Лекция 9 Взаимодействие излучения с веществом Проходя

Лекция № 9. Взаимодействие излучения с веществом Проходя через вещество, ядерное излучение взаимодействует с орбитальными электронами атома и ядром, посредством различных физических процессов. Характер взаимодействия зависит от вида и энергии излучения, а также от свойств среды, в которой происходит взаимодействие. Различают два типа взаимодействия - упругое и неупругое. • При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий и взаимодействующих частиц не изменяется, а происходит лишь перераспределение энергии между ними.

• При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий участников взаимодействия уменьшается, так как часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергию возбуждения, энергию разрыва связей и др. ) и, в конечном счете, рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.

Взаимодействие альфа-частиц с веществом. Альфа-частицы взаимодействуют главным образом с орбитальными электронами атомов, вызывая их ионизацию и возбуждение. Проходя через вещество, альфа- частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Благодаря значительной массе α-частицы траектория ее движения в веществе практически не отклоняется от первоначального направления.

Альфа-частицы обладают очень большой ионизирующей способностью, и поэтому теряют свою энергию на поглощение в сравнительно тонких слоях материала поглотителя. Ионизационные потери альфа-частиц пропорциональны числу электронов в 1 см 3 поглотителя и обратно пропорционально энергии частицы. В одном акте ионизации в воздухе -частица теряет около 35 э. В.

• Пробег α-частиц Поскольку альфа-частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами, поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. . Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность вещества (г/см 2). Альфа-частицы, имеющие одинаковую энергию, проходят в среде до полного замедления практически одно и то же расстояние.

рисунок 2. Кривые интегрального и дифференциального распределения пробегов альфа-частиц для тонкого источника

Таблица 1. Пробег альфа-частиц в различных веществах в зависимости от энергии Еa Еа, Мэ. В Вещество 4. 0 5. 0 6. 0 7. 0 8. 0 9. 0 10. 0 Воздух, см 2. 5 3. 5 4. 6 5. 9 7. 4 8. 9 10. 6 Al, мкм 16 23 30 38 48 58 69 Биологическая ткань, мкм 31 43 56 72 91 110 130

• Между пробегом альфа-частиц в воздухе и их энергией были установлены эмпирические соотношения. Так например, средний пробег в воздухе при комнатной температуре и нормальном давлении для -частиц с энергией 2 -10 Мэ. В связан с энергией Eα в Мэ. В эмпирической формулой

Потери энергии или торможение αчастицы в веществе сопровождается ионизацией. Полной ионизацией называется число пар ионов, образованных α-частицей на всем ее пути. Удельной ионизацией называют число пар ионов, образованных частицей на единице пути.

Взаимодействие электронов с веществом отличается от поглощения тяжёлых заряженных частиц, что обусловлено, прежде всего, малой массой электрона. В результате взаимодействия электронов со средой происходит потеря энергии большими порциями, в отдельных случаях до половины, а также изменение импульса при каждом столкновении, которое вызывает заметное изменение направления движения электрона.

При взаимодействии электронов и позитронов с веществом энергия расходуется на ионизационные и радиационные потери при рассеянии частиц. • Ионизационные потери энергии электронами. В области низких энергий электронов (E < 1 Мэ. В) определяющий вклад в потери энергии дают неупругие ионизационные процессы взаимодействия с атомными электронами.

Ионизационные потери β-частиц, так же как и для тяжелых частиц, связаны с ионизацией и возбуждением атомов поглотителя, но вероятность взаимодействия легких частиц с веществом меньше, чем для тяжелых частиц, так как электроны имеют в два раза меньший заряд и во много раз меньшую массу (в 7000 раз) по сравнению, например с α-частицами. При ионизации легкие частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить дополнительную (вторичную) ионизацию.

Ионизационные потери • пропорциональны Z • зависят от плотности среды • зависят от ионизационного потенциала среды • уменьшаются с ростом энергии • минимум при Ee ~ 1. 5 Мэ. В • расчет потерь по формуле Бете

Радиационные потери энергии электронов. С ростом энергии электрона E растут радиационные потери, которые: а). пропорциональны Z 2 б). увеличиваются с ростом энергии (практически линейно) г). характеризуются испусканием тормозного излучения (РФА)

• Пробег электронов в веществе • Для характеристики проникающей способности заряженных частиц через вещество используют понятия пробега заряженных частиц. Различают три вида пробега заряженных частиц: средний, максимальный(эффективный) и экстраполированный. • Средний пробег (R(E):

Понятие среднего пробега используется в основном только для расчета защиты от заряженных частиц. Масса электронов значительно меньше массы тяжелых частиц, что сказывается на характере их движения в веществе. При столкновении с атомными электронами и ядрами электроны значительно отклоняются от первоначального направления движения и двигаются по извилистой траектории

• На рисунке приведены траектории движения алфа-частиц и электронов

Для моноэнергетических электронов вводится эффективный пробег, определяемый минимальной толщиной вещества, измеряемой в направлении исходной скорости пучка и соответствующей полному поглощению электронов. Чаще всего эффективный пробег выражают не в единицах толщины поглотителя (см), а в массовых единицах - в граммах вещества, приходящегося на 1 см 2 поверхности поглотителя (г/см 2). Соотношение между Rmax, г/см 2 и L max, см определяется уравнением: • Rmax = Lmax·ρ.

• Максимальный пробег β-частиц, выраженный в массовых единицах зависит только от максимальной энергии частиц и практически не зависит от свойств поглощающего вещества. Так, например, Rmax выраженный в г/см 2, для воздуха лишь на 10 -20 % ниже, а для железа на 10 -20% выше, чем для алюминия. Отсюда, зная Rmax (г/см 2), в алюминии, можно для любого вещества оценить толщину слоя, необходимую для полного поглощения излучения с данной Emax

• Для определения максимального пробега строят кривые, выражающие зависимость числа частиц, прошедших через слой вещества от толщины этого слоя, которые называются кривыми ослабления. По кривым поглощения можно определить максимальный или экстраполированный пробег, а используя эмпирические уравнения и максимальную энергию: при 0, 15

Типичная кривая поглощения бетаизлучения приведена на рисунке I Rmax Фон d

• При небольших толщинах поглощающего вещества, а именно при выполняется экспоненциальный закон ослабления бета –излучения: