1.2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Взаимодействие -частиц с веществом. При вза­имодействии -частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Эти процессы происходят в результате неупругих столкновений частиц с орбитальными электронами атомов. При этом частица теряет (передает) энергию пропорционально числу электронов, находящихся в 1 см³ вещества, коэффициенту торможения, который является логарифмической функцией скорости частиц, атомному номеру материала (Z) и обратно пропорциональна квадрату скорости частицы. Это явление называют линейной передачей энергии (ЛПЭ).

Длина пробега -частиц в веществе зависит от их начальной энергии, а также порядкового номера, атомной массы и плотности материала. Пробег -частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть найден для воздуха (при 0°С и 760 мм рт. ст.) по формуле:

см,

в других средах – по формулам:

,

где Е – энергия α-частиц, МэВ; А – атомная масса, г; Z – порядковый номер; ρ – плотность поглощающего вещества, г/см³.

Обладая относительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность.

Взаимодействие β-частиц с веществом. При прохождении β-частиц через вещество имеют место упругие и неуп­ругие взаимодействия с атомами поглощающей среды. Упругие взаимодействия заключаются в том, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц после взаимодействия остается неизменной. При неупругом взаимодействии часть энергии вза­имодействующих частиц передается образовавшимся свободным частицам или квантам (неупругое рассеяние, ионизация и воз­буждение атомов, возбуждение ядер, тормозное излучение). Ли­нейная передача энергии β-частиц при их взаимодействии с веществом пропорциональна плотности атомов в 1 см³ вещества n, порядковому номеру вещества Z и коэффициенту В¹ – линейной функции lпЕ_β т. е.

У дельная плотность ионизации, создаваемая β-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем для -частиц той же энергии. Для определения величины пробега β-частиц в веществе можно использовать следующие эмпирические формулы:

для воздуха

для легких материалов типа алюминия, стекла

при E<0,5 MэВ ,

при Е>0,5 МэВ .

Взаимодействие рентгеновского и γ-излучения с веществом характеризуется тем, что каждый фотон выбивается из пучка в результате одиночного акта. Число выбывающих из пучка фотонов dI пропорционально проходимому ими слою вещества dx и числу падающих фотонов I:

где μ - коэффициент пропорциональности, называемый коэф­фициентом ослабления. Если излучение моноэнергетическое, то μ постоянно, и интегрирование выражения дает:

где х может быть выражен в сантиметрах, граммах на 1 см², а также числом атомов или электронов на 1 см. В связи с тем что произведение должно быть безмерным, коэффициент ослабления μ, иногда называемый эффективным сечением, соответственно выражается в см ^-1, см²/г, см²/атом и см²/электрон.

Изменение интенсивности излучения в отдельных случаях вы­ражают не через коэффициент ослабления, а через слой поло­винного ослабления А. Слоем половинного ослабления называют такую толщину поглощающей среды, при прохождении которой интенсивность излучения уменьшается в 2 раза. Этот показатель можно рассчитать по следующему соотношению:

В области энергии квантов от 60кэВ до 50МэВ происходят главным образом следующие процессы их взаимодействия с ве­ществом:

• фотоэлектрический эффект, при котором фотон передает всю свою энергию связанному электрону, причем одна часть энер­гии расходуется на преодоление связи электрона с атомом, а другая превращается в кинетическую энергию электронов; этот эффект преобладает при энергии 1 – 500кэВ и уменьшается с увеличением Е;

• рассеяние атомными электронами, в результате которого фотон отклоняется от своего первоначального направления с по­терей или без потери энергии; при энергии, значительно превы­шающей энергию связи электронов, фотоны рассеиваются так, как если бы электроны были свободны и покоились; в этом случае наблюдается эффект Комптона; в области около 1МэВ он преобладает;

• образование пар, при котором фотон в поле ядра атома или электрона исчезает и рождается пара электрон-позитрон. По­зитрон в дальнейшем с оединяется с электроном с образованием 2 фотонов с энергией 0,51МэВ каждый. Этот процесс, называемый аннигиляцией, отмечается при энергии более 1МэВ и становится преобладающим видом взаимодействия при возрастании энергии.

Указанные процессы могут происходить независимо друг от друга, поэтому полный коэффициент ослабления μ можно разбить на 3 части: τ – для фотоэлектрического эффекта; δ – для рас­сеяния и κ – для образования пар; коэффициент ослабления равен сумме указанных коэффициентов:

При небольшой энергии преобладает фотоэлектрическое погло­щение, а при большой ослабление полностью определяется образо­ванием пар. Однако относительное значение каждого из указанных выше видов взаимодействия меняется в зависимости от атомного но­мера поглощающего вещества. Для Al (Z= 13) в интервале между 0,3 и 3МэВ ослабление почти полностью связано с комптоновским рассеянием, а для Pb (Z = 82) в интервале от 3 до 5МэВ все 3 главных процесса играют существенную роль.

По формуле можно рассчитать только интенсивность первич­ного излучения. Однако пренебречь квантами, испытавшими одно- и многократное рассеяние, можно лишь при коллимации пучка излучения, т. е. в случае «узкого пучка». Если в пучке квантов роль рассеянного излучения велика, то такой пучок называется «широким». Для этого случая интенсивность излучения параллельного пучка за защитой определяют по формуле:

где I_о – интенсивность излучения в той же точке без защиты; В_э (hv, Z, μ x) – энергетический фактор накопления, который зависит от энергии квантов, порядкового номера поглощающего вещества и величины свободного пробега.

Рентгеновское и γ -излучение обладают малой ЛПЭ, высокой проникающей способностью; длина пробега в воздухе достигает сотен метров.

Взаимодействие нейтронов с веществом. При прохождении пучка нейтронов через вещество возможны 2 вида их взаимодействия с ядрами вещества. Во-первых, в результате соуда­рения нейтронов с ядрами может быть упругое и неупругое рассеяние нейтронов и, во-вторых, происходят ядерные реакции типа (п, а), (п, р), (п, 2р) и деление тяжелых ядер.

Изменение плотности потока нейтронного излучения (dI) в ре­зультате взаимодействия нейтронов с веществом пропорционально плотности потока нейтронов (I), числу атомов вещества в единице объема (N) и длине пробега нейтронов в веществе (dx), т. е.

Если обозначить I₀ плотность потока нейтронов на поверхности защиты, т. е. при х=0, а I_Х – плотность потока нейтронов за слоем защиты х, то в результате интегрирования выражения по­лучим:

К оэффициент пропорциональности , характеризующий вероятность любого взаимодействия нейтрона с атомами вещества, имеет размерность в квадратных сантиметрах и называется мик­роскопическим эффективным поперечным сечением ядра.

Сущность понятия «эффективное поперечное сечение» заклю­чается в следующем. Пусть тепловые нейтроны проходят через 1см³ азота ( в 1см³ азота при нормальных условиях содержится 10¹⁸ атомов ), тогда эффективное микроскопическое сечение реак­ции (п, р) при 10⁶ падающих тепловых нейтронов и соответству­ющем им одном ядерном превращении будет равно:

или 1 барн.

Обычно в зависимости от энергии нейтронов преобладают те или иные виды их взаимодействия с веществом. По уровню энергии нейтроны условно делят на

следующие группы:

* Медленные нейтроны подразделяются на холодные ( с энер­гией менее 0,025эВ ), тепловые ( с энергией от 0,02 до 0,5эВ ) и надтепловые нейтроны ( с энергией выше 0,5 эВ ). В поглоща­ющей среде обычно наблюдается реакция захвата медленных ней­тронов.

* Резонансные нейтроны наблюдаются в области энергий – от нескольких электровольт до 100 – 500эВ. У таких нейтронов велика вероятность поглощения тяжелыми ядрами (Аu, V и др.).

' Промежуточные нейтроны с энергией от 0,5кэВ до 0,5МэВ, для которых наиболее типичным процессом взаимодействия с ве­ществом является упругое рассеяние.

* Быстрые нейтроны с энергией от 0,5 до 20МэВ характе­ризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникно­вением ядерных реакций.

* Очень быстрые нейтроны с энергией 20 – 300МэВ отлича­ются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.

* Сверхбыстрые нейтроны с энергией свыше 300МэВ отли­чаются слабым взаимодействием с ядрами (прозрачность ядер для сверхбыстрых нейтронов) и появлением «реакции скалывания», в результате которой бомбардируемое ядро испускает несколько ос­колков.

Взаимодействие протонов с веществом. При вза­имодействии протонов с веществом наблюдаются упругое и неуп­ругое рассеяние, возбуждение и ионизация атомов среды. Пробег протонов в воздухе рассчитывают по формуле:

где R – пробег протонов в воздухе, см; Е – энергия протонов, МэВ. Пробег протонов в алюминии для энергии 1,0МэВ составляет 0,013мм; для 3МэВ – 0,08мм; для 10МэВ – 0,6 мм.