, оптотехники, оптоинформационных технологий и материалов. Необходимость подготовки данного учебного пособия в значительной степени диктовалась тем, что содержащаяся в нем текстовая, табличная и графическая информация «рассыпана» по десяткам труднодоступных 6 нормативно-технических документов, сотням статей в периодической научной литературе, ряду монографий, посвященных отдельным разделам взаимодействия ионизирующего излучения с твердыми телами. Это обстоятельство не позволяло преподавателю рекомендовать студентам эти литературные источники в качестве учебной литературы, а студентов вынуждало пользоваться лишь записанными лекциями, что, конечно, снижало эффективность усвоения материала. Материал, использованный при подготовке данного пособия, является плодом многолетних исследований большого числа отечественных и зарубежных ученых. Неоценим вклад ученых- материаловедов Государственного оптического института им. Вавилова ныне Научно-исследовательского и технологического института оптического материаловедения Всероссийского научного центра «ГОИ им. Вавилова» : прежде всего их усилиями создавались каталоги оптических и радиационно-стойких стекол, отрабатывались технологии получения оптических кристаллов, разрабатывались и внедрялись в оптико-механическую промышленность многочисленные нормативно- технические документы по проблеме радиационно-оптической устойчивости оптических материалов. Автор хотел бы особо отметить заслуги академика Петровского, который более трех десятков лет руководил материаловедческим количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом ГОИ им. Вавилова и способствовал успешному проведению работ по созданию новых стекол и кристаллов и по получению баз данных по их свойствам. Большая заслуга в становлении направления радиационного оптического материаловедения принадлежит ученым старшего поколения ГОИ им. Карапетяну, возглавлявшим разработки по радиационно-стойким стеклам и по накоплению базы данных по их радиационно-оптическим свойствам. Большой объем информации, позволившей установить многие качественные и количественные закономерности взаимодействия ионизирующего излучения с модельными и промышленными стеклами, получен более молодыми учеными института — Докучаевым, автором данного пособия. В ряду отечественных ученых других институтов, которые внесли весомый вклад в развитие радиационной физики и химии стекла, хотелось бы отметить академика В области исследования радиационно-оптических свойств кварцевого стекла нельзя не выделить имена сотрудника Института кварцевого стекла позднее сотрудника ГОИ им. Амосова, ученых Латвийского университета Плеяду зарубежных ученых, успешно работавших в области радиационного материаловедения стекол, безусловно, возглавлял Крейдл, заслуженно считавшийся патриархом в этой области науки. Его 7 последователями были Бишэй, изучавшие закономерности радиационного окрашивания стекол разных составов. Строуда по влиянию церия на образование радиационных центров окраски фактически положили начало разработкам каталогов радиационно-стойких стекол во всех странах, производящих оптическое стекло. Признанными авторитетами в области радиационной физики кварцевого количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом являются Викс и Д Гриском. Более 40 лет все эти ученые создавали научный фундамент радиационного оптического материаловедения, без которого было бы немыслимо надежное функционирование оптических приборов в условиях их облучения ионизирующим излучением. Пособие состоит из Введения, 10 глав и Заключения. Во введении обосновывается необходимость написания издания настоящего пособия, определяется его цель и структура. В первой главе представлен материал по типам ионизирующих излучений их характеристикам, о механизмах их взаимодействия с веществом. Вторая глава посвящена изложению представлений о зонной структуре, о типах радиационных дефектов и центрах окраски в кристаллах и стеклах. Более подробно описываются радиационно-оптические свойства оптических кристаллов. В третьей главе описываются типы кварцевого стекла, способы его производства и свойства, дается классификация основных радиационных дефектов и центров окраски, приводятся данные о спектрах наведенного ионизирующим излучением поглощения оптических кварцевых стекол. В четвертой главе излагается материал о фото- и радиационно- стимулированных процессах в многокомпонентных оксидных стеклах, о связи структуры спектров поглощения радиационных центров окраски с составом модельных оксидных стекол. Пятая глава посвящена описанию наиболее широкого класса оптических материалов — оптических стекол. В ней приводится классификация оптических стекол, дается количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом об их спектрах светопропускания до и после облучения, а также о спектрах наведенного облучением поглощения. Показано, что оптические стекла сохраняют приемлемую пропускающую способность только при экспозиционных дозах радиационных нагрузкахв среднем не превышающих 104 В шестой главе изложен материал, касающийся влияния элементов переменной валентности на образование центров окраски в стеклах, описывается способ повышения радиационно- оптической устойчивости стекол, вводится понятие радиационно-стойких стекол и дается информация о спектрах их пропускания до и после облучения, а также о спектрах наведенного излучением поглощения. В седьмой главе описываются способы определения количественных характеристик электронных и дырочных центров окраски в стеклах по данным о фото- или радиационно-стимулированной перезарядке окислению и восстановлению элементов переменной валентности. В девятой главе описываются оптические стекла для защиты количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом от ионизирующего количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Приводятся данные о линейных коэффициентах ослабления рентгеновского и γ-излучения существующими оптическими и радиационно-стойкими стеклами и описываются способы их расчета, а также приводится информация о защитных стеклах нового поколения, сочетающих бесцветность с повышенными значениями радиационно- оптической устойчивости и защитных свойств. Десятая глава посвящена описанию проблемы стабильности радиационной окраски. В ней характеризуются способы описания кинетики изотермической релаксации наведенного излучением поглощения, описываются влияние света, температуры и примесей элементов переменной валентности на стабильность радиационной окраски стекол. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Излучение называются ионизирующим, если при прохождении через среду оно вызывает появление в количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом ионов противоположных знаков. Следует отметить, что оптическое излучение видимого и ультрафиолетового диапазонов принято количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом включать в понятие «ионизирующее излучение». Качественно и количественно эффект воздействия ионизирующего излучения на среду определяется не только ее свойствами, но также видом и характеристиками самого излучения. Чтобы легче было ориентироваться в многообразии излучений и в их особенностях, ознакомимся с классификацией источниками ионизирующих излучений, с характеристиками основных их видов, с механизмами взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, а также с единицами измерения, которыми количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом этом оперируют. Классификация ионизирующих излучений Каждый раз, когда в практической деятельности мы имеем дело с тем или иным множеством, возникает потребность в классификации его элементов по их важнейшим свойствам. Такая классификация не только упорядочивает элементы множества, но и упрощает пользование ими. Понятно, что способов классификации может быть столько, сколько имеется пользователей у выбранного множества. Постепенно, однако, какие-то способы классификации становятся общепризнанными, общеупотребительными и даже обязательными, тогда как другие забываются, выходят из употребления и даже могут переходить в разряд недопустимых к использованию. Так, например, считается недопустимым называть ионизирующее излучение радиоактивным. Естественно, что задача классификации актуальна и для ионизирующих излучений. Так, различают непосредственно и косвенно 9 ионизирующее излучение. Под непосредственно ионизирующим излучением понимают заряженные частицы с такой количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом энергией, которой достаточно для ионизации атомов или молекул среды при столкновении частиц с ними. Этот тип излучения может состоять из электронов, протонов, альфа-частиц и т. Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц например, нейтронов или квазичастиц фотоновкоторые при воздействии на среду могут создавать непосредственно ионизирующее излучение или вызывать ядерные превращения. Далее, выделяют первичное, вторичное и т. Первичным называется ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается исходным. В результате этого взаимодействия может возникнуть ионизирующее излучение другого вида, которое называется вторичным. Ионизирующее излучение называется моноэнергетическим, если оно представлено фотонами одинаковой энергии или частицами количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом вида с одной и той же кинетической энергией, и немоноэнергетическим, если входящие в него частицы одного вида имеют количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кинетическую энергию и разной энергией обладают фотоны. В этой классификации недопустимыми к использованию вместо приведенных выше понятий моно- и немоноэнергетического ионизирующего излучения являются термины количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и «немонохроматическое» ионизирующее излучение. Если ионизирующее излучение состоит из частиц разного вида или из частиц и фотонов одновременно как, например, реакторное излучението оно называется смешанным. Ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения называется направленным, а без преимущественного направления — диффузным. Первичное ионизирующее излучение, поступающее из космического пространства, а также вызванное им вторичное ионизирующее излучение создают космическое излучение, которое вместе с ионизирующим излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ создают естественный фон ионизирующего излучения. При этом следует сказать, что понятие космического количественные характеристики взаимодействия ионизирующего излучения с веществом многозначно. В зависимости от энергии фотонов она измеряется в электрон-вольтах, эВ оно подразделяется на космическое рентгеновское излучение и космическое гамма-излучение. В случае космического рентгеновского излучения различают мягкое с энергией квантов до нескольких кэВ и жесткое от десятков до сотен кэВ космическое рентгеновское излучение. В свою очередь космическое гамма-излучение подразделяется на мягкое космическое гамма-излучение от нескольких сотен кэВ до единиц МэВкосмическое гамма-излучение средних энергий от единиц до десятков МэВкосмическое гамма- 10.

См. также