Эффект образования электронно-позитронных пар

Находясь в поле ядра или электрона, -квант способен превратиться в две частицы: электрон и позитрон.

.

Пороговое значение энергии фотона для протекания этой реакции:

Е_порог = 2  1,02 МэВ.

Позитрон и электрон  античастицы, они аннигилируют по схеме:

(реже  3).

Каждый из полученных -квантов имеет энергию 0,51 МэВ, она мала и поглощается защитой за счет фотоэффекта.

Процесс образования электронно-позитронных пар вместе с фотоэффектом приводит к полному поглощению -квантов высоких энергий.

Эффективное сечение процесса образования электронно-позитронных пар для большинства элементов подчиняется закономерности:

.

Процесс образования электронно-позитронных пар наиболее вероятен для тяжелых элементов.

Закон ослабления -излучения в веществе (в интегральной форме):

,

где Ф₀ – плотность потока -квантов перед защитой; Ф – плотность потока -квантов за защитой толщиной d;  (см^-1)– линейный коэффициент ослабления. - характеризует относительное уменьшение плотности потока излучения после прохождения слоя среды единичной толщины.

 определяет вероятность взаимодействия -квантов с веществом на пути в 1 см.

 зависит от природы поглощающего вещества и энергии -квантов и находится по таблицам или графикам (см. таблицу в приложении).

Массовый коэффициент поглощения _т характеризует ослабление излучения единицей массы вещества:

где  - плотность вещества.

График зависимости уменьшения плотности потока -излучения Ф с ростом толщины вещества d представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1.Экспоненциальный спад

плотности потока

с ростом толщины вещества

Слой половинного ослабления (d_1/2) – это такая толщина поглощающего вещества, которая уменьшает плотность потока -квантов в 2 раза.

.

Средняя длина свободного пробега -кванта в веществе _ - это среднее расстояние, проходимое -квантом до взаимодействия; это толщина защиты, необходимая для ослабления плотности потока -излучения в е  2,718 раз. Это расстояние называют длиной релаксации.

Средняя длина свободного пробега связанна с линейным коэффициентом ослабления формулой:

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Заряженные частицы делят на тяжелые (т >> т_е) и легкие (т  т_е). К тяжелым можно отнести -частицы, протоны, осколки ядер, к легким – электроны, позитроны.

При взаимодействии тяжелых заряженных частиц возможны ионизация атомов (превращение нейтрального атома в заряженный ион путем отрыва электрона), рассеяние на ядрах вещества (приводит только к нагреву вещества) и ядерные реакции (происходят редко).

При взаимодействии легких заряженных частиц возможны ионизация атомов вещества и потери энергии на торможение частицы в поле ядра (радиационные потери энергии) (рис. 3.2).

Ионизационные потери на единице длины:

,

где = 21,6^. 10^{-19 .} Z – средний ионизационный потенциал, Дж.

Из формулы следует:

1. Тяжелые элементы с большим Z обладают лучшими защитными свойствами. Например, в свинце ионизационные потери в 14 раз больше, чем в углероде.

2. Ионизационные потери не зависят от массы частицы, но зависят от ее заряда.

3. С уменьшением скорости частицы ее потери возрастают, так как увеличивается время взаимодействия частицы и атома.

Рис. 3.2. Изменение потерь энергии легких заряженных

частиц на единице длины в зависимости

от их кинетической энергии