Особенности взаимодействия электронов и β-частиц со средой

Электроны и β-частицы образуются при распаде радионуклидов. β-частицы обладают непрерывным спектром энергии, с максимальной энергией, характерной для данного радионуклида. В этом случае они действуют как самостоятельный вид излучения. Но взаимодействия электронов с веществом представляет особый интерес ещё и потому, что большая часть эффектов, вызываемых фотонным излучением при прохождении его через вещество, обусловлена вторичными электронами, т.е. электронами, созданными фотонным излучением.

Основными процессами взаимодействия b-излучения с веществом являются:

• неупругое взаимодействия с атомными электронами и ядрами;

• упругие взаимодействие с атомными электронами или атомными ядрами.

При неупругом взаимодействии электрон расходует свою энергию на возбуждение и

ионизацию атомов поглотителя.

Отношение радиационных потерь к ионизационным, полученное Бете и Гайтлером для электронов:

,

где Е₀ - энергия электронов, МэВ.

Это соотношение лежит в основе построения защиты от электронов и β-частиц.

Для электронов используют понятие экстраполированного пробега - т.е. проекцию траектории на выбранное направление.

- для алюминия [cм];

- для произвольной среды, [cм].

Для Е_е = 1 МэВ: в алюминии R_экс = 0,5 см; в биологической ткани R_экс = 1,38 см.

Взаимодействие фотонного излучения с веществом

При прохождении излучения через вещество происходит преобразование энергии фотонов в элементарных актах их взаимодействия с атомами и электронами среды. Механизмы:

• фотоэффект;

• комптоновское рассеяние;

• образование электрон-позитронных пар;

• ядерный фотоэффект.

Фотоэффект - процесс, при котором вся энергия g-кванта расходуется на ионизацию атома и сообщение кинетической энергии вырванному электрону (фотон поглощается).

,

где Е₀ - энергия g-кванта; - кинетическая энергия электрона; E_i - энергия связи электрона.

Электрон с внешней оболочки может занять место выбитого. При этом испускается характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ). Энергия выбитого электрона может быть передана другому электрону этого же атома – появляется Оже-электрон.

Сечение фотоэффекта возрастает с ростом Z (увеличивается энергия связи электрона) и уменьшается с ростом Е₀ (если энергия фотона много больше энергии связи, то электрон можно считать свободным).

Сечение фотоэффекта:

Эффект Комптона - неупругое рассеяние фотона на свободном электроне.

Пусть фотон с энергией hν падает на покоящийся электрон (см. рис.)

Баланс энергии при комптоновском рассеянии имеет вид:

,

где Е_g – энергия первичного g-кванта;

- кинетическая энергия электрона;

E^’_g - энергия рассеянного g-кванта.

.

Сечение комптоновского эффекта:

s _k ~ Z, падает с ростом энергии.

Соотношение между углами рассеяния электрона (y) и фотона (j) имеет следующий вид:

.

То есть каждому углу рассеяния фотона соответствует определенное направление движения рассеянного электрона

Выводы:

1. Угол между движущимся и рассеянным фотоном 0 < Q £ 180⁰.

2. Комптоновский электрон рассеивается на угол j £ p/2.

3. Если Е₀ ® ¥ , то Q = 180⁰ и E_S £ m₀c²/2 = 0,255 МэВ. Рассеянное назад излучение - альбедо необходимо учитывать при построении защиты.

Эффект образования пар - эффект рождения фотоном электрон-позитронной пары в поле ядра. Реакция пороговая по энергии и возможна при энергиях гамма-излучения более 2m₀c² =1,02 МэВ.

E_П = E₀ - 2m₀c².

Сечение эффекта образования пар: s _п ~ Z².

Время жизни позитрона определяется его скоростью. Термолизация позитрона приводит к процессу аннигиляции.

Вероятность аннигиляции позитрона с электроном определяется сечением аннигиляции:

,

где v - скорость позитрона. .

При замедлении позитрона вероятность аннигиляции увеличивается. Возникшие в процессе аннигиляции пары g-квантов разлетаются в противоположные стороны.

Ядерный фотоэффект - (g, n) - процесс поглощения фотонов ядром с последующим испусканием фотонейтрона идет при высоких энергиях (более 10 МэВ).