2.3. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.

При прохождении через какое-либо вещество ионизирующее излучение (α, р, у и рентгеновское) взаимодействует с атомами вещества, вследствие чего, частично или полностью, теряют свою энергию. Характер взаимодействия из­лучения с веществом зависит от вида излучения, его энергии и атомного номе­ра облучаемого вещества.

Ослабление происходит под действием трех основных процессов:

• фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта);

• комптоновского рассеяния;

• образования пар электрон-позитрон.

Фотоэффект – это процесс взаимодействия кванта с электроном атома (обычно с электроном с одной из ближайших к ядру оболочек), в результате которого квант полностью передает свою энергию электрону. При этом, если электрон атома вещества получает большую энергию, чем энергия связи его в атоме, то он вылетает из него. Вылетевший электрон называют фотоэлектро­ном.

Его энергия (Е_е) будет равна энергии взаимодействующего с ним излуче­ния , уменьшенной на энергию связи электрона в атоме, т.е. . При потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в электронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внешних оболочек. Пере­ход электрона на более близкую к ядру оболочку сопровождается испусканием кванта характеристического излучения. Следует отметить, что не все фотоны потока рентгеновского или λ-излучения поглощаются веществом. Некоторая часть их не взаимодействует с атомами вещества. Фотоэлектрическое погло­щение уменьшается с повышением энергии излучения и резко возрастает с увеличением атомного (порядкового) номера вещества. Фотоэффект характеризуют линейным коэффициентом поглощения , показывающим долю квантов данной энергии, претерпевших взаимодействие с веществом на единице пути. Поскольку линейный коэффициент поглощения прямо пропорционален плотности вещества ρ, в расчетах часто применяют массовый коэффициент поглощения .

При взаимодействии рентгеновских и γ-фотонов с веществом наряду с фотоэлектрическим поглощением происходит их рассеяние, названное комптоновским.

Комптон-эффект можно рассматривать как упругое соударение первич­ного фотона со свободным электроном, при котором, в отличие от фотоэффек­та, фотон передает электрону не всю энергию, а только ее часть.

Комптоновский электрон, получив некоторое количество энергии, начинает двигаться под углом к направлению движения рентгеновского или γ-фотона. В результате эффекта Комптона появляется рассеянный фотон с большей длиной волны и меньшей энергией, который продолжает двигаться, отклоняясь от своего пер­воначального направления на угол φ. Энергия излучения (Е) после рассеяния под углом φ будет равна

(2.2)

где - энергия падающего фотона.

С повышением энергии излучения коэффициент комптоновского рассея­ния уменьшается гораздо в меньшей степени, чем коэффициент фотоэлектри­ческого поглощения.

Вероятность рассеяния в сравнении с фотоэффектом возрастает с увели­чением энергии излучения и с уменьшением атомного номера вещества.

Комптоновское рассеяние является основным видом взаимодействия из­лучения с веществом в широком интервале энергии квантов. Оно характеризу­ется линейным и массовым /ρ коэффициентом рассеяния.

При взаимодействии с веществом фотонов рентгеновского или γ- излучения достаточно высокой энергии происходит процесс образования пар, т.е. фотоны поглощаются ядерным полем атомов вещества, образуя пару час­тиц - позитрон (е⁺) и электрон ( ), для ее образования требуется энергия кванта не менее 1,022 МэВ. В дальнейшем электрон пары тормозится в веществе, ис­пуская квант тормозного рентгеновского излучения, а позитрон взаимодейст­вует с одним из электронов вещества, при этом обе частицы аннигилируют с образованием двух квантов с энергией по 0,511 МэВ, т.е. происходит процесс, обратный процессу образования пар.

Процесс образования пар характеризуют линейным коэффициентом ос­лабления . Вероятность процесса образования пар повышается с ростом энергии излучения и атомного номера вещества.

Энергия рентгеновского излучения от большинства аппаратов, приме­няемых для промышленной дефектоскопии, за исключением бетатронов, микротронов и ускорителей, лежит ниже энергии излучения, необходимой для образования пар, поэтому этот вид поглощения при просвечивании рентгенов­ским излучением не имеет места.

Гамма-излучение от большинства радиоактивных источников, исполь­зуемых для просвечивания, не превосходит 2-2,5МэВ, и поэтому поглощение гамма-излучения за счет образования пар электрон-позитрон несущественно. Только для Со этот эффект проявляется некоторым (малозаметным) образом.

2.4. Законы ослабления рентгеновского и γ-излучений.

Интенсивность первичного моноэнергетического потока рентгеновского и у-излучений при прохождении через вещество уменьшается по экспоненци­альному закону:

(2.3)

где - интенсивность потока излучения в данной точке пространства, прошедшего слой поглотителя толщиной х; Вт/м², МэВ/(см² с);

- интенсивность потока излучения в той же точке при отсутствии по­глотителя Но - линейный коэффициент ослабления, характеризующий ослабление излучения на единице длины пути в данном веществе.

Линейный коэффициент ослабления р₀ представляет собой сумму трех коэффициентов:

(2.4)

где , , – коэффициенты линейного ослабления излучения соответст­венно при фотоэлектрическом поглощении, комптоновском рассеянии и эф­фекте образования пар, .

В области энергий излучения, где основными процессами взаимодейст­вия являются фотоэффект и комптоновское рассеяние, с увеличением энергии излучения коэффициент уменьшается, что и определяет возрастание прони­кающей способности.

В области больших энергий излучения, где превалирует процесс образо­вания пар, коэффициент c увеличением энергии растет. Для каждого элемен­та существует определенное значение энергии излучения E_min, при котором зна­чение минимально.

Кроме линейного коэффициента ослабления р₀ в расчетах используют также массовый коэффициент ослабления , м²/кг:

(2.5)

Способность вещества поглощать рентгеновское и γ-излучения часто оце­нивают слоем половинного ослабления ∆_1/2, под которым понимают толщину слоя данного вещества, ослабляющую интенсивность излучения в два раза, т.е. когда

, (2.6)

При более широких пучках, с которыми обычно имеют дело на практике, излучение ослабляется меньше, так как к прошедшему через поглотитель пер­вичному излучению добавляется та часть вторичного (рассеянного) излучения, которая по направлению совпадает с первичным потоком. При этом доля вто­ричного излучения увеличивается с увеличением толщины поглотителя и поля облучения, т.е. угла расхождения пучка.

Закон ослабления широкого пучка излучения может быть представлен в следующем виде:

(2.7)

где - интенсивность широкого пучка излучения, прошедшего слой по­глотителя;

- интенсивность рассеянного излучения в той же точке;

- фактор накопления;

- линейный коэффициент ослабления широкого пучка излучения. Фактором накопления называют отношение суммы интенсивности нерас­сеянного и рассеянного излучений к интенсивности нерасеянного излучения:

( 2.8)