Дозиметрии и ионизирующего излучения 6 Радиационный

• Название: Дозиметрии и ионизирующего излучения 6 Радиационный
• Дата: 07.12.2022
• Размер: 352.38 Kb.
• Имя файла: Fedotova.A.A..03.04.02.Medicinskaya.fizika.docx
• Тип: Тезисы; #833852
• страница: 6 из 15

Детекторы ионизирующего излучения

1. Взаимодействие гамма-излучения с веществом

Под термином «𝛾-квант» понимают жесткое электромагнитное излучение с энергиями десятки кэВ и выше, что соответствует длинам волн 10^-10м. Гамма- кванты испытывают электромагнитное взаимодействие с электронами и ядрами среды. Взаимодействие с ядрами может привести к протеканию так называемых фотоядерных реакций, когда гамма-квант поглощается, а из ядра вылетает протон или чаще нейтрон. Однако, вероятность протекания фотоядерных реакций мала. К тому же реакции идут под действием гамма-квантов с достаточно высокими энергиями, превышающими энергию связи нуклонов в ядре, что для большинства ядер составляет около 8-10 МэВ. Существует несколько механизмов взаимодействия гамма-излучения с веществом, но с точки зрения детектирования гамма-излучения и передачи энергии среде важны три из них: фотоэффект, Комптон-эффект и рождение электронно-позитронных пар (рисунок 2.1).


Рисунок 2.1 – Взаимодействие 𝛾-квантов с веществом: а – фотоэффект, б – комптоновское рассеяние, в – образование пар
Первый рассматриваемый вид взаимодействия гамма-излучения с веществом – фотоэффект. Это процесс передачи всей энергии гамма-кванта электрону атома:

𝛾 + 𝐴 → 𝐴⁺ + 𝑒⁻ (2.1.1)

При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще электронами K-оболочки) в атомах облучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию, сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта минус энергия связи электрона в атоме:

𝐸_𝑒 = 𝐸_𝛾 − 𝐸_св (2.1.2)
Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного гамма-кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, ионизирующие атомы и молекулы. На освободившееся место в орбите K-оболочки перескакивает электрон Е-оболочки, на Е-оболочку – электрон М-оболочки и т. д. Перераспределение электронов в ионизированном атоме приведет к испусканию характеристического рентгеновского излучения и Оже электронов. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия гамма-кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотителем является вещество с большим атомным номером.

Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут поглощать гамма-кванты (при этом невозможно одновременное выполнение законов сохранения энергии и импульса). В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50% при энергии гамма-квантов порядка 60 кэВ. При Е= 120 кэВ доля фотоэлектрического поглощения составляет около 10% ‚ а начиная с 200 кэВ этим процессом можно пренебречь. В этом случае гамма-излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния [10].

Комптон-эффект состоит в том, что гамма-кванты, сталкиваясь с слабосвязанными электронами передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т. е. рассеиваются (рисунок 2.1, б). В результате формируется непрерывный спектр комптоновских электронов и гамма-квантов. Из-за соударения с гамма-квантами

электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

В отличии от фотоэффекта, при Комптон-эффекте взаимодействие гамма- квантов происходит c внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. А комптоновское рассеяние возможно на свободных электронах, легких элементов при Е_у ≥ 0,05 МэВ.

Таким образом, в результате Комптон-эффекта интенсивность гамма- излучения ослабляется вследствие того, что гамма-кванты, взаимодействуя с электронами среды, рассеиваются в различных направлениях и уходят за пределы первичного пучка, а также в результате передачи электронам части своей энергии:

𝐸_𝛾2 = 𝐸_𝛾1 − 𝐸_𝑒∗ (2.1.3)
Образование электронно-позитронных пар (рисунок 2.1). Проходя через плотное вещество, некоторые гамма-кванты с энергией не ниже 1,022 МэВ превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару электрон – позитрон (e ^- e ⁺):

𝛾 → 𝑒⁺ + 𝑒⁻ (2.1.4)
B этом случае одна форма материи – гамма-излучение преобразуется в другую – в частицы вещества. Образование такой пары частиц возможно только при энергиях гамма-квантов не меньших, чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц электрона и позитрона. Поскольку у электрона и позитрона массы одинаковы, то для их образования без сообщения им дополнительной кинетической энергии, энергия гамма-кванта должна удовлетворять соотношению взаимосвязи массы и энергии:

𝐸 = ℎ𝜈 ≥ 𝑚_𝑒𝑐² ≈ 1,022 МэВ (2.1.5)
В том случае если энергия гамма-квантов больше 1,022 МэВ, то избыточная энергия передается частицам. Тогда кинетическая энергия

образующихся частиц Е_k равна разности между энергией фотона 𝐸_𝛾 и удвоенной энергией покоя электрона:

Е_𝑘 = 𝐸_𝛾 − 2𝑚_𝑒𝑐² = ℎ𝜈 − 1,022 МэВ (2.1.6)
В дальнейшем образовавшаяся электронно-позитронная пара исчезает (аннигилирует): превращается в два вторичных гамма-кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц (0,511 МэВ). Вторичные гамма-кванты способны вызвать лишь Комптон–эффект и в конечном счете фотоэффект, т. e. терять энергию только при соударениях с электронами. С возрастанием энергии гамма-квантов и плотности поглотителя вероятность процесса образования пар увеличивается.

Рисунок 2.2 показывает области преобладания основных взаимодействий гамма-квантов с веществом в зависимости от энергии квантов и атомного номера поглотителя. Линии показывают равенства сечений, они соединяют точки с равной вероятностью процессов. Таким образом, для низких энергий квантов и поглотителей с большим Z преобладает фотоэффект, для средних энергий и поглотителей со средними значениями Z– комптоновское рассеяние, для тяжелых поглотителей и высоких энергий – образование пар.



Рисунок 2.2 – Области преобладания различных видов взаимодействия гамма- излучения с веществом

Все описанные эффекты будут сопровождаться вторичными процессами. Очевидно, электрон, выбитый из атома, будет выбивать вторичные электроны из среды, ионизируя и возбуждая атомы и молекулы: порождать тормозное и, возможно, черенковское излучение [11].