Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Радиоактивное излучение Атомные реакторы и батареи

Атомные батареи медицинского назначения

Перспективно применение атомных батарей и в медицине, например, для снабжения энергией сердечных регуляторов. От таких батарей требуется, чтобы они периодически посылали сердечной мышце электрические импульсы. Химические батареи неизмеримо больше атомных по размерам и работают только два-три года. Батареи на основе плутония-238 являются «вечными». К атомным регуляторам предъявляются особенно жесткие требования по технике безопасности, чтобы ни при каких обстоятельствах чрезвычайно токсичный плутоний не смог вырваться наружу. В 1970 году французские врачи имплантировали двум людям сердечные регуляторы, которые весили всего по 40 г. Требуемую мощность в 200 мкВт обеспечивали 150 мг плутония-238. С тех пор эти регуляторы поддерживают сердечную деятельность обоих пациентов. Столь убедительный успех создал целую медицинскую школу. Медики имплантируют сердечные регуляторы из плутония-238 или прометия-247, в России и Польше. Атомные батареи служат источником энергии для «искусственного сердца» - насоса для крови, спасителя жизни при остановке кровообращения.

В 2004 в Корнелльском Университете (США) с помощью технологии MEMS (microelectromechanical-systems) изобретен элемент питания, основанный на никеле-63, способный работать более 50 лет. Опытный образец имеет форму куба с ребром меньшим 1 мм. Механизм работы этого элемента питания можно описать так: MEMS батарея переводит сохраненную энергию на радиоактивном изотопе в движение микроскопической консоли, позволяя перемещать непосредственно MEMS компоненты или производить электричество для схемы. Медная консоль установлена над тонким слоем радиоактивного изотопа никеля-63 (β-излучатель). Консоль накапливает испускаемые электроны, что создает отрицательный заряд. В то же самое время слой становится положительно заряженным. Бета-частицы передают заряд от слоя изотопа к консоли, а разность потенциалов заставляет консоль сгибаться к слою изотопа. Пока изотоп распадается консоль продолжает свои движения вверх-вниз. Атомные батареи - лучшее решение для постоянно работающих датчиков и других устройств для долгосрочного контроля. Период полураспада никеля-63 - более 100 лет, но атомная батарея будет работать должным образом только в течение первой половины ее полураспада, или приблизительно 50 лет. Военные найдут много применений подобным атомным батареям - например, датчики, которые контролируют ракеты или датчики поля битвы, которые должны быть скрыты и оставлены без присмотра на долгое время. Гражданские применения же включают в себя, прежде всего, медицинские устройства, которые могут быть имплантированы в тело человека на долгий срок.

Коротковолновое (жесткое) рентгеновское  излучение обладает более высокой энергией квантов и большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое) излучение. Регулируя напряжение между электродами, можно изменять спектральный состав рентгеновского излучения, увеличивать или снижать его жесткость.

При изменении температуры накала катода, изменяется интенсивность эмиссии электронов. Так, повышение температуры катода приводит к увеличению количества испускаемых с него электронов в единицу времени, и соответственно, повышению силы тока. На рисунке 3 показан спектр рентгеновского излучения при разных значениях  силы тока накала катода (I1 < I2) . 

Когда энергия бомбардирующих анод электронов оказывается достаточной для выбивания электронов с внутренних оболочек атомов анода, то на фоне сплошного спектра появляются отдельные пики. Возникает так называемый линейчатый, дискретный спектр (рис. 3). Линейчатый спектр рентгеновского излучения определяется составом атомов, входящих в материал анода и поэтому называется характеристическим рентгеновским спектром. Характеристический спектр атома не зависит от химического его окружения, т.е. от состава молекулы.  Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков и для O, O2, H2O. Таким образом, спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских спектров.

Рис.3. Спектр рентгеновского излучения при различных значениях силы тока на катоде энергии

Гамма- излучение  - электромагнитное излучение при радиоактивном распаде ядер радиоактивных элементов.  Оно сопровождает a- и b-распады, а также возника­ет при ядерных реакциях, при торможении заряженных ча­стиц, их распаде. Гамма- излучение не отклоняется электрическим и магнит­ным полями, обладает очень высокой проникающей способностью в веществе; при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Это излучение облада­ет чрезвычайно малой длиной волны (l = 10-3 - 10-6 нм) и вследствие этого,  ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – (гамма- квантов) с энергией

E0 = hn = hc/l

где n - частота волны, Гц; l - длина волны, нм; h –постоянная Планка.

Спектры g - излучения являются дискретными (линейчатыми), т.е. излучению с определенной длиной волны соответствует кванты с соответствующей энергией (Рис.4). Излучение испускается не материнским, а дочерним ядром в момент ее образования. При радиоактивных распадах естественных радионуклидов g-кванты обладают энергией от 10 кэВ до 6 Мэв. При g-излучении масса и заряд дочернего ядра не изменяются. Гамма-излучение редко характеризуется монохроматическим (моноэнергетическим) спектром. В большинстве случаев, g-излучение конкретного радионуклида состоит из нескольких квантов  различной длины волны, и сооответственно, различной энергии. Так, линейчатый спектр излучения обнаруживается при распаде изотопа I131, когда излучаются 5 типов квантов с энергиями 80, 163, 364, 722 кэВ. Радиоактивный бром Br82 излучает 11 типов квантов с энергиями от 0,248 до 1,453 МэВ, а кадмий Cd115 излучает 13 типов квантов с энергиями от 0,335 до 1,280 МэВ. Примером монохроматического излучения является гамма-излучение с энергией квантов 611 Кэв, которое обнаруживается при распаде Cs137.

Гамма излучение характеризуется слабым ионизирующим эффектом, но обладает высокой проникающей способностью. Длина пути пробега гамма-квантов в воздухе может достигать до 150 м (более подробно см на стр.). 

Рис. 4.  Спектр g - излучения при распаде ядер атомов

 Синхротронное (тормозное) излучение представлено электромагнитными волнами, возникающими при торможении электронов и других заряженных частиц в веществе. Характеризуется непрерывным спектром излучения с длинами волн от 10-3 до 100 нм. Впервые этот тип излучения был обнаружен при ускорении ядер и элементарных частиц в искусственных условиях (в синхрофазотронах), и поэтому получил название синхротронного излучения. Впоследствии такое излучение было обнаружено и при других условиях:  при работе рентгеновских и электронно-лучевых трубок, при торможении b-частиц радиоактивных элементов и т.д. Тормозное излучение обладает теми физическими характеристиками, что и рентгеновское и гамма излучение.


На главную