1.3. Прохождение тормозного излучения через вещество

Сечение взаимодействия фотонов тормозного излучения с веществом существенно меньше, чем у электронов той же энергии. Вследствие этого глубина проникновения тормозного излучения может быть до ста раз больше, чем у электронов.

Основными механизмами потери энергии тормозного излучения в веществе являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар. Образование пар происходит при энергии пучка, превышающей удвоенную энергию покоя электрона, то есть 1,022 МэВ. Фотоэффект имеет место при небольшой энергии − до 200 кэВ, с увеличением энергии возрастает вклад эффекта Комптона. При энергиях пучка, превышающих 2 – 3 МэВ, рождение пар вносит основной вклад в потери энергии тормозного излучения. Соответствующие зависимости представлены на рис. 1.4, где линии раздела областей определяют границу половинного вклада соседних эффектов.

Рис.1.4. Диаграмма физических процессов при прохождении тормозного излучения через вещество

11

Для узких пучков поглощение носит экспоненциальный характер, при энергиях фотонов 0,3 – 1,0 МэВ в слое с эквивалентной толщиной 1 г/см2 поглощается около 3% энергии излучения. Рассеянные фотоны замедляют спад интенсивности тормозного излучения.

Величина ослабления тормозного излучения в веществе зависит от энергии тормозного излучения Eγ и от атомного номера вещества Z и характеризуется величиной сечения рассеяния

δZ (Eγ ) . Слой двукратного ослабления тормозного излучения в

веществе равен			M Z log 2		кг
ρh (E		) =		,
						2
Z	γ		NA δZ (Eγ)				,	(1.1)
					м

где M Z ,

кг

− молярная

масса

материала с

атомным

моль

номером

Z,

N A= 6,022 10

23

,

1

− число

Авогадро,

моль

δZ (Eγ ),

[барн]

− сечения рассеяния.

Значения сечений рассеяния для всех элементов и для диапазона энергии тормозного излучения от 0 до 20 МэВ приведены на рис.1.5.

lg(σz)

		z
W, МэВ

Рис.1.5. Зависимости сечения рассеяния от энергии излучения

12

Поверхностная молярная плотность слоя двукратного ослабления материала с атомным номером Z соответствует уменьшению интенсивности тормозного излучения в два раза. Графически эта зависимость приведена на рис. 1.6.

ρhm (E

) =

ρhZ (Eγ)

=

log 2

,

моль

2

Z

γ

M Z

NA δZ (Eγ)

м

.

(1.2)

logρhm(w)

W, МэВ

z

Рис.1.6. Зависимость поверхностной молярной плотности от энергии излучения

1.4.Фотоядерные реакции

Начиная с некоторой энергии фотонов тормозного излучения, в веществе идут фотоядерные реакции на нейтронах атомов, приводящие к образованию радиоактивных изотопов [1.3]. Реакции фотонов на протонах, дейтерии, альфа-частицах обычно не учитываются, так как они обладают очень малым сечением, и в результате образуются стабильные изотопы. Пороговая энергия фотоядерных реакций зависит от элемента (см. рис.1.7). Минимальная энергия фотонов, при которой происходит фотоядерная реакция, составляет 1,67 МэВ. При такой энергии происходит превращение изотопа 9Ве в радиоактивный изотоп 8Ве.

13

Рис. 1.7. Зависимость выхода нейтронов от энергии электронов

Для подавляющего большинства материалов радиоактивные изотопы образуются в основном при энергиях выше 9 – 10 МэВ. Сечение большинства реакций лежит в диапазоне 10-28 – 10-22 см2. Эти эффекты следует принимать во внимание при выборе материалов мишеней и каналов транспортировки ускоренного пучка.

1.5.Сцинтиллятор

Каждый детектор тормозного излучения состоит из сцинтиллятора и фотодетектора. Тормозное излучение, попадающее в детектор, производит свет в сцинтилляторе. Этот свет попадает в фотодетектор и производит электрический ток.

Имеется ряд кристаллических сцинтилляторов, которые могут быть использованы в радиографических и томографических аппаратах. Основные параметры нескольких типов кристаллов приведены в табл. 1.1. [1.4].

14

			Основные параметры сцинтилляторных кристаллов					Таблица 1.1
	Параметр				Кристалл
		CsI (Tl)	NaI (Tl )	CeF3	BaF2	CaF2	PbWO4	CdWO4
	Структура	Кубическая	Кубическая		Кубическая	Кубическая	Тетра-	Моно-
	кристалла						гональная	клинная
								a=5,028,
	Период решетки,						a = 5,416	b=5,859
		4,566	6,46		6,19	5,462		c=5,071,
	Å						c = 12,049
								β=91,519
								град,
	Темп. плавления,	651	651	1460	1354	1418	1123	1325
	oC
15	Плотность, г/cм3	4,51	3,67	6,16	4,89	3,18	8,28	7,9
	Твердость	2	2		3	4	3,5 ¨C 4,0	4 −4,5
	Коэффициент
	теплового	50	18,4		47,5	19,5	10	10,2
	расширения, 10-6/K
	Коэффициент	1,79	1,85	1,62	1,5/1,57	1,47	2,16	2,2 − 2,3
	преломления
	Длина волны, нм	540	410	340	225 -310	435	450 / 420	470/540
								20 нс @
	Время задержки,	900	230	30	0,6 -630	0,94	36	470нм,
	нс							5 мс @
								540 нм
	Действительная	1,86	2,9	1,68	2,03		0,92	0,3
	длина, см

15

							Окончание табл. 1.1
	Параметр				Кристалл
		CsI (Tl)	NaI (Tl )	CeF3	BaF2	CaF2	PbWO4	CdWO4
	Гигроскопичность	Легкая	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
	Длительность
	послесвечения,	< 2	-		0,5 - 5	< 0,3	-	0,1
	% через 6 мс
	Световой выход,	(52−56)	38 × 103		(2,5−6,5)	19×103	(22,6−25,6)	(1,2 − 1,5)
	фотон/МэВ	×103			×103		×104	×104
	Плоскость разлома	Нет	(100)		(111)	(111)	(101)	(010)
	кристалла
	Метод
	выращивания	Bridgman	Bridgman	Bridgman	Bridgman	Bridgman	CZ	CZ
	кристалла
16	Макс. размер, мм	Ø 100/300	Ø 100/300	Ø 50/250	Ø 130/350	Ø 130/350	Ø 35/200	Ø 35/200
	(диаметр/длина)

16