9. Ослабление интенсивности гамма-излучения в веществе. Закон ослабления. Массовый и линейный коэффициент ослабления. Слой половинного ослабления. Коэффициент ослабления.

Ионизирующая способность гамма-квантов при одинаковой энергии гамма-квантов и альфа-частиц и при одинаковой взаимодействующей среде в тысячи раз меньше, чем ионизирующая способность альфа-частиц.

В воздухе линейная плотность ионизации (ЛПИ) гамма-квантов составляет 2–3 пары ионов на 1 см пути пробега. Проникающая способность гамма-квантов в воздухе составляет сотни метров.

При прохождении узких моноэнергетических пучков фотонов через вещество энергия пучков не изменяется, а постепенно уменьшается их интенсивность I по причине столкновения фотонов с электронами и ядрами.

Термин «узкий пучок фотонов» означает в данном случае то, что любое взаимодействие фотона с веществом выводит его из пучка. Если на поверхность вещества падает пучок с интенсивностью I0, то на некоторой глубине x его интенсивность уменьшается и будет равной I, это значит, что I  I0.

Для однородной среды ослабление узкого пучка фотонов происходит по экспоненциальному закону Бугера (закон ослабления излучения):

где I – интенсивность гамма-излучения на глубине х в веществе; I0  интенсивность гамма-излучения при входе в вещество;   линейный коэффициент ослабления, измеряемый в см–1.

Коэффициент  состоит из коэффициента поглощения при фотоэффекте ф, коэффициента ослабления при Комптон-эффекте K и коэффициента поглощения при образовании электронно-позитронных пар  пар

.

Величина 1 /  равна средней длине свободного пробега фотона в веществе. При толщине слоя вещества х, равной 1 / , интенсивность пучка фотонов уменьшается в е раз (е = 2,73).

В ядерной физике толщину поглотителя принято измерять в единицах массы, которая приходится на единицу площади по всей толщине экрана, а это значит, вместо x принято брать величину d = ρx, где d – массовая толщина поглотителя, г/см2 или кг/м2; ρ – плотность поглотителя, г/см3.

Проведем преобразование закона Бугера (4.2) так, чтобы в него входила массовая толщина d. Для этого показатели степени умножим и разделим на плотность поглотителя ρ:

.

Величина m =  / ρ (см2/г или м2/кг) называется массовым коэффициентом ослабления.

Тогда для массовых величин закон Бугера будет иметь вид

.

В области энергии от 2 до 10 МэВ массовый коэффициент ослабления примерно одинаков для всех веществ, а защитные стенки из любых материалов эквивалентны при одной и той же массовой толщине d (кг/м2). Это означает, что независимо от используемого материала общая масса защитной конструкции будет примерно одинаковой. В то же время, как это следует из формулы m =  / ρ, толщина защитной конструкции может быть уменьшена за счет выбора материала с большей плотностью.

Массовый коэффициент ослабления гамма-кванта рассчитывают по формуле (4.3):

.

Зная массовый коэффициент ослабления, по известным кривым зависимости m от Е можно определить энергию для моноэнергетического пучка гамма-квантов (рис. 4.5).

Линейный коэффициент ослабления  (или массовый коэффициент ослабления m) характеризует процесс прохождения фотонного излучения через вещество. Он зависит от свойств среды и энергии фотонов.

В этом случае каждый акт взаимодействия фотона с атомом или электроном, независимо от того, произошло поглощение или рассеяние фотона, приводит к выводу фотона из пучка.

При прохождении гамма-квантов через тяжелые защитные стенки нельзя пренебречь рассеянными и вторичными фотонами. Хотя энергия рассеянных и вторичных фотонов ниже энергии первичных и направления их распространения произвольны, тем не менее часть этих гамма-квантов достигает границы защитной стенки, и в результате поток за пределами защиты оказывается больше, чем вычисленный по формуле (4.2) или (4.5).