4. Закон ослабления излучений в веществе

Различные виды излучений по разному передают веществу свою энергию. Так, например, для быстрых электронов в ходе взаимодействия со средой характерен процесс образования тормозного излучения, которое, в свою очередь, может вызвать появление пары электрон – позитрон и вторичных электронов. Нейтроны и γ-кванты могут передать всю свою энергию в процессе одного акта взаимодействия: нейтроны могут быть поглощены, γ-кванты – поглотиться в результате фотоэффекта, либо эффекта образования пары «электрон-позитрон».

Нейтроны и γ-кванты также могут быть рассеяны. При этом рассеянии происходит достаточно большая, по отношению к первоначальной, потеря энергии, происходит отклонение от первоначального направления движения на большие углы. Путь, пройденный частицей в веществе, за счёт рассеяния может быть больше пройденного расстояния в несколько раз. Поэтому для незаряженных излучений обычно применяется понятие объёмной потери энергии.

Доля носителей излучения, уходящих из узкого прямолинейного пучка за счёт рассеяния или поглощения на единицу длины, будет постоянной величиной:

,

где n(x) – концентрация частиц на отрезке dx; - убыль концентрации на этом отрезке, Σ – макросечение взаимодействия ионизирующих частиц с веществом, т.е. вероятность любого взаимодействия частицы с любым ядром внутри выделенного объёма. Оно складывается из макросечений реакций различных видов. Σ = N · σ, где N – число ядер в единице объёма, σ - микросечение реакции, т.е. вероятность взаимодействия частицы с одним ядром. Решение этого уравнения имеет вид:

,

где n₀(x = 0) – концентрация частиц в начале рассматриваемого отрезка пути.

Для γ‑излучения вместо макросечения используют понятие линейного коэффициента ослабления (μ, см. Приложение 6).

Закон ослабления γ‑излучения пластиной для мононаправленного источника будет выглядеть следующим образом:

,

где G – любая из характеристик поля излучения, d – толщина защитного барьера, G₀ – значение характеристики поля излучения в рассматриваемой точке при отсутствии защитного барьера.

На практике оказывается удобным применять величину кратности ослабления, показывающую, во сколько раз защитный барьер ослабляет излучение:

.

Применяются также такие величины, как слой половинного ослабления Δ_1/2 – толщина защиты, ослабляющая излучение в два раза, т.е. d(k = 2), слой десятикратного ослабления Δ_1/10 – слой, ослабляющий излучение в 10 раз, т.е. d(k = 10), а также величина длины релаксации L – слой, ослабляющий излучение в e раз.

Величины слоёв ослабления, линейного коэффициента ослабления и длины релаксации связаны между собой следующим соотношением:

.

Выше мы рассматривали так называемую «геометрию узкого пучка», когда считается, что детектор фиксирует только первичное нерассеянное излучение. В реальности такая картина встречается достаточно редко, поскольку излучение, рассеявшись несколько раз в защите, может всё равно попасть в детектор. Геометрия, в которой детектор регистрирует как прямое, так и рассеянное излучение называется «геометрией широкого пучка».

Для учёта рассеянного в защите излучения используются различные методы. Наиболее распространён учёт рассеянного излучения с помощью факторов накопления B. Эта величина показывает, какой вклад в интенсивность излучения даёт рассеянное излучение:

,

где I_ПР – интенсивность прямого нерассеянного пучка излучения, I_РАСС – интенсивность рассеянного излучения.

Величина фактора накопления зависит от атомного номера материала защиты Z, толщины защиты, выраженной в длинах свободного пробега μd, энергии квантов излучения W, геометрии защиты и источника изучения. Наибольшее значение фактор накопления принимает при бесконечной геометрии защиты, наименьшее – при ограниченной геометрии.

Существует несколько способов представления факторов накопления. Наиболее удобно табличное представление (см. Приложение 8). Кроме этого, существует, например, представление дозового фактора накопления γ‑излучения при бесконечной геометрии защиты в виде формулы Тейлора:

Здесь величины А₁, α₁ и α₂ – безразмерные коэффициенты. Они приведены в Приложении 7.

Таким образом, с учётом излучения, рассеянного в защите, закон ослабления γ‑излучения будет выглядеть следующим образом:

.

Однако, как видно из уравнений, для определения требуемой толщины защиты необходимо знать начальное (до введения защиты) значение характеристик поля излучения в интересующей нас точке. Поэтому в следующем разделе дан обзор методов их получения в геометрии узкого пучка излучения.