2.2 Взаимодействие фотонного излучения с веществом
В процессе прохождения через вещество фотоны (или гамма – излучение), распространяющиеся со скоростью света, взаимодействуют в основном с электронами атомов среды и электрическим полем ядра.
При взаимодействии гамма – квантов с веществом в энергетической области 20 кэВ – 10 МэВ возникают следующие основные процессы:
фотоэлектрический эффект (фотоэффект);
Комптон — эффект;
эффект образования пар.
Фотоэффект — это взаимодействие фотонного излучения с атомами среды, при котором фотон полностью отдает свою энергию орбитальному электрону и поглощается. Часть его энергии, равная энергии связи электрона, тратится на вырывание электрона из оболочки атома, а остальная часть передается электрону в виду кинетической энергии (рис. 2.1). Электрон, вырванный таким образом из атома, называется фотоэлектроном.
Фотоэффект в основном наблюдается на электронах К и L — оболочек. После того как электроны покидают К или L — оболочку в результате фотоэффекта, их места заполняют электроны с более удаленных от ядра орбит, которые выделяют при этом энергию в виде характеристического излучения. Это излучение может вырвать внешние валентные электроны из атома. Вероятность процесса фотоэффекта преобладает в случае небольших энергий гамма – квантов и тяжелых материалов защиты (с большим Z).
Комптон-эффект – это упругое столкновение фотонного излучения с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон отдает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения (рис. 2.2). Отраженный фотон называется вторичным, или рассеянным.
Комптон-эффект является основным процессом взаимодействия фотонного излучения в диапазоне энергий (0,5-10) МэВ. С ростом энергии фотонов вероятность комптоновского рассеяния убывает.
Образование пар — это взаимодействие фотонного излучения со средой, точнее с электрическим полем ядра, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и кинетическую энергию электрона и позитрона (рис. 2.3). Так как энергия покоя как электрона, так и позитрона равна 0,51 МэВ, то образование пар возможно лишь при энергии фотона >1,022 МэВ. Образование пар возможно только в поле ядра. Ядро в соответствии с законом сохранения импульса принимает на себя часть импульса фотона. Часть энергии фотона, превышающая 1,022 МэВ, передается электрону и позитрону в виде кинетической энергии. Позитрон через короткое время сталкивается с электроном и аннигилирует с образованием двух вторичных фотонов.
Рис.2.3 Эффект образования пар
Поглощение фотонного излучения в результате образования пар наблюдается в основном на атомах тяжелых элементов. Этот процесс является преобладающим при энергии фотонов > 10 МэВ. В табл. 2.2 для алюминия и свинца приведены границы областей энергий, в которых преобладает тот или иной процесс взаимодействий.
Табл. 2.2 Границы энергетических областей, МэВ.
Какие эффекты возникают при взаимодействии фотонного излучения со средой
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Скачиваний:
- • Содержание
- • Ионизирующие излучения
- • Взаимодействие излучения со средой
- • Литература
Ионизирующие излучения, потоки фотонов или частиц, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ионизирующие излучения. К фотонному ионизирующему излучению относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и других ядерных реакциях (главным образом γ-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрическом или магнитном поле — тормозное рентгеновское излучение,
К корпускулярному ионизирующtve излучению относят потоки α- и β-частиц, ускоренных ионов и электронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулы среды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация). Если выбиваемые при этом электроны обладают достаточной кинетической энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны называют d-электронами. Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды. Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преимущественно ядрами отдачи.
Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих ионизирующее излучение, называют его полем. Основные характеристики ионизирующего излучения: поток ионизирующего излучения Фn = dN/dt, где dN — число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; плотность потока jn = dФn/dS, где dФn — поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф = dE/dt, где dE — суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр
Все виды ионизирующего излучения характеризуются так называемой линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетической фотоны и электроны) до 10 4 эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).
Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ионизирующего излучения в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетическая энергия относительного движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, то есть поток ионизирующего излучения рассеивается; при неупругих процессах кинетическая энергия m = dE/dl (dE — энергия, теряемая частицей при прохождении элементарного пути dl). Значение sm снижается с увеличением энергии заряженных частиц и растет с повышением атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды. Глубина проникновения заряженных частиц в вещество характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не 2+ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ -2,5 см.
Для фотонного ионизирующего излучения имеют место упругое рассеяние (классическое рассеяние) и неупругие процессы, основные из которых — фотоэффект, эффект Комптона и образование пар электрон — позитрон. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта с К-оболочки атома пропорциональна Z 5 (Z — aтомный номер элемента) и быстро убывает с ростом энергии фотона (кривая 1 на рис. 1). В случае эффекта Комптона происходит рассеяние фотона на одном из атомных электронов; при этом уменьшается энергия фотона, изменяется направление его движения и происходит ионизация атомов среды. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z и зависит от энергии фотонов (кривые 2 и 3 на рис. 1). При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи ядра становится возможным образование пар электрон — позитрон. Вероятность этого процесса пропорциональна Z 2 и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классическое рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ — эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ — образование пар.
Ослабление фотонного n = Ф 0 nе — (m/r) .r x , где х — толщина слоя веществa, Ф 0 n и Фn — падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэффициенты ослабления и поглощения; второй коэффициент численно меньше первого. Каждый вид взаимодействия излучения со средой характеризуется своими массовыми коэффициентами, зависящими от энергии фотонов и атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды.
Нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E < 10 3 эВ), промежуточные (10 3 5.10 5 эВ). Нейтроны в веществе испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизированные атомы из среды (так называемые ядра отдачи). При захвате нейтронов атомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием которых является испускание γ-квантов, α- и β-частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Фn = Ф 0 nе -Nsa , где N — число атомов данного вида в единице объема, s — так называемое сечение захвата. Значение s убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в которых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2.10 -33 м 2 для 15 N до 3,6.10 -22 м 2 для 135 Хе.
Активное взаимодействие любого 1 частиц среды. В газовой фазе кол-во возбужденных состояний превышает количество образовавшихся ионов, в конденсированной фазе — наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетического уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения со средой характеризуют средней энергией новообразования W — энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I1 в 1,5-2,5 раза.
Источники ионизирующего излучения различаются видом и энергетическим спектром излучения, конструкцией, геометрией расположения облучающих элементов, мощностью поглощенной дозы и ее распределением в облучаемом объекте. Выделяют следующие группы: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки. Среди изотопных источников наиб. распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами 60 Со и l37 Cs.
Ускорители заряженных частиц — устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрическом поле (магнитное поле может быть использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два основных конструкционных типа ускорителей: линейные, в которых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в которых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрического поля ускорители делят на высоковольтные, в которых направление электрического поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в которых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрического поля. В циклических ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукционных ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) — за счет приложения высокочастотного электрического поля к линейной периодической системе электродов. Основные элементы ускорителя — высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в которой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Некоторые типы высоковольтных ускорителей (напр., каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитрон.в, протонов, дейтронов, Не 2+ и положит. ионов более тяжелых элементов.
Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ — в радиационно-химических исследованиях; высоковольтные электронные ускорители — в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1-0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в несколько МэВ с мощностью до 100 и выше кВт).
Перечисленные выше ускорители — аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соединений, содержащих D, Т или другие нуклиды; получаемый поток может превышать 10 11 нейтрон/с. Генераторы нейтронов наряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии.
Рентгеновское излучение генерируют в рентгеновских трубках, в которых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиационные потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме.
Различные установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2.10 5 Вт/ч в стационарном режиме и 10 8 Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биол. действия
Природные источники ионизирующего излучения — естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космическое излучение, высокоэнергетического компонента солнечного излучения, радиационного пояса Земли считается одним из природных факторов, повлиявших на развитие жизни на Земле; оно способствовало образованию угля, нефти и ряда др. полезных ископаемых. Солнечное и космическое излучения определяют химических состав верхних слоев планетных атмосфер.
Взаимодействие фотонов с веществом
При действии фотонов ионизирующих излучений на вещество в последнем происходят:
- • фотоэффект;
- • образование пар;
- • эффект Комптона.
Схемы перечисленных процессов приведены на рис. 1.7.
При прохождении через вещество фотоны (у-кванты) взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами. В результате их интенсивность уменьшается. Вероятность того или иного процесса зависит от энергии фотонов и заряда ядер атомов среды. В области энергий фотонов, меньшей 10 2 —10′ МэВ, основным процессом взаимодействия является фотоэффект; в области 10 1 4 , или 0,98 эВ) и соответствует переходу в близком ИК-диапазоне (около 1270 нм). Другими словами, Ю относится в спектральном отношении к серии Пашена (см. табл. 1.2). Теория молекулярных орбиталей предсказывает три низколежащих возбуждённых синглетных состояния молекулярного кислорода [27, 28]. По этой причине понятие «синглетный кислород» относят именно к такому состоянию. Квантовая механика предсказывает, что такая конфигурация (с неподеленной электронной парой) обладает более высокой энергией, чем основное триплетное состояние [29].
Глава 2
Взаимодействие фотонного излучения с веществом
Рентгеновское и у-излучение при прохождении через вещество теряют свою энергию за счет рассеяния и преобразования в кинетическую энергию электронов. Ослабление интенсивности направленного пучка монохроматического фотонного излучения происходит по экспоненциальному закону:
где J(z) — перенос энергии фотонов в точке пространства, отстоящей от начала координат в направлении распространения излучения на расстоянии z; J0 — перенос энергии фотонов в начале координат; р. — линейный коэффициент ослабления.
Величина р, имеющая размерность м , зависит от энергии фотонов и плотности материала (атомного номера элементов Z, образующих материал). На рис. 10.1 показана зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии фотонов для материалов различной плотности.
Рис. 10.1. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии
фотонов для различных веществ
Взаимодействие фотонного излучения с веществом происходит по одному из следующих вариантов: фотоэлектрический эффект, эффект Комптона, образование пар. Для известных излучения и вещества преобладающий процесс определяется энергией квантов и атомными номерами Z элементов, составляющих вещество (рис. 10.2). Каждый из этих процессов сопровождается высвобождением электронов, которые теряют энергию путем ионизации и возбуждения атомов среды.
Рис. 10.2. Преобладающий процесс взаимодействия фотонного излучения с веществом в зависимости от атомного номера и энергии фотонов:
/- фотоэлектрический эффект; II — комптоновский эффект;
III — эффект образования пар
Фотоэлектрический эффект. Энергия кванта излучения /?v, полностью передается электрону с более глубоких уровней (К, L) атома облучаемой среды (рис. 10.3). Этот электрон, энергия связи которого Wc, испускается с кинетической энергией WK = /?v, — Wc. На место электрона, удаляемого с глубокого уровня, переходит электрон с одного из внешних уровней, энергия связи которого W’c