Компьютерный эксперимент и моделирование ранней стадии радиолиза воды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

1-201 9' О4

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕЕКИЙ ИНСТИТУТ им.Л.Я.КАРПОВА

На правах рукописи УДК 541.15

СУХОНОСОВ Владимир Яковлевич

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАННЕЙ СТАДО* РАДИОЛИЗА ВОДЫ

(01.04.17 - химическая физика,в том числе физика горения и взрыва)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-1590

/ уУ/

Работа выполнена в филиале ордена Трудового Красного Знамен/. Научно-исследовательского физико-химического института имени Л.Я.Карпова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор КАПЛАН И.Г.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

БЯКОВ В.М.

доктор химических наук КАБАКЧИ С.А.

Ведущая организация - Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова, химический Факультет.

Защита диссертации состоится " 1990 года

в II часов на заседании специализированного совета Д - 138.02.С при Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я.Карпова /103064,г.Москва, ул.Обуха, 10/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "" 1Ь90 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат химических наук Валькова Г.А.

1 г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последнее десятилетие представления о ;иолизе воды и водных растворов существенно изменились и это аано с получением экспериментальных данньгх на ранней стадии ;иолнза, соответствующей нескольким десятка!/ пикосекунд. Одна-эти данные весьма ограничены, природа их образования неизвест-, поэтому детальный механизм химических превращений в облучен! воде требует дальнейшего изучения.

Ряд радиационных данных, особенно на ранней стадии радиоли-

тк то

, соответствующей времени 10 + 10 с, не могут быть изме-ш на экспериментальных установках, их получение возможно 1Ько в численных экспериментах, проводимых на быстродействую-: компьютерах. Это такие данные, как начальные выходы возбуж-шых и ионизованных состояний, спектры выбиваемых вторичных ¡ктронов, выходы коллективных состояний плазменного типа, и I других.

Одной из центральных проблем в изучении физико-химических щессов в треке электрона в молекулярной среде является опре-гение начальных выходов первичных продуктов радиолиза. Знание 1альных выходов первичных продуктов важно для установления ¡ствительного механизма радиолиза, особенно на его ранней ста-I. Первичные продукты являются весьма активными частицами и ву после образования интенсивно вступают в реакции. В эксперте, как правило, наблюдают продукты реакций, а не сами пер-гные частицы.

Другой не менее важной задачей является изучение влияния специфики жидкого состояния на радиационно-химические выходы распределение поглощенной энергии в треке электрона, включая химические превращения, которые происходят е системе, эволюци: ее во времени и определение конечных продуктов. Анализ экспер ментальных и теоретических работ показывает, что здесь осноен, задача состоит в изучении кинетики на ранней стадии радиолиза соответствующей пикосекундному масштабу времени.

Об актуальности задач, решаемых в диссертации, говорит п; ликация специального выпуска журнала .iadi.it. ?1:уз. глс! сь.егг, 1989, у.34, № I, посвященного исследованиям первичных процесс радиационной химии. В этом выпуске статья Беднаржа посвящена сравнительному анализу результатов моделирования радиолиза во, полученных'в нашей работе и в группах Тэрнера и Парецки.

Цель настоящей работы. Работа посвящена сравнительному м следованию процессов взаимодействия электронов с водой в паро разном и конденсированном состояниях и механизму ранней стади радиолиза воды. Бьии поставлены следующие задачи:

1) отработать методику компьютерного эксперимента, позва ющего получить начальные выходы первичных активных частиц в в с учетом образования сверхвозбужденных и коллективных состоян плазмонного типа в зависимости от (}азового состояния системы;

2) провести анализ полученных выходов.первичных продукто исследовать обоснованность применимости оптического приближен для оценки выходов первичных продуктов; оценить роль электрон рекомбинации в воде;

3) найти спектры деградации и спектры выбиваемых электро в треке падающего электрона с учетом электронов предвозбужден

4) рассчитать тормозные способности и пробеги электронов воде и водяном паре; получить детальное пространственное расп 2

,еление поглощенней энергии в треке электрона;

5) промоделировать кинетику ранней стадии радиолиэа воды и )босновать кинетическую схему радиолиза.

Объектом исследования выбраны вода и водяной пар, что обус-[овлено широким практическим использованием этих систем, а также ¡аличием достаточно полней информации по сечениям взаимодействия электронов с ведой.

Научная новизна. Впервые в результате численного эксперимента гтелучен'г выходы первкчкмх продуктов радиолиза в зависимости от базового состояния системы с учетом как сверхвозбужденных состояний, так и коллективных состояний плазмонного типа. Показано, что заселенность электронно-возбуждённых состояний води не могет быт'- дате качественно оценена по формулам оптического приближения. Результат моделирования показал, что выход в воде коллективных состояний не является доминирующим, как ранее ошибочно утверждалось в литературе.

Проведено сравнительное исследование зависимости таких величин, как \У-значения, пробеги, тормозные способности, поглощенная энергия от фазового состояния системы, и выявлена роль специфики жидкого состояния. Выполнено обоснование рекомбина-ционно-диффузионной модели кинетики радиолиза воды на ранней 1

стадии радиолиза, проанализирована специфика реакций в шпорах трека электрона.

Научная и практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы в радиационной химии, Физике, радиобиологии и радиотерапии. Так, детальный учет всех процессов на физической стадии радиолиза (в первую очередь эволюции ионизационных, возбужденных, сверхвозбуяденннх и плазмонннх состояний) позволяет .установить механизм радиолиза воды. Это в свою очередь должно позволить направленно воздействовать на химические превращения,

происходящие в водных растворах под действием радиации.

Полученные данные по начальным выходам активных продуктов по моделированию химических процессов в шпорах позволили интер претировать экспериментальные кинетические кривые на ранней ст. дии радиолиза, соответствующей пикосекундному масштабу времени Многие из этих данных не могут быть получены из эксперимента.

Нами проведено обоснование рекомбинационно-дис^узись.ной модели радиолиза воды, которая была предложена. В.М.Бяковот и Л.Т.Еугаенко с сотрудниками, что послужило белее глубокому пониманию процессов, происходящих при взаимодействии :. локтроннои пучка с системой, находящейся в жидком состоянии.

Сравнительное исследование основных характеристик взаимодействия электронов с веществом позволило выявить специфику жидкого состояния исследуемо? системы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке пузырьковых камер и у.т,-ких дозиметров, а также в радиобиологии при исследовании действия радиации на живую клетку в силу того, что опа'содерг ит до 90% воды.

Разработанный комплекс компьютерных программ найдет прпме-нение в автоматизации расчетов по взаимодействию излучения с веществом. Часть программ передана в МАГАТЭ (секция "Атоун> о и молекулярные данные для радиотерапии") по контракту .V- Ч-.^/Я^.

Основные защищаемые положения.

I. Метод, алгоритмы и компьютерные программы расчета первичных продуктов радиолиза воды в жидком и газовом состсгнплг.

'¿. Численные результаты по расчету спектров де1радации электронов, включая электроны предвозбуждену.я, а такие полученные выходы электроико-воэбувденньгх состояний. Обоснование нгпрс порциональности выхода И -го квантового уровня вероятности «тс возбуждения в оптическом приближении.

3. Методики, алгоритмы, компьютерные программы и результаты э расчету тормозных способностей пара и воды, пробегов электро-эв и пространственному распределению энергии в треке электрона, денки влияния специфики жидкого состояния на перечисленные ха-мтеристики.

4. Методика, алгоритм и компьютерная программа по модели-знанию оадиолиза воды в шпоре в рамках стохастической рекомби-шионно-диФФузионноЯ модели в пикосекундном масштабе времени.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на тсдучких конференциях: Ш и 1У Всесоюзные симпозиумы "Динамика тег.'ентарных атомно-молекулярных процессов" (г.Черноголовка, 1687), конференция молодых специалистов филиала НИФХИ Л.Я.Карпова (г.Обнинск, 1985), П Советско-польский семинар о радиационной химии (г.Москва, 1985), совещание по атомным и олекулярным данным для радиотерапии (г.Вена, МАГАТЭ, 1988), и У1 Всесоюзные совещания по микродозиметрии (г.Усть-Нарва, Ж; г. Кане в, 1989).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 науч-« публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, этырех глас и заключения. Содержит 130 страниц машинописного ?кстэ, включающего Г/ рисунков, 13 таблиц, 134 наименования итаруемо? литературы.

с

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе I (литературный обзор) изложены современные представления о первичных процессах и стадиях радиолиза воды. Проанализированы процессы термализации и сольватациг электронов. Рассмотрена рекомбинационно-дийфузионная модель радиолиза воду и водных растворов, учитывающая ион-электронную р^хиуСянагоя предеольватированных электрснов.

Глава ¿ посвящена сраЕнлтельному исследование образования первичных продуктов радиолиза в веде к водяном паре при взаимодействии с быстрыми электронами. Описана методика численного эксперимента по взаимодействию электронов с водой. Сечения выби рались в борновском приближении, причем при энергии электронов менее 100 эВ использовалась экспериментальная функция энергетических потерь. Учитывалось, что в жидкой систем« электрон может находиться в трех состояниях: свободном, квазисвободном и соль-ватированном. 'Потенциал ионизации молекулы воды в жидкой (Ьазе , соответствующий появлению электрона в зоне проводимости, может быть выражен через потенциал ионизации в газовой rifase Iy в виде

I = 1„ + Р + V

J-c ¿д ' + ч0 ,

где f^ - энергия поляризации среды, У0 - энергия дна зоны проводимости. Было получено, что Хе = 8.76 эВ, что значительно нк его значения в газовой фазе 12.6 эВ. Это приводит к сущес

венному повышению выхода ионизации в жидкой фазе по сравнению < паром.

В табл. I представлены расчетные значения радиационных выходов электронно-возбужденных состояний на 100 эВ поглощенной

Таблица I

Радиационные выходы 'на 100 эВ поглощенно?, энергии) электронно-возбужденных состояний, образованных электронами с начально? энергией Е0 в воде и в водяном паре.

В 0 д я н 0 й пар Вода

Электронно-возбужденное } состояние | Энергия возбуж- Сила осцил- Ео кэВ Энергия возбуж- Сила осцил- Ео' кэВ

Но1 Тип | мср| ' ! дения Кыоп.зВ лятора §э п. I 5 10 дения лятора I 5 10

I. А'В, 7.4 0.04 1.25 1.2 I.I9 8.4 0.018 0.535 0.542 0.545

2. В'А, 9.67 0.0665 0.53 0.48 0.48 ЮЛ 0.035 0.256 0.258 0.256

3. Ридбергское (А + В) 10.65 0.0624 0.34 0.31 0.31 11.26 0.0085 0.039 0.038 0.038

4. Ридбергское (А +• 0). II.46 0.02006 0.86 0.78 0.78 11.53 0.0536 0.187 0.191 0.184

5. Диффузионные полосы 13.32 0.4II Г. 16 1.08 1.06 14.1 0.103 0.205 0.202 0.200

6. Коллективные

возбуждения 21.4 2.03 1.20 1.066 1.060

о

энергии для трех значений энергии первичного электрона Е0. Для оценки выходов первичных продуктов при облучении быстрыми электронами обычно используется оптическое приближение, согласно которому оптический выход равен

где - оптическая сила осциллятора образования -состояния, Е^ - энергия возбуждения, элективное число ¡электронов.

Как свидетельствуют представленные в табл. I данные, наблюдается существенное несоответствие расчетных значений с предсказаниями оптического приближения. Так, выход плазконов ^= 1.06 при Е0 = 10 кэВ не намного больше, чем выход нижнего возбужденного состояния ^ = 0.545, хотя вероятность заселения последнего в оптическом приближении в 44 раза меньше. В случае пара наблгаца- . ется даже инверсная заселённость электронно-возбуждённа состояний молекул воды. Состояние с энергией эВ имеет больший выход ( ^ = 1.19), чем состояние - к-ш05= 1^.3;.' эВ ( 1.06), хотя вероятность возбуждения последнего в 5,7 раза выше, чем первого. Причиной этого является то, что спектр выбиваемых электронов сдвинут в область малых энергий, и большинство из них не могут возбуждать состояние с энергией 21.4 яВ. Нами впервые рассчитаны спектры выбиваемых электронов в треке быстрого электрона в жидкой воде. Для электронов предвозбуждения была выполнена аналитическая аппроксимация спектра и получены следующие выражения:

п(£) = о.г-ехр(-?.з8 ■ £/1е), о<е 6 эв

П (Е) = 116-10* * 13.3Н-102/(1*€/Те)3г 13 <е ¿8.4 эВ

Во втором энергетическом интервале качественный характер энергетической зависимости совпадает с полученной Платпуаном.

Если выход возбуждений в паре выше, чем в воде, то выход ионизации имеет противоположный характер, см. табл. 2.

Таблица 2

Сравнение результатов расчетов выходов ионизованных (¡-¿вЛг возбужденных состояний и средней энергии

затрачиваемой на образование одной пары ионов для электронов с начальной энергией 10 кэВ*

Фазовое -........г 1 ! j К эВ

состояние 9 ion ь* \ %'^i.infe,г j

Водяной 3 39 3.82 I. 13 7.21 29 5

пар 3 33 3.0 0. 90 6.33 30

Вода 4 52 2.28 0. 50 6.8 22 I

(первичный выход) 4 07 3.6 0. 89 7.67 24 57

Вода 6 04 1.43 0 24 7.47 16 6

(с учетом распада плазмонов)

Первая строка - настоящий расчет; вторая - данные из работы Turner J.E. et al. .Radiât. Лез., 1ЭВ2, v.92, Но 1, pp.47-60.

Далее была рассмотрена эволюция возбужденных и ионизован-К"Х состояний, включая распад сверхЕозбужденнчх состояний и плазмонов. В результате были получены выходы первичных продукте?, V моменту I ~ Ю-**- с, которые приведены 2 табл. 3.

Таблица 3

Выход на 100 эВ поглощенной энергии первичных продуктов к моменту

t ~ Ю"12 с

I I-

! Н90+ ! Н.,0+

Продукт

H

Но

ОН ! О !

Настоящий расчет

Результаты работы**

Эксперимент

6.57 4.8* 0.84 0.62

6.82 0.03

6.3 6.3 2.1 0.3 8.4 0.3 6.6 4.8 0.7 0.45 5.9 >0.01

*3начение взято из эксперимента.

**Тигпег J.E. et al. Radiat. Res., 19S3,v.96, IIo 3, pp.437-449.

В главе 3 проведено моделирование методом Монте-Карло пространственного распределения энергии электронов в воде и водяном паре. Эта задача рассматривалась в два этапа: первый этап - изучение тормозных способностей и пробегов электронов; второй -анализ распределения энергии в треке быстрого электрона с учетов всех электронов деградации.

Величина тормозной способности среды S задается Формулой

S = fi[Z £к Ç (f.) * Je ( О) dz j,

где tl - количество молекул в единице объёма, 6~к - сечение возбуждения состояния с энергией €к , ^ - дифференциальное сечение ионизации, Е0 - начальная энергия электрона, 11 - первый потенциал ионизации среды. Проведен расчет тормозных способностей и пробегов электронов и установлено, что при энергиях электрона 10

более 200 эВ зависимость от разового состояния практически отсутствует, а при меньших значениях энергии торможение электронов в жидкоП воде значительно эффективнее, чем в водяном паре, с плотностью, приведенной к единице, см. рис. I. Рассчитанные данные по пробегам представлены в табл. 4. Здесь -проекция радиуса-вектора Я , проведенного из начала координат в точку останова электрона, на ось X, вдоль которой начал свое движение электрон с начальной энергией Е0; Ну- проекция на ось У Я- -

полный пробег электрона. Для сравнения в последней строке таб-

эксл.

лнцы 4 приведены экспериментальные значения пробегов Ц^ Вопрос сравнения рассчитанных и экспериментальных пробегов достаточно сложный. Все экспериментальные пробеги являются проективными, т.к. измеряется поглощение в слое определенной толщины,

поэтому, если расчет ведется методом Монте-Карло, то сравнивать

- птсо* п псп- О3*™-

надо проективный Цх с. Ц , т.к. именно К50 отвечает

среднему пробегу. Кроме того, следует учитывать, в какой степени измеряемые пробеги включают пробеги электронов предвозбутядения. Для электронов с Е0 £ 400 эВ полный пробег У? примерно на 4<$ превышает проективный , что находится в хорошем согласии с экспериментом Вильямса.

На втором этапе исследования численный расчет показал, что благодаря воздействию всех вторичных электронов спектра деградации, которые образуются в треке быстрого электрона, различия в распределении поглощенной энергии в воде и водяном паре незначительны, несмотря на то, что отдельные электроны с энергией менее 200 эВ тормозятся в воле значительно эффективнее, чем в паре, как это видно из рис. I. Таким образом, (/-электроны нивелируют зависимость поглощенной энергии от ^чл^-^го сс-.тсяния молекулярной системы.

П

2 00

т

11Г

10* Е,

Рис. I Массовая тормозная способность жидкой воды и водяного пара -- - )

Таблица 4

Средние ионизационные пробеги электронов в воде и

водяном паре в единицах 10

,-21

г/нм'

2

1 • Фазовое ! 1 Еп,эВ ! ■■ - 50 1 100 ■ и. _ 200 I 400 \ —..... 1 600 ■ 800 ! 1 ю-3

состояние! 0 I ! !

йд 0.71 "1.24 1.34 6.29 12.03 18.77 29.93

Вода й.т 0.10 0.24 1.19 4.74 9.20 14.33 20.84

Я 0.78 1.40 2.51 10.78 20.67 32.26 46.70

Водяной Я» я» 1.78 2.16 0,83 0.98 3.59 1.39 6.71 5.17 12.32 9.37 18.75 14.29 26.31 20.24

пар я 2.42 2.98 4.72 11.62 21.19 32.26 45.33

с 3.6 6.27 12.67 21.33 40.67

Диалогичный результат бьп получен и для слоев роды и водяного пара, что может служить обоснованием применения .^идко^азного дозиметра Фрике для дозиметрии паровой системы. Наши расчеты также служат обоснованием применения газовой тканеэквивалентной модели в радиобиологии при моделировании распределения поглощенной энергии в живой, клетке, хотя эта модель совершенно неприменима для расчёта радиационных еыходов первичных активных частиц, как это следует из данных, присоденн'д в табл. 2. Кроме того, было показано, что непропорциональность заселенности электронно-возбужденных состояний вероятностям их возбуждения в оптическом приближении справедлива не только для бесконечных сред, как ото отмечалось в предыдущей главе гтабл. I), но и выполняется для очень тонких слоев воды, см. табл. 5.

В главе 4 выполнен расчет негомогенной кинетики радиолиза воды в стохастическом приближении. Анализ моделей ра-днолиза водч под действием быстрых электронов показал, что стохастические модели, в которых предполагается, что миграция активна частиц в пространстве является случайным процессом, описывают дигМузионно-кинетические реакции в усредненной "поре точнее, чем детерминированные. Это

I

объясняется мал1™.! числом частиц в шпоре.

При рассмотрении радиолига в жидкой воде мы учитывали следующие реакции':

Таблица 5

Радиационные выходы электронно-возбужденных ¿-й номер состояния) и ионизованных состояний в слое воды и водяного пара толщиной Л для

электронов с начальной энергией Е0 = I кэВ

Фазовое состояние к, ни ! ъ ! ь ь 1 ь ! ь ь V» * II ^¿оп.

Водяной пар 10 30 0.23 0.85 о.п 0.36 0.075 0.23 0.18 0.59 0.24 . 0.82 - 0.84 2.85 0.77 2.54

50 Бесконечная 0.96 0.40 0.26 0.66 0.91 - 3.19 ' 2.80

среда 1.25 0.53 0.34 0.86 1.16 4.14 3.39

10 0.16 0.069 0.01 0.04 0.05 0.28 0.61 0.97

Вода 30 0.56 0.25 0.33 0.16 0.17 0.67 2.14 3.28

50 0.63 0.28 0.037 0.17 0.19 1.06 2.37 3.60

Бесконечная

среда 0.54 0.26 0.039 0.19 0.21 1.2 2.44 4.53

Нг0* е~—- Нг0* + е" (I)

//Ж — { H * M Нг * о (2) (3)

е" пнго— Сл.^ (4)

н/- е' —- (5)

'¿нго (6)

Н&М — Нг + 2 ОН (7)

н -он-нго (8)

wf-нл — н3о+ -он (9)

он - c;f— (10)

ОН ч он — 'НА (И)

- 2Нг0 (12)

и > он — - Н,0 (13)

С J - Н30 - // '//,0 (14)

II - H (15)

н ♦ епунго—- нг +онЦ ( геч

еа} - нЛ —- OHÍj -он. (17)

Реакция ион-электронной рекомбинации г5) была включена в схему радиолиза воды в силу того, что расчетный выход ионизации, равный ССт= 6.57 (см. табл. 3), существенно превышает экспериментальный выход сольватированных электронов &п- - 4.8. Ото, яесом-ненно, свидетельствует в пользу необходимости учета реакции (5) в согласии со схемой радиолиза воды, предложенной В.М.Бяковым и Л.Т.Бугаенко с сотрудниками. Показано также, что молекулы воды в результате рекомбинации образуются в высоковозбужденном синг-летном основном состоянии с энергией, равной 6.26 эВ, так как эта энергия недостаточна для возбуждения нижнего возбужденного синглетного и нкжнрго триплетного электронных состояний.

Далее считалось, что диффузия активных частиц начинается по истечении времени дипольной релаксации, т.е. через ТО"с. К этому времени реакции (1)-(9) завершены. Зыходы этих реакций приведены в главе 2, см, табл. 3.

Методом Монте-Карло было выполнено моделирование кинетики радиолиза воды в пикосекундной области радиолиза. Константы реакций приведены в табл. 6. При этом принималось, что в соответствии с условием Смолуховского реакция между двумя частицами, находящимися на некотором расстоянии К друг относительно друга, произойдет, если /? не превышает радиус реакции /?„ .

Полученные в наших расчетах кинетические кривые гибели сольватированных электронов и радикалов ОН приведены на рис.2 и 3. Там же даны экспериментальные данные. Согласие расчетных и экспериментальных данных достаточно хорошее.

Рассчитанные выходы реакций приведены в табл. 6. На основе этих данных были установлены следующие закономерности протекания реакций в жидкой воде на ранней стадии радиолиза. Выход молекулярного водорода в реакции а5) Н + Н -*-Н2 мал и равен 0.005. Это связано с тем, что в шпоре начальный выход радикалов ОН зка-

Табл- ■ца 6

та-:т,- reara:- ■■ к , pcJj",i'.yC ! p С ¿i К L ИГ' /?„ К KOOÍÍIlry.CHTK

ÜS7 •в.--.: i^c-кт ß у. пслучечиь-е ГУХОДЬ:

T í 1 i л t ! л'у.сль . i /?.■■»»/) с) ¡ i 1 t Пслучен!"'-с i ВЫ.-СД-r! i реакци" -, i il1, п i i продукта j i i i ; D-IC"5 típ*

'v.'- 't* JH ->- P H ~ 3 0.61 1.16 H 8.0

• у. : » 0.23 0.81 н3о* 10.0

'.i,С t oiCy — P.HM TI Q I 9 0.76 OH - 2.0

i) ' ' + OH - нго 3.2 0.42 0.58 4.5

i 14) H/J' * p~ -*н+нго 2.3 0.48 0.46 2.0

(Ii".'- ñ i- // -*//. t 0¡Cf 1.3 3.0 0.21 0.32 0.005 0.03 H2°2 1.4

í 171 -*<:,%,< g a 1.2 0.27 0.009

С(е^)

' ' I .......' I_I м 11 п_I_I_I 11М11.

ю

10

-8

10 Ь,с

Рис. 2. Кинетика гибели сольватированных электронов. Сплошная линия - настоящий расчет, точки - экспериментальные данные

С (ОН)

Т* , 1. I I I 1 1 1 1 ' I I I » I | I 1 >

ю"9 ю"' г,с

Рис. 3. Кинетика гибели радикалов ОН. Сплошная линия - настс расчет, точки - экспериментальные данные

4

чительно больяе, чем атомов Н. 'Как, на 100 зВ поглощенной энергии п<V'.од радикалов ОН, согласно нашим расчетам, равен 6.82, а атомов Н - С = 0.84, см. табл. 3. Поэтому маловероятно, что в ипере произойдет реакция рекомбинации атомов Н, скорее всего, атсм Н прореагирует с радикалом ОН. По аналогичной причине мал чгхед реакции (16). Таким образом, специфика кинетики радиолиза ' 1 с- •••• ул п-пнгД стадии состоит в том, что в шпорах образуется "ЧльлсЛ ¡<к>:ед радикалов СН, которые подавляют реакцию рекемби-

атемев Н, а таете элективно акцептируют атемы Н, полу-•« чьче 3 Р,..ЧК13'Г (Ю е1 * Н30+ — Н «• Н£0.

ОСНСЕННЕ РЕЗУЛЬТАТ"»'

1. Выполнено детальное моделирование прсиосоов взаимодействия электронов с молекулярной средой с учетом образования ■ свгрхвозбужде!'.н!тх и К1 ллективных состояний плазменного типа и отработана методика компьютерного эксперимента.

2. В результате компьютерного эксперимента получены начальные г.ыходм первичных продуктов радиолиза воды на времени

Ю-'3 * Ю-1"" с з -азовей и жидкой (»азах. Показано, что если в газовой ''а?- в- -сд ионизации приблизительно равен выходу возбуждений, то г жидкой воде выхгд ионизаций, се-г ."честь распад плазмснср я свегч'вслбужд'Ч'ных состояний, гг^г-л^ает бел»» чем а четыре о/юа в'-хед г.озг; --л ■ ■■ •< счтояну.' , а •>"• -згия ин е ■ .'-оз У 12.2 эЗ, ото в О" ■ ниуе

■■. ."ск^з..!■"1 г 1-: '.'оль учета п-„г его си--/:; ->лектт>онг ■ ' рлоо'—ип в тгг:,с' пти расето нчча.г ^СЮР 1' ■

:';.';Ч"Х .ТОСДУ'ГОЯ Г 1:4 СЛ'.'.О И непри.м':нимс». .'I -П-.ТЛ' "ЧТС

при б::1/ ' ?'-ид да«:, д.'1. ча'к-з :кных оценок.

4. На основе сопоставления расчетных и экспериментальных начальных выходов продуктов радиолиаа воды обосновано эффективное протекание реакции ион-электронной рекомбинации для прсдс. оль-ватированных электронов в полярных системах.

5. Получены спектры выбиваемых электронов в треке налетающего электрона. Впервые рассчитан, спектр электронов предвсзбуж-дений для жидкой воды и получено аналитическое выражение для него.

6. Проведен расчет тормозных способностей и пробегов электронов в воде и водяном паре. Найдено детальное пространственное распределение энергии в треке электрона. Это позволило установить специфику поглощения энергии в молекулярной среде в зависимости от фазового состояния среды.

7. В результате моделирования прохождения электронов через слой жидкой воды и водяного пара был сделан вывод о неприменимости оптического приближения не только для бесконечной среды, но и для тонких слоев воды. Установлено, что энергия, поглощенная в слое воды при облучении его электронами, незначительно зависит от фазового состояния слоя.

8. Выполнен стохастический расчет негомогенной кинетики радиолиза воды на ранней стадии радиолиза, соответствующий пико-секувдному интервалу времени, и проведено обоснование схемы радиолиза воды, которая включает в себя реакции как предеольвати-рованных электронов, так и сольватированных. Получено хорошее согласие с экспериментом.

9. Сделан вывод о неприменимости газовой тканеэквивалентной модели, широко используемой в радиобиологии, для расчета радиационных выходов первичных активных частиц, хотя эта модель может давать удовлетворительные результаты при моделировании распределения поглощенной энергии в живой клетке.

Основные результаты изложены в работах:

1. Каплан И.Г., Митерев A.M., Сухоносов В.Я. Моделирование прохождения быстрых электронов в жидкой воде и водяном паре.

- Химия высоких энергий, 1986, т.20, № 4, с.495-500.

2. Kaplan I.G., Hiterev A.!', and Gukhonosov V.Ya. Comparative study of yields of primary products in tracks of fast electrons in liquid mater and in water vapor.- Radiat. Phys. Chem.

1986, v.27, Ho 2, pp.03-90.

3. 3. Каплан И.Г., Сухоносов В.Я. Сравнительный расчет массовых тормозных способностей и пробегов электронов с энергией 20 - 1000 эВ в воде и водяном паре. - В сб.: Материалы У1 Всесоюзного совещания по микродозиметрии. - М.: МИФИ, 1989, с.60-61.

4. Каплан И.Г., Митерев A.M., Сухоносов В.Я. Моделирование первичной стадии радиолиза воды при облучении быстрыми электронами. - Химия высоких энергий, 1989, т.23, № 5, с.392-397.

5. Каплан И.Г., Сухоносов В.Я. Моделирование на ЭВМ массовых тормозных способностей и пробегов электронов в воде и водяном паре.- Химия высоких энергий, 1990, т.24, № I, с.14-18.

Подписано в печать 2.02.90 Формат 60 х 84 I/I6 IVipasc 100 экз.

Л-08586 1.25 печ.л. I.2I уч.- изд.л. Заказ № "9 Бесплатно

Научно-исследовательский институт технико-экономических исследований. Москва, ул.Наметкина, 14 Отдел обзорной и реферативной НТИ и подготовки изданий Москва, ул.Ибрагимова, 15а