Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 1 03;04;12 Особенности ионизации атмосферного воздуха при радиоактивном загрязнении й К.А. Боярчук, А.В. Карелин, А.М. Ломоносов Институт общей физики РАН, 117942 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 28 января 1999 г.) Исследованы особенности процесса неоднородной ионизации при радиактивном загрязнении нижних слоев атмосферы. Предложена модель трековой ионизации атмосферы, учитывающая элементарные процессы в треках: кинетику, молекулярную диффузию и дрейф ионов в электрическом поле. Определены границы применимости данной модели.

Атмосферный воздух, находящийся под воздействи- Целью данной работы является исследование влияния ем жесткого ионизатора, является низкотемператур- трековой структуры на общие кинетические процессы, ной рекомбинационно-неравновесной плазмой, в которой происходящие в ионизированной атмосфере.

образуется большое количество различных заряженных Последовательной теории, описывающей процессы на и нейтральных компонентов с концентрациями, не ха- следах ионизирующих частиц, в настоящее время нет.

рактерными для обычных условий [1]. Считается, что по Поэтому экспериментальные результаты часто интерпреотношению к ион-молекулярным процессам газовые сре- тируют с помощью упрощенных теоретических моделей ды являются более простыми, чем жидкости и твердые элементарных процессов в треках Онсагера и Яффе. Пертела, так как вследствие низкой удельной массы газов вая разрабатывалась для описания процессов рекомбинапри прохождении сквозь них высокоэнергетичных частиц ции на следах высокоэнергетичных частиц в плотных гапрактически отсутствуют трековые эффекты и первич- зовых средах при давлении 20 MPa [6], вторая [7] была ные продукты радиолиза (электроны, ионы, свободные предназначена для описания процессов рекомбинации на радикалы, возбужденные молекулы) распределены в объ- следах -частиц в газе при давлении 1 MPa, поэтому еме равномерно [2]. Это существенно упрощает тео- она более удобна для описания процессов в тропосферетический анализ молекулярно-ионной кинетики газов. ре. Основное положение теории Яффе заключаются в Поэтому при анализе закономерностей радиохимической следующем: образовавшиеся в результате прохождения конверсии атмосферной среды обычно предполагается частиц ионы сосредоточены в цилиндре, построенном воравномерная по объему ионизация [3Ц5]. Однако при круг траектории частицы. Ион-молекулярные процессы в достаточно высоких давлениях 0.1Ц1 MPa в воздухе при таких треках могут протекать по другим каналам, чем в комнатной температуре могут образовываться микро- случае объемной ионизации, осуществляемой рентгеновобласти с высокой концентрацией ионизированных ча- скими лучами или -квантами.

стиц Ч так называемые треки высокоэнергетичных кор- Для воздушной среды нижних слоев тропосферы бупускулярных излучений (протонов, - и -частиц и др.), дем считать, что положительные и отрицательные ионы в которых в большинстве случаев локализованы продук- одинаково распределены по объему цилиндра вокруг ты радиолиза [1,2]. Следовательно, при изучении процес- траектории частицы. Оценим поперечный размер треса образования отрицательных и положительных ионов в ка, считая, что он определяется средней длиной шпор, воздушной среде при радиоактивном загрязнении следу- ионизированных следов пробега вторичных электронов, ет различать объемную ионизацию рентгеновскими или формирующих ионизированную область вокруг основно-лучами и локальную ионизацию высокоэнергетичными го трека.

частицами с учетом трековой структуры. Величина сечения ионизации воздуха -частицей Основное воздействие ионизирующих излучений на 5.1 10-16 cm2 [8]. Мы можем определить воздушную среду обусловлено вторичными электрона- длину свободного пробега l -частицы в воздухе ми, возникающими при ионизации атомов и молекул. l = 1/(NL) =7.3 10-5 cm, где NL Ч число Лошмидта Энергия этих электронов находится в диапазоне от (2.69 1019 cm-3), т. е. среднее расстояние между шпоратепловой энергии до энергии быстрых первичных частиц. ми. Полный пробег L -частицы с энергией E 5MeV Структура трека зависит от вида и энергии частицы, в тропосферном воздухе не превышает 4 c тогда средкоторая расходуется на образование вторичных элек- няя потеря энергии E на один акт ионизации будет тронов, разлетающихся в стороны от траектории части- равна E = (L/l)-1E 100 eV, это же значение цы Ч основного трека и формирующих шпоры. В случае будет соответствовать энергии вторичных электронов.

-частицы или осколка деления шпоры расположены Воспользовавшись бете-борновским приближением (для настолько близко друг к другу, что вокруг основного применения борновского приближения к электронам дотрека формируется сплошная ионизированная область. статочно, чтобы скорость налетающего электрона была 140 К.А. Боярчук, А.В. Карелин, А.М. Ломоносов велика по сравнению со скоростями атомных электроОсновные элементарные ион-молекулярные процессы в ионинов), определим сечение ионизации вторичными элек- зированной тропосфере (T = 300 K, Te = T ) тронами молекул воздуха согласно [9] № ре- Скорость, ИсточРеакция ln(E/I) акции cm3 s-1 ник 2 = 4 10-14 3 10-16 cm2 (1) EI 1 O+ + e O + O 2.2 10-7 [4] 2 N+ + e N + N 2.9 10-7 [4] где I = 15.58 eV и = 6 Ч потенциал ионизации и 3 e + O2 + O2 O- + O 2.5 10-30 [4] число эквивалентных электронов молекулы азота. 2 (cm6s-1) За минимальный радиус трека примем длину 4 O- + O O2 + O2 + e 2.0 10-10 [4] 2 свободного пробега вторичного электрона 5 N+ + O2 O+ + N2 2.0 10-11 [4] 2 r = 1.3 10-4 cm. Объем трека соответственно (2NL) 6 A+ + B- A + B 10-6 [4] будет V = r2L 2 10-7 cm3.

7 H2O+ + H2O H3O+ + OH 1.2 10-9 [2] Определим теперь концентрацию электрон-ионных 8 e + H3O+ H2 + O + H 1.3 10-6 [2] пар, образованных частицей в этом объеме. Из формулы для кинетической энергии можно определить скорость -частицы в воздухе v = 2E/M 1.5 109 cm/s, следующим образом:

где M и E Ч масса и энергия -частицы. Усредненная по времени пролета мощность энерговклада ni 1 ni = r Di + i (Eni) w = E/Vt 3 103 W/cm3 при условии, что харакt r r r z терное время пролета частицы t = L/v 2 10-9 s.

N Частота ионизации определяется следующим образом w + i jninj (rE) =4, (2) = 11 s-1, где Ei Ч энергия, необr r (NLEi) i = j ходимая для создания одной электрон-ионной пары в воздухе ( 34 eV). В итоге начальная концентрагде ni, Di, i Ч концентрации, коэффициенты диффузии ция электронов в треке -частицы в воздухе будет и подвижности электронов, положительных и отрицаNe = NLt 1012 cm-3.

тельных ионов, а также возбужденных молекул [e], [O+], Вообще говоря, размер и время жизни трека опреде[N+], [O-], [O], [H2O+], [H3O+]; i j Ч скорости реак2 2 ляются как амбиполярной диффузией ионов из первонаций ион-молекулярных реакций: Ч плотность заряда;

чального объема трека, так и рекомбинацией первичных E Ч электрическое поле, r Ч координата поперек трека.

ионов в этом объеме. Следует заметить, что малый объем На рис. 1 представлен результат численного решения трека снижает практически до нуля вероятность участия данной системы уравнений. Видно, что основные пров ион-молекулярных процессах малых газовых составляцессы рекомбинации происходят между положительныющих атмосферы, концентрация которых 108 cm-3.

ми и отрицательными ионами кислорода, так как все Поэтому можно ограничить круг рассматриваемых моположительные ионы в результате реакции перезарядлекул и ионов. В нашем приближении основные ионки 5 быстро переходят в положительные ионы кисломолекулярные процессы за время, пока не размылся рода. Электроны почти с той же скоростью прилипают трек, можно рассматривать с достаточной степенью к нейтральным молекулам кислорода. Формирование точности только с ионами основных составляющих возположительных ионов H3O+ происходит на несколько духа N2 и O2, концентрация которых стабильна и на порядков медленнее и мало влияет на все исновные несколько порядков превосходит концентрации других процессы. Эти процессы происходят в течение 1 ns, затем возможных малых газовых составляющих атмосферы, происходит падение концентрации отрицательных ионов как было сделано в [3]. Так же следует учитывать вли- за счет рекомбинации и молекулярной диффузии Ч ионы яние молекул водяного пара H2O на ион-молекулярные выводятся из объема реагирования. Для сравнения на процессы и формирование ионов.

рис. 2 представлена трехмерная зависимость конценВ таблице представлены учтенные нами элементарные трации отрицательных ионов кислорода от времени и процессы с треке. Следует отметить, что в данной работе расстояния от центра трека. Из этого рисунка можно мы рассматриваем упрощенную кинетическую модель оценить время существования элементарного объема трека. В ситуации, более близкой к реальной, скорости однородной ионизации, созданного треком частицы, по электрон-ионной рекомбинации будут существенно за- уровню падения концентрации ионов в центре трека висеть от температуры электронов Te, а так как элек- в e раз. За это время (tm 125 ns) в результате дифтронная температура в треке может быть значительна, фузного размытия объем области однородной ионизации то величины скоростей рекомбинации могут оказаться увеличится примерно в 2.5 раза до Vm 5 10-7 cm3.

ниже, чем представленные в таблице. Уравнения ионной Учет трековой структуры ионизации воздуха или гакинетики в треке, учитывающие молекулярную диффу- зов атмосферного давления важен для решения незию и дрейф ионов в электрическом поле, записанные которых специфических задач. Например, при аналив цилиндрической системе координат, будут выглядеть зе активных газовых сред для лазеров с ядерной наЖурнал технической физики, 2000, том 70, вып. Особенности ионизации атмосферного воздуха при радиоактивном загрязнении Рис. 1. Изменение во времени t (ns) концентраций N (cm-3) электронов и основных ионов в объеме трека вследствие молекулярной диффузии и процессов рекомбинации. Концентрация иона оксония показана в 2 102 раз выше.

Рис. 2. Зависимость изменения концентрации N (cm-3) отрицательных ионов молекулярного кислорода в треке от времени t (ns) и расстояния от центра трека r (m).

качкой [10] или при анализе радиолокационного от- Эффект трековой неоднородности необходимо учитыражения от ионизированного облака радиоактивного вать и при расчете кинетики ионов. С этой точки зрения критерием может быть тот уровень радиоактивного выброса [11].

загрязнения атмосферы, после которого произойдут изФЖесткимФ критерием для необходимости учета тременения в релаксационных кинетических процессах. Соковой структуры ионизации воздуха может служить могласно предложенной нами трековой модели ионизации, мент их перекрытия. Если обозначить величину, характев первый момент после начала акта ионизации все ионризующую количество треков, рождающихся в единице молекулярные процессы с первичными элементарными объема в секунду, т. е. объемную плотность активности ионами происходят с основными составляющими воздуха нуклидов, как a,, то условие перекрытия треков можно N2 и O2 в малых областях вокруг треков высокоэнергезаписать как,Vmtm 1. Треки не перекрываются тичных частиц и продолжаются в течение существоваи a,Vmtm 1, треки перекрываются и влиянием ния трека. Здесь преобладают реакции электрон-ионной трековой структуры можно заведомо пренебречь, т. е.

и ион-ионной рекомбинации. Только через 10-7 s трек при значительном увеличении степени ионизации треразмывается, и образовавшиеся в нем ионы перемешиваковые очаги могут сливаться и ионизация происходит ются с основным объемом неионизированного воздуха, равномерно во всем объеме. Так, нетрудно оценить, что вступая в реакции с нейтральными молекулами малых для -активного источника загрязнения граница критегазовых составляющих атмосферы, например азот- или рия будет достигнута при концентрации радиоактивных углеродсодержащими соединениями. В зависимости от веществ a, 500 Ci/cm3, что соответствует скорости баланса концентраций наработанных в треках первичных объемной ионизации 1018 cm-3 s-1. Такие уровни ионов и малых газовых составляющих, присутствующих радиоактивного загрязнения могут наблюдаться только во всем объеме, преобладающими могут быть или прово время крупных аварий [12]. Следовательно, согласно цессы ион-ионной рекомбинации или реакции ионов с жесткому критерию, при обычных уровнях радиоактив- нейтральными молекулами. В каждом из этих случаев ного загрязнения трековые очаги неоднородной иониза- скорость наработки и конечная концентрация основных ции в тропосфере будут наблюдаться всегда. ионов атмосферы [1] будут различаться.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 142 К.А. Боярчук, А.В. Карелин, А.М. Ломоносов Условие такого ФмягкогоФ критерия можно записать в [7] Jaffe G. // Ann. Phys. Leipzig. 1913. Vol. 42. P. 313.

[8] Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григоследующем виде:

рьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

[9] Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры. М.:

X = Ni26 - NiNNO, (3) Атомиздат, 1978. 112 с.

где Ni Ч концентрация ионов, полученных в треке, [10] Будник А.П., Добровольская И.В. // Квантовая электрон.

1997. Т. 24. № 6. С. 506Ц510.

по отношению ко всему объему; NNO Ч концентрация [11] Буярчук К.А., Ляхов Г.А., Суязов Н.В. // ЖТФ. 1997. Т. 67.

основных малых газовых составляющих атмосферы: наВып. 2. С. 76Ц82.

пример, типичная концентрация нитритов в тропосфере [12] Израэль Ю.А. Радиоактивные выпадения после взрывов и 1010 cm-3; 6 Ч коэффициент ион-ионной рекомбиаварий. СПб.: Прогресс-погода, 1996. 355 с.

нации (см. таблицу); Ч скорость реакций ионов с нейтральными молекулами 10-10 cm3 s-1 [1].

Если X > 0, то учитывать трековую структуру не следует, так как почти весь релаксационный поток идет сначала по каналу ион-ионной рекомбинации и не возникает никаких новых особенностей в кинетике релаксации среды. Если X < 0, то трековая ионизация в принципе может повлиять на результат релаксации, так как основными процессами релаксации ионов будут их реакции с нейтральными молекулами, в результате которых быстро нарабатываются, например, устойчивые и характерные для тропосферы ионы NO-. Однако последнее предположение требует еще дополнительных исследований. Возможно, и этот критерий окажется слишком жестким.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам