Радиация – это общее понятие, которое описывает несколько типов излучений, объединённых понятием «ионизирующее излучение». Как следует из названия, такое излучение способно ионизировать вещества, то есть «разбивать» атомы или молекулы, превращая их в отдельные ионы. Воздействие может быть как вредным, так и полезным в зависимости от того, насколько контролируются источники излучения и как они используются. Однако общим свойством для ионизирующего излучения является то, что его нельзя увидеть.
Дело в том, что, несмотря на существование разных типов ионизирующего излучения, все они представляют собой потоки частиц, которые никак не фиксируются глазами и какими-то другими органами человека. При этом, если разобраться, разные типы ионизирующего излучения совсем не похожи друг на друга.
Так, есть часть электромагнитного излучения, которое относится к ионизирующему. Это гамма-излучение и излучение рентгеновское, знакомое нам по рентгеновским снимкам в поликлинике. Оба этих излучения обладают короткими длинами волн, поэтому обычно представляются как поток квазичастиц (фотонов) с большим запасом энергии. Эти высокоэнергетические фотоны не имеют массы, легко проходят через различные преграды, «разбивая» на ионы всё на своём пути, при этом за счёт сверхкоротких длин волн они не воспринимаются нашими глазами в отличие от длин волн видимого света.
Другой подтип ионизирующего излучения – потоки различных частиц. Это могут быть альфа-частицы, которые представляют собой ядро атома гелия, бета-частицы (электроны и позитроны), нейтроны, протоны и другие. Их отличает от квазичастиц (фотонов) то, что они имеют массу и передвигаются намного медленнее. Тем не менее увидеть глазами их тоже невозможно в силу сверхмалых размеров.
Правда, если очень захотеть, то можно увидеть следы (треки) от пролетающих частиц ионизирующего излучения. Это возможно сделать в специальной камере, заполненной водяным паром: помещённый в такую камеру источник испускает поток частиц и оставляет след (трек) наподобие следа от пролетающего в небе самолёта. Зрелище, конечно, завораживающее, но малоприменимое для цели видеть и знать о радиоактивном излучении в любое время.
Более популярный способ – счётчик Гейгера, прибор, который начинает издавать характерный треск, если рядом находится источник радиации: поток частиц ионизирует газ внутри счётчика, что формирует электрический сигнал, который в итоге можно услышать. Но для таких счётчиков практически нет различий между типами ионизирующего излучения: треск будет абсолютно одинаковым что для гамма-излучения, что для бета-частиц, притом что важно отличать разные типы друг от друга, так как свойства излучений сильно различаются.
Здесь на помощь учёным, как это часто бывает, пришла природа: оказалось, что некоторые материалы могут светиться, то есть испускать видимый свет при их облучении ионизирующим излучением. Такой тип материалов называют сцинтилляторами. На их основе создают устройства – сцинтилляционные детекторы, которые позволяют не только определить тип излучения, но и записать его спектр, то есть представить в виде графика распределения энергии излучения от интенсивности. Таким образом, можно увидеть хоть и не само радиационное излучение, но его своеобразное «отражение» в видимом свете наподобие того, как мы видим инфракрасное (тепловое) излучение, используя тепловизоры или приборы ночного видения.
Сцинтилляционных материалов довольно много: они могут быть жидкими, газообразными и твёрдыми, состоять из органических или неорганических веществ. Не так важно, из какого материала будет сделан сцинтиллятор, главное, чтобы он отвечал целому списку требований: обладал высоким световыходом (то есть светился ярко), быстрым откликом, был прочным, химически стойким и устойчивым к радиации, удобным для трансформации в разную форму и, конечно, же дешёвым в производстве.
Идеального сцинтиллятора, к сожалению, не существует, поэтому приходится подбирать наиболее подходящие материалы под каждый случай. К примеру, газовые сцинтилляторы на основе гелия очень хорошо различают гамма- и нейтронное излучение, однако они очень дороги в производстве. Наибольшее распространение получили сцинтилляторы на основе неорганических монокристаллов. Например, иодиды щелочных металлов имеют высокий световыход, но сложность производства сильно ограничивает многие способы их применения (монокристаллы сложно получить больших размеров, либо придать им необычные формы).
Тут на сцену выходят стёкла. Как я уже писал раньше, в зависимости от своего состава они могут сами быть источником радиации либо, наоборот, надёжно заключать радиоактивные отходы в своей структуре. Но если правильно подобрать состав стекла, то они могут выступать и в роли сцинтилляторов! Такие сцинтилляционные стёкла имеют ряд преимуществ: их можно производить разных размеров и форм, делать из них тонкие оптические волокна или порошки с точным размером частиц, они прозрачны, не нуждаются в специальных контейнерах, как газы или жидкости, устойчивы к внешней среде (по сравнению с кристаллическими иодидами стёкла не боятся влаги) и многое другое. Недостатки при этом тоже есть, основной – низкий световыход по сравнению с кристаллами.
Сцинтилляционные стёкла находят эффективное применение для каждого типа радиации. Например, интересный метод был предложен для детектирования радона – радиоактивного газа, испускающего поток альфа-частиц. Этот газ легко накапливается в лёгких, после чего альфа-частицы изнутри разрушают здоровые ткани. Учёные использовали волокна из стекла, содержащего ионы церия: объединив отдельные волокна в пучок таким образом, чтобы между волокнами были зазоры, они пропускали через него радон. Газ многократно обтекал нити, испуская альфа-частицы, которые, в свою очередь, заставляли стекло светиться. Свечение фиксировалось фотодетектором и преобразовывалось в электрический сигнал. На похожем принципе построены многие волоконные сцинтилляторы, которые сегодня применяются в промышленности.
Другое интересное применение сцинтилляционных стёкол было предложено для определения активности бета-частиц в жидкости. Исследователи плотно забили часть трубки, по которой течёт жидкость, порошком стекла-сцинтиллятора, так чтобы жидкость проходила сквозь поры между частицами порошка. Когда в трубку подаётся радиоактивная жидкость, то, протекая сквозь порошок стекла, бета-частицы заставляют его светиться, свет от порошка проходит сквозь стенки трубки, фиксируется детектором и записывается.
Стёкла активно применяются и для визуализации гамма- и рентгеновского излучения. В США была построена установка, которая делает компьютерную томографию крупных промышленных объектов. Объект вращается вокруг своей оси и одновременно облучается потоком рентгеновского излучения. Прошедшее сквозь объект излучение попадает на сцинтилляторы, изготовленные из силикатного стекла, содержащего ионы тербия, в результате чего возникает уже видимое излучение, которое фиксируется камерами. В итоге формируется трёхмерное изображение объекта с высоким разрешением вплоть до нескольких микрон.
Сцинтилляционные стёкла могут помочь даже в деле вторичного использования отработанного радиоактивного топлива. Исследователи показали, что, используя боратные стёкла, содержащие фторид церия, можно конвертировать остаточное гамма-излучение, которое испускается отработанным ядерным топливом, в ультрафиолетовое (УФ) излучение. В свою очередь, полученное УФ-излучение можно тут же применять для процесса фотокатализа оксида титана в воде. В этом процессе вода разделяется на водород и кислород – тем самым быстро и почти бесплатно можно получать дорогостоящие газы.
Российские учёные также активно занимаются созданием сцинтилляционных стёкол. На кафедре стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева разработаны иттрий-алюмоборатные стёкла для конверсии рентгеновского излучения в видимый свет, учёные НИЦ «Курчатовский институт» создают силикатные стёкла с гадолинием и церием для детектирования гамма-излучения и улучшения процессов ПЭТ-сканирования в медицине.
Иллюстрации: анонс – Елена Рюмина, в тексте – Courtesy of Pacific Northwest National Laboratory и из открытых источников.
