34 |
Г. Нельсон и Д. Райлли |
жающем детектор, и затем поглощается в детекторе. Энергия пика обратного рассеяния определяется уравнением (2.10), которое показывает, что максимальная энергия равна 256 кэВ. Сумма энергий пика обратного рассеяния и комптоновского края равна энергии падающего гамма-кванта. Обе характеристики появляются в результате комптоновского рассеяния падающего гамма-кванта на большой угол. Это событие дает вклад в пик обратного рассеяния, когда в детекторе теряет свою энергию только рассеянный гамма-квант и, соответственно, дает вклад в комптоновский край, если в детекторе теряет свою энергию только рассеянный электрон.
Поскольку в комптоновском рассеянии участвуют наименее связанные электроны, ядро оказывает незначительное влияние, и вероятность взаимодействия почти не зависит от его атомного номера. Вероятность взаимодействия зависит от плотности электронов, которая пропорциональна Z/A и почти постоянна для всех материалов. Вероятность комптоновского рассеяния представляет собой функцию, медленно изменяющуюся с энергией гамма-кванта (с м. рис. 2.3).
2.3.3 Образование пар
Гамма-квант с энергией не менее 1,022 МэВ, находясь под влиянием сильного электромагнитного поля вблизи ядра, может образовать электрон-позитронную пару (см. рис. 2.10). При этом взаимодействии ядро приобретает небольшое коли- чество энергии отдачи для сохранения импульса, но само ядро не изменяется, а гамма-квант исчезает. Такое взаимодействие имеет порог 1,022 МэВ, поскольку это минимальная энергия, которая необходима для образования электрона и позитрона. Если энергия гамма-кванта превышает 1,022 МэВ, избыточная энергия делится между электроном и позитроном в виде их кинетической энергии. Этот процесс взаимодействия не является существенным для анализа ядерных материалов, поскольку значения наиболее важных характерных энергий гамма-излу- чения находятся ниже 1,022 МэВ.
Электрон и позитрон, полученные в процессе образования пары, быстро замедляются в поглотителе. После потери кинетической энергии позитрон соединяется с электроном в аннигиляционном процессе, в результате которого высвобождаются два гамма-кванта с энергиями 0,511 МэВ. Эти гамма-кванты более низкой энергии далее могут провзаимодействовать с поглощающим материалом или покинуть его. Взаимодействие гамма-кванта высокой энергии в детекторе приводит к образованию трех пиков (см. рис. 2.11). Кинетическая энергия электрона и позитрона поглощается в детекторе. Один или оба аннигиляционных гам- ма-кванта могут покинуть детектор, либо оба гамма-кванта могут быть поглощены. Если в детекторе поглощаются оба аннигиляционных гамма-кванта, это взаимодействие дает вклад в пик полного поглощения измеряемого спектра. Если
Ðèñ. 2.10. Схема образования пары
Глава 2. Взаимодействие гамма-излучения с веществом |
35 |
144Ce (T1/2=284,4 ä) – 144Pr(T1/2=17,3 ìèí)
Коаксиальный детектор Ge(Li) объемом 55 см3 Поглотитель: 1,18 г/см2 Be
Расстояние до источника: 10 см
Ðèñ. 2.11. Спектр гамма-излучения продукта деления 144Pr, на котором показаны пики одиночной утечки (ПОУ) и пики двойной утечки (ПДУ) с энергиями 1674 и 1163 кэВ, соответственно, возникающие в результате взаимодействи я в германиевом детекторе гамма-квантов с энергиями 2186 кэВ с образованием па р
один из аннигиляционных гамма-квантов покидает детектор, взаимодействие дает вклад в пик одиночной утечки, расположенный на 0,511 МэВ ниже пика полного поглощения. Если оба гамма-кванта покидают детектор, взаимодействие дает вклад в пик двойной утечки, расположенный на 1,022 МэВ ниже пика полного поглощения. Относительные высоты трех пиков зависят от энергии падающего гамма-кванта и размера детектора. Пики утечки могут возникать при измерении образцов облученного топлива, тория и 232U, поскольку основные гамма-кванты этих материалов обладают энергиями выше порога образования пар. Облученное топливо иногда измеряют с использованием гамма-квантов с энергией 2186 кэВ продукта деления 144Pr. Спектр гамма-излучения 144Pr (см. рис. 2.11) содержит пики одиночной и двойной утечек, которые возникают в результате процесса образования пар в германиевом детекторе гамма-квантом с эне ргией 2186 кэВ.
Процесс образования пар невозможен для гамма-квантов с энергией ниже 1,022 МэВ. Выше этого порога вероятность взаимодействия быстро возрастает с энергией (см. рис. 2.3). Вероятность образования пар изменяется приблизительно как квадрат атомного номера Z и становится существенной для элементов с высоким Z, таких как свинец или уран. В свинце приблизительно 20 % взаимодействий гамма-квантов с энергией 1,5 МэВ проходят через процесс образования пар, и эта доля возрастает до 50 % при энергии 2,0 МэВ. Для углерода соответствующие доли взаимодействий составляют 2 и 4 %.
2.3.4 Полный массовый коэффициент ослабления
Все три процесса взаимодействия, описанные выше, вносят вклад в полный массовый коэффициент ослабления. Относительный вклад трех процессов взаимодействия зависит от энергии гамма-кванта и атомного номера поглотителя. На рис. 2.12 показан набор кривых массового ослабления, охватывающий широкий