Файл: Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия.pdf

Для (Н-частиц с энергией более 0,8 Мэе

Ra\— 0,542£М.1КС— 0,133,

где 'Rm — полный пробег (гН-частиц в алюминии, г/см2; £ макс — максимальная энергия р_-частиц, Мэе.

Зная толщину слоя полного поглощения (Н-частиц данной максимальной энергии в алюминии (R.w), можно рассчитать тол­ щину слоя полного поглощения (R) в других веществах на ос­ нове соотношения

( 2.2)

Чтобы найти длину пробега [3- -частиц в веществе в санти­ метрах, следует величину пробега в граммах на квадратный сан­ тиметр разделить на плотность вещества р. На практике обычно используют величины максимального пробега электронов в раз­ личных веществах, определенные экспериментально.

Иногда для характеристики проникающей способности элект­ ронов пользуются понятием слоя половинного ослабления излу­ чения — это такая толщина поглотителя, которая ослабляет ин­ тенсивность электронного пучка в 2 раза (см. стр. 44).

Таким образом, проходя через вещество, электроны полно­ стью теряют свою энергию на длине максимального пробега R, при этом в материале образуется тормозное излучение, которое может представлять значительную опасность при большой ак­ тивности источника.

2. Ослабление рентгеновского и у-излучений

Взаимодействие рентгеновского и у-излученнй с веществом происходит в виде трех основных процессов (рис. 2.2): а — фо­ тоэлектрического поглощения (фотоэффекта), 6 — рассеяния и ■в— образования пар электрон — позитрон (эффект образования пар).

а. Фотоэффект

При фотоэффекте рентгеновский или у-фотон передает всю энергию электрону атома [13, 14]. При этом если электрон по­ лучает энергию выше, чем энергия связи его в атоме, то он вы­ летает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. Ки­ нетическая энергия фотоэлектрона Ее ниже энергии рентгенов­ ского или у-фотона hv на величину энергии связи электрона £,■:

в электронных оболочках в дальнейшем заполняются электрона-

2* 35

ми с внешних оболочек. Переход электрона на более близкую к ядру оболочку сопровождается испусканием фотона характери­ стического излучения.

Следует отметить, что не все фотоны потока рентгеновского пли у-излучения поглощаются веществом. Некоторая часть их не взаимодействует с атомами вещества. Вероятность взаимодейст­ вия зависит от атомного номера вещества и энергии фотонов.

Рис. 2.2. Схемы взаимодеГ|ствия фотонов рентгеновского и у-нзлучений с веществом.

Для излучения с низкой энергией фотонов и для тяжелых эле­ ментов фотоэлектрический эффект преобладает над другими ви­ дами взаимодействия.

При низких энергиях фотонов (£<С0,5 Мэе) фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения излучения. Чем выше энергия фотонов, тем ближе с их первоначальным направлением совпа­ дает движение выбрасываемых фотоэлектронов.

Величина, характеризующая относительное уменьшение по­ тока излучения веществом, обусловленное фотоэлектрическим поглощением, на единице пути, называется линейным коэффи­ циентом фотоэлектрического поглощения т и измеряется в см~К Кроме линейного коэффициента фотоэлектрического поглощения в расчетах применяют также массовый коэффициент т/р (см2/г)г где р — плотность вещества. Массовый коэффициент т/р пред-

36

повышением энергии излучения и резко возрастает с увеличе­ нием атомного номера вещест­ ва. Согласно графикам на рис. 2.3 и 2.4, фотоэлектриче­ ский эффект наблюдается пре­ имущественно в случае излуче­ ния с низкой энергией фотонов

ипоглотителей с высоким

атомным номером. Вероятность фотоэлектрического поглощения для легких элементов становится ничтожно малой при энергии 100— 150 кэв, для элементов со средними атомными номерами — при энергии порядка 300—400 кэв и для тяжелых элементов — при энергии примерно 1— 1,5 Мэе. Так, для алюминия фото­ электрическим поглощением можно практически пренебречь, на­ чиная с энергии излучения 150 кэв, а для свинца — с 2 Мэе.

б. Рассеяние рентгеновского и у-излучений

При взаимодействии рентгеновских и у-фотонов с веществом наряду с фотоэлектрическим поглощением происходит их рас­ сеяние [13, 14]. Различают два основных процесса рассеяния: комптоновское, или некогерентное, рассеяние (комптон-эффект) и когерентное рассеяние.

37

При комптон-эффекте первичный фотон рентгеновского или ■у-излучения может взаимодействовать со свободным электро­ ном атома вещества. Эффект Комптона можно рассматривать как упругое соударение первичного фотона со свободным элек­ троном.

Комптоновское рассеяние представляет собой такое взаимо­ действие фотона с электроном, при котором в отличие от фото­ эффекта фотон передает электрону не всю свою энергию, а только часть ее, отклоняясь при.этом от своего первоначально­ го направления на некоторый угол. Электрон, получив некото­ рое количество энергии, начинает двигаться под углом к на­ правлению движения рентгеновского или у-фотома. В результа­ те комптон-эффекта появляется рассеянный фотон с большей длиной волны и меньшей энергией, изменивший первоначаль­ ное направление, и вырванный из атома так называемый элек­ трон отдачи (комптоновский электрон), получивший часть энер­ гии фотона (см. рис. 2.2, б).

где hv— энергия первичного фотона; hv' — энергия рассеянного фотона; £ К0МПт — кинетическая энергия комптон-электрона.

Изменение длины волны излучения, имеющее место при комптоновском рассеянии, не зависит от рода поглотителя и энергии первичного фотона и определяется уравнением

АХ = X' — X = ЯК0МПТ (1 — cos ср),

фекта Комптона, равна разности величин энергии первоначаль­ ного и рассеянного фотонов, т. е.

38

Комптоновские электроны характеризуются непрерывным энергетическим спектром от ничтожно малых значений до мак­ симальной величины, когда они выбрасываются в направлении движения фотонов (угол между направлением движения пер­ вичного фотона и комптон-электрона равен 0).

В случае, если Е~^>тйс2, максимальная энергия комптонэлектрона

Следует указать, что для излучения с одинаковой энергией фотонов кинетическая энергия комптоновских электронов мень­ ше кинетической энергии фотоэлектронов. Для излучения с энергией 1 Мэе энергия обратно рассеянного (ф=180°) фотона равна 0,20 Мэе, а при угле в 60° она составляет 0,51 Мэе.

Из рассмотренных особенностей комптоновского рассеяния следует, что ослабление интенсивности первичного излучения происходит в результате того, что рентгеновские и у-фотоны, взаимодействуя с электронами атомов среды и рассеиваясь в различных направлениях, в основном уходят за пределы пер­ вичного пучка излучения. По мере прохождения рассеянного излучения через вещество продолжается его взаимодействие с электронами вещества: появляются двух-, трех- и многократно рассеянные фотоны. Взаимодействие рассеянных фотонов с ве­ ществом обычно заканчивается фотоэффектом.

Величина, характеризующая относительное уменьшение по­ тока излучения за счет процесса комптоновского рассеяния на единице пути, называется линейным коэффициентом комптонов­ ского рассеяния а (см~1) . Линейный коэффициент комптонов­ ского рассеяния тем больше, чем больше электронов содержится в слое, так как в этом случае большая доля рентгеновских и у-фотонов испытывает рассеяние.

Массовый коэффициент комптоновского рассеяния а/р (см2/г) характеризует относительное уменьшение потока рентгеновского или у-излучения при прохождении через слой вещества с еди­ ничной поверхностной плотностью. Можно показать, что массо­ вый коэффициент комптоновского рассеяния для различных ве­ ществ пропорционален Z/A. Отношение ZjA для водорода равно единице, а для всех остальных веществ с увеличением атомного номера оно медленно изменяется от 0,5 до 0,39. Поэтому можно считать, что массовый коэффициент комптоновского рассеяния а/р для всех веществ имеет примерно одно и то же значение. Следовательно, линейный коэффициент комптоновского рассея­ ния а пропорционален плотности поглотителя, и ослабление ин­ тенсивности излучения за счет комптоновского рассеяния, рас­ считанное на единицу длины поглотителя, будет больше в более плотных веществах.

39