1.1 Взаимодействие гамма - излучения с веществом

Фотонное излучение относится к электромагнитному косвенному ионизирующему излучению и включает в себя рентгеновское и γ-излучения.

Происхождение рентгеновского и γ-излучений различное, но природа их одинакова: с точки зрения классической физики - электромагнитное излучение (волны), а квантовой - поток фотонов (квантов), т.е. частиц. Двойственную природу фотонного излучения заключается в том, что в одних явлениях это излучение проявляет волновые свойства (отражение, преломление, дифракция, интерференция), в других - свойства частиц, называемых γ-квантами (фотоэффект, ядерные реакции).

Так как длина волны гамма-излучения очень мала, то при прохождении излучения через вещество говорят о вероятности его взаимодействия с ним, причем эта вероятность взаимодействия экспоненциально возрастает с увеличением толщины поглотителя.

Особенностью γ-квантов при прохождении через вещество является то, что они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются, т.е. практически выбывают из пучка. Другая отличительная особенность γ-квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света, а это значит, что γ-кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы.

Для γ-квантов не существуют понятия пробега, максимального пробега, потерь энергии на единицу длины. При прохождении пучка γ-квантов через поглощающее вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка.

Фотонное излучение, проходя через вещество, взаимодействует с орбитальными электронами и ядрами атомов и теряет свою энергию. В диапазоне энергий фотонов 20 кэВ ÷ 10 МэВ может происходить более 10 различных типов взаимодействий фотонов с веществом. Основными видами взаимодействия являются фотоэффект, комптоновское рассеяние, и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект - такое взаимодействие фотонного излучения с атомами поглощающего вещества, при котором фотон поглощается атомом, передавая свою энергию одному из орбитальных электронов и тем самым выбивая его из атома (рис.1). Фотоэффект в основном наблюдается на электронах К- и L- оболочек, так как энергия фотона должна быть близка к энергии связи электрона в оболочке атома. Если энергия падающего фотона больше энергии, необходимой для удаления электрона из атома, то избыточную энергию фотон передает электрону в виде кинетической энергии:

Е_е=Е_γ- Е_св (1.1.1)

Где Е_св - энергия связи орбитального электрона; Е_γ - энергия гамма-кванта; Е_е – кинетическая энергия электрона;

Рисунок 1.1 Схема фотоэффекта

Электрон, удаленный таким образом из атома, называется фотоэлектроном. Фотоэлектрон движется почти перпендикулярно к направлению распространения поглощенного фотона.

Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной оболочке может быть занято менее связанным электроном с более высокой оболочки, и при этом выделяется энергия в виде характеристического излучения, которое в свою очередь может вызвать внутренний фотоэффект внешних валентных электронов и вырвать их из атома. Электрон, освобожденный из атома таким образом, называется электроном Оже, а явление - эффектом Оже. Таким образом, независимо от вида процесса, происходящего после фотопоглощения, вся энергия исходного γ-кванта превращается в кинетическую энергию заряженных частиц - электронов, поэтому фотопоглощение можно назвать процессом полного поглощения энергии.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения фотонного излучения при энергии фотонов ниже 0,5 МэВ для тяжелых атомов и ниже 0,05 МэВ для легких. Поэтому при проектировании защиты от γ-излучения предпочтительно использовать тяжелые материалы.

Эффект Комптона - упругое столкновение фотонов с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает часть своей энергии электрону и рассеивается (рис.2).

Рисунок 1.2 Схема комптоновского рассеяния

Отраженный фотон называется вторичным или рассеянным. Орбитальные электроны атома поглотителя можно рассматривать как свободные частицы, т.к. энергия связи электрона в атоме мала по сравнению с энергией фотона, поэтому можно считать, что энергия рассеянного фотона меньше первоначальной на кинетическую энергию вырванного из атома электрон.

Комптоновское рассеяние на свободном электроне - процесс некогерентный, т.к. в нем отсутствуют эффекты интерференции фотонов, рассеянных отдельными электронами. Вероятность процесса некогерентного рассеяния возрастает пропорционально концентрации электронов в единице объема вещества, поэтому сечение эффекта Комптона - δ_к ~ NZ, где N - число атомов в единице объема вещества.

Комптон-эффект наблюдается при энергии фотонов 0,05 - 10 МэВ, если поглотитель состоит из легких атомов, и при энергии 0,5 - 5 МэВ, если поглотитель - тяжелые атомы.

Многократный процесс рассеяния за счет комптон-эффекта приводит в конечном счете к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомом.

Движение электронов в атоме взаимосвязано, поэтому, если фотонное излучение имеет энергию меньше, чем энергия связи орбитального электрона в атоме, то возможно, что излучение, рассеянное одним электроном, будет интерферировать с излучением, рассеянным другим. Этот процесс называется когерентным рассеянием, он становится заметным при малых энергиях фотонов и рассеяние происходит без вырывания электрона. При когерентном рассеянии атом в целом от фотонного излучения получает незначительную энергию. В практических задачах радиационной защиты обычно используются коэффициенты ослабления фотонного излучения без учета когерентного рассеяния, которое практически не приводит к изменению характеристик первичных фотонов. Лишь в некоторых случаях, например при прохождении узких пучков излучения в веществе, когерентное рассеяние может дать существенный вклад в характеристику поля излучения.

Образование электронно-позитронных пар - это такое взаимодействие фотонного излучения с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и в кинетическую энергию электрона и позитрона (рис.3)

Такое взаимодействие может происходить при энергии фотона не меньше 1,022 МэВ и только в поле ядра. Ядро в соответствии с законом сохранения импульса принимает на себя часть импульса фотона. Если энергия фотона больше 1,02 МэВ, то избыточная энергия уносится электроном и позитроном в виде кинетической энергии. Баланс энергии при образовании пар имеет вид:

hv = E _e- +E _e+ +2m₀ с² (1.1.2)

где 2m₀с² - две энергии покоя электрона; E_e-+ E_e+ - кинетическая энергия электрона и позитрона, соответственно.

Рисунок 1.3 Схема образования электронно-позитронной пары

Из уравнения (1.1.2) следует, что чем больше энергия фотона, тем большая кинетическая энергия будет у электрона и позитрона. Позитрон через короткое время аннигилирует с образованием двух вторичных фотонов: е^- + е⁺ → 2γ, каждый из которых имеет энергию 0,51 МэВ и поэтому не может образовывать пар. Так е можно сделать вывод о том, что процесс образования пар пороговый, т.е. при Ε_γ < 1,022 МэВ вероятность образования пар равна нулю. С увеличением энергии фотонов вероятность образования пар растет пропорционально Z², т. е. поглощение фотонного излучения в результате образования пар наблюдается в основном в атомах тяжелых элементов и не имеет практического значения для легких ядер. Начиная с энергии 10 МэВ основное поглощение γ-квантов происходит за счет эффекта образования пар. При эффекте образования пар энергия первичного фотонного излучения преобразуется в кинетическую энергию ионизирующих частиц (электрон-позитрон) и в энергию аннигиляционного излучения.

При прохождении моноэнергетического фотонного излучения через легкое вещество одновременно может иметь место не более двух эффектов взаимодействия: фотоэффекта и комптон-эффекта, либо комптон-эффекта и образования пар. Для немоноэнергетичного фотонного излучения осуществляются одновременно все три типа взаимодействия. Интервалы энергий фотонов, в которых один из трех процессов взаимодействия с веществом является доминирующим, приведены в таблице.

Таблица №1.Интервалы энергий фотонов, в которых один из трех процессов взаимодействия фотонов с веществом является доминирующим

Вещество	Интервал энергий фотонов, E, МэВ
	Фотоэффект	Комптон-эффект	Образование пар
Воздух	<0,02	0,02<Е<23	> 23
Алюминий	<0,05	0,05<Е<15	> 15
Железо	<0,12	0,12 <Е< 9,5	> 9,5
Свинец	<0,50	0,50<Е<4,7	> 4,7

Для дозиметрии особенно существенна та часть энергии фотонного излучения, которая преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц.[2-5]