Файл: Пикаев, А. К. Дозиметрия в радиационной химии.pdf

быть выбит электрон c L - и более высоких оболочек. Поэтому сече­ ние* фотоэффекта имеет скачки при энергиях фотонов, равных энер­ гиям связи электронов. На рис. 3 в качестве примера приведена зависимость сечения фотоэффекта для свинца от энергии фотона [8].

Вероятность фотоэффекта возрастает с увеличением атомного номера материала и уменьшается с ростом энергии фотона. В ча­ стности, вероятность этого процесса уменьшается при увеличении энергии Е фотона приблизительно по закону Е~3(при Е < 0,5 Мэе)

Подчеркнем, что в ослабле­ нии фотонного излучения при прохождении его через среду фотоэффект играет преоблада­ ющую роль для излучений с энергией ниже 0,1 Мэе и для сред с атомным номером более

20.

Комптоновское рассеяние. Комптоновским рассеянием на­ зывается процесс взаимодейст­ вия фотонного излучения с ве­ ществом, в котором фотон в ре­ зультате упругого столкнове­ ния с электроном теряет часть своей энергии и изменяет на­ правление своего первоначаль­ ного движения, а из атома вы­ бивается электрон отдачи. В ли­ тературе встречаются и другие названия этого процесса: эффект Комптона, некогерентное рас­ сеяние. Электрон отдачи ча­

сто называют также комптоновским электроном. Схематически процесс комптоновского рассеяния показан на рис. 4.

Энергия Е электрона отдачи равна

*Вероятность протекания того илн иного процесса характеризуется сечением, которое измеряется в см2. 10~24 см2 составляет барн. Сечение означает отно­ шение числа элементарных актов какого-либо процесса в 1 сек. на атом, яд­ ро или частицу к числу падающих частиц на 1 см2 в 1 сек. Оно обычно обо­ значается буквой а.

23

Величины Е и hv можно найти по формулам

hvо

На рис. 5 приведена зависимость доли энергии первичного фотона, передаваемой электронам отдачи, от энергии фотона [11]. Кривая распределения электронов отдачи по энергии имеет резко выраженную границу, соответствующую максимальной энергии Ет&х электрона отдачи (рис. 6). Величина 2?т ах определяется из формулы

Л\'о

(26)

•^гаах — 1-j- 0,25/hv0 '

Рис. 5. Зависимость доли / энергии первичного фотона, передаваемой элек­ трону отдачи, от энергии фотона

На рисунке указаны также величины максимальной энергии электронов отдачи

24

На рис. 6 иа оси ординат отложены сечения взаимодействия на электрон и иа единичный интервал энергии [8].

Комптоновское рассеяние является одним из наиболее суще­ ственных процессов взаимодействия фотонного излучения в срав­ нительно широкой энергетической области. Например, оно доми-\ нирует над другими процессами в свинце, если энергии фотонов равны 0,5 —5 Мэе, в железе при энергиях 0,1 —10 Мэе, в алюминии

Образование электронно-позитронных пар. Этот эффект со­ стоит в исчезновении фотона в кулоновском поле ядра или элек­ трона и создании пары электрон — позитрон (рис. 7). При этом образовавшейся паре передается вся энергия h v фотона за вычетом энергии покоя возникшей пары, равной 2лг0с2 = 1,022 Мэе, т. е.

где i?+ и Е_ — соответственно энергии позитрона и электрона. Таким образом, данный эффект имеет порог, равный 1,022 Мэе.

Сечение рассматриваемого процесса возрастает с увеличением энергии фотона и увеличивается приблизительно пропорциональ­ но квадрату атомного номера среды.

Образование пар сопровождается относительно мягким у-из- лучением. Природа его такова. Позитрон нестабилен в присутствии электронов среды, и он быстро исчезает путем рекомбинации с од­ ним из электронов (в основном свободных) * . При этом исчезно­ вение позитрона приводит к испусканию эквивалентного количе­ ства энергии в виде фотонного излучения. Возникают два фотона

сэнергией 0,511 Мэе.

Вкулоновском поле орбитального электрона возникают пары,

приводящие к образованию триплета, т. е. пары электрон — по­ зитрон плюс электрон, в поле которого протекает процесс и кото­ рый выбивается из атома. Пороговая энергия для образования триплета равна 4 тп.0с2. Этот процесс имеет небольшое значение по сравнению с процессом образования пары в поле ядра.

Другие виды взаимодействия фотонного излучения. Когерент­ ное (томпсон-рэлеевское) рассеяние представляет собой рассеяние

* Этот процесс называется аннигиляцией.

25

фотонов связанными атомными электронами, при котором атом ни возбуждается, ни ионизируется. Этот процесс протекает, в ос­ новном, в случае фотонов низкой энергии и материалов с большими атомными номерами. Рассеянные фотоны имеют ту же длину вол­ ны, что и первичные, т. е. материалу не передается никакой энер­ гии. Имеет место только ослабление первичного пучка.

Фотораспад ядер (или ядерный фотоэффект) — это процесс взаимодействия фотонного излучения с ядрами, приводящий к ис­ пусканию нейтрона, протона или а-частицы. Он имеет место в том случае, когда энергия фотона превышает энергию связи соответ­ ствующей частицы в ядре. Фотораспад характерен для фотонного излучения высокой энергии (выше 10—15 Мэе для материалов с низкими атомными номерами и выше ~ 7 Мэе для материалов с большими атомными номерами). Исключение составляют реакции (у, п) для дейтерия и бериллия, которые начинают протекать с энергией фотонов 2,23 и 1,665 Мэе соответственно (см. также стр. 37).

Ослабление инт енсивност и и поглощение энергии фотонного и злучен и я

п р и прохож дении через вещество

В результате протекания различных процессов взаимодей­ ствия с веществом интенсивность потока фотонного излучения при прохождении через вещество уменьшается. Возьмем узкий моно­ хроматический пучок фотонов, падающий на прибор-детектор, измеряющий интенсивность (рис. 8). Если между этим прибором и источником излучения находится какой-либо поглотитель тол­ щиной АI, помещенный в пучок, то интенсивность I пучка при про­ хождении через этот поглотитель уменьшится на величину АI,

где |х — коэффициент пропорциональности, называемый линей­ ным коэффициентом ослабления.

После перегруппировки уравнения (28) и интегрирования его от 0 до I получаем

где /„ — начальная интенсивность излучения.

Уравнение (29) выражает общеизвестный экспоненциальный закон ослабления.

Для пучка фотонов с различными энергиями закон ослабления выражается формулой

26

ями Ег, Ег, . . ., Et, a jXj, р2, . . ., рг — соответствующие линейные коэффициенты ослабления,

Уравнение (29) было выведено для узкого параллельного пучка фотонов. В этом случае детектор регистрирует только первичное нерассеянное излучение. Если же пучок широкий, то детектор, помимо нерассеянных фотонов, регистрирует также фотоны, мно­ гократно рассеянные в поглотителе (рис. 9). Говоря по-иному,

Рис. 8. Ослабление узкого монохроматического пучка фотонов при прохож­ дении через вещество

1 — источник излучения; 2 — коллиматор; з — поглощающая среда; 4 — прибор-детек­ тор

Рис. 9. Ослабление широкого пучка фотонов при прохождении через вещество

Обозначения те же, что на рис. 8

детектор будет измерять большее количество фотонов. Вклад мно­ гократно рассеянного излучения по сравнению с первичным излу­ чением учитывается с помощью так называемого фактора накоп­ ления (англ. — buildup factor). Его обозначают буквой В. Тогда для случая широкого пучка уравнение (29) трансформируется к виду

Если I измеряется в см, то р имеет размерность см~г. На прак­ тике чаще используют массовые коэффициенты ослабления р/р,

По определению МКРЕ [21], массовый коэффициент ослабле­ ния для косвенно ионизирующих частиц — это частное от деления dN на произведение р, N и dl, где N — число частиц, падающих перпендикулярно на слой материала с толщиной dl и плотностью р, a dN — число частиц, которые осуществляют взаимодействие

27