6. Взаимодействие γ-излучения с веществом на атомном и ядерном уровнях

В качестве источников γ-излучения могут использоваться радиоактивные изотопы, находящиеся в возбуждѐнном состоянии в результате α- и β-распадов. Переход ядра в основное состояние сопровождается испусканием γ-кванта. Поскольку у ядра может быть несколько возбуждѐнных уровней, изотоп может испускать несколько групп γ-излучения, каждая из которых характеризуется определѐнной энергией, т. е. является моноэнергетичной. Интенсивные и высокоэнергетичные потоки γ-излучения получают с использованием ускорителей заряженных частиц. При взаимодействии потоков с мишенью возникает тормозное γ-излучение с непрерывным спектром.

Основные процессы взаимодействия γ-излучения со средой, представляющие интерес для использования в информационных методах обогащения и аналитике минерального сырья, – это фотоэлектрическое поглощение на электронных оболочках или на ядрах атомов, рассеяние на электронах, образование пар электрон-позитрон, при больших энергиях квантов

– захват с делением ядра (ядерный фотоэффект), резонансные поглощения. Процессы поглощения сопровождаются испусканием характеристического

рентгеновского излучения, оже-электронов (фотоэффект), испусканием электронов и позитронов (образование пар), нейтронов (фотоядерный эффект), γ-квантов (резонансное поглощение). Рассеяние сопровождается изменением направления движения и энергии γ-квантов, а также в последнем случае испусканием заряженных частиц.

На рис. 6.5 приведена схема взаимодействия γ-квантов с веществом. Прошедшее через вещество γ-излучение ослабляется главным образом за

счѐт фотопоглощения на электронных оболочках (фотоэффект), иногда за счѐт фотопоглощения на ядрах атомов с испусканием нейтронов (фотоядерный эффект), когерентного и некогерентного рассеяния на электронах (комптоновское рассеяние, преобладает над прочими видами рассеяния), образования пар электрон-позитрон как на ядре, так и на электронах.

70

71

Рис. 6.5. Схема взаимодействия γ-квантов с веществом на ядерном и атомном уровнях

6.6.1. Фотоэффект

Процесс, когда γ-квант взаимодействует с одним из электронов и при этом полностью поглощается атомом, а его энергия тратится на преодоление связи электрона и удаление его из атома, называется фотоэлектрическим поглощением, или фотоэффектом. При этом электрон выбрасывается за пределы атома с энергией

где E_γ – энергия γ-кванта; E_q – энергия связи электрона (потенциал ионизации оболочки атома).

Если энергия γ-кванта больше энергии связи наиболее близкого к ядру электрона, то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома. Максимальную вероятность поглощения кванта имеют наиболее сильно связанные электроны. Фотоэлектрический коэффициент поглощения на K-оболочке в несколько раз больше подобного коэффициента на всех остальных.

Поскольку электроны, окружающие атомы ядра, располагаются на отдельных энергетических уровнях (K-, L-, M- и т. д.), при удалении одного из электронов атом оказывается в возбуждѐнном состоянии. Он возвращается в нормальное состояние практически мгновенно (10^-16–10 ^-7 с) путѐм целого каскада последовательных переходов электронов с одного уровня на другой с постепенным снижением энергии перехода. В результате таких переходов избыток энергии атома теряется за счѐт испускания фотонов, образующих характеристическое рентгеновское излучение, называемое также рентгеновским флуоресцентным излучением.

Связь между энергией E_х характеристического рентгеновского излучения элемента и его атомным номером Z определяется законом Мозли, согласно которому

√

Таким образом, для каждого элемента энергия его характеристических квантов строго фиксирована, и интенсивность характеристического излучения определяется массовой концентрацией этого элемента в исследуемом веществе. Эти два обстоятельства являются основой гамма-флуоресцентного метода измерения.

В данном методе обычно используются K- и L-серии характеристического излучения элементов.

Для возбуждения атома на q-уровне энергия, передаваемая электрону, не может быть меньше энергии связи электрона на данном уровне. Минимальная

72

энергия излучения, приводящая к возбуждению атома на q-уровне, очень близка к энергии q-края поглощения, но несколько меньше него. Энергия возбуждения атома на K-уровень почти на порядок больше той же энергии для возбуждения на L-уровень.

Если E_γ > E_К (наиболее близкого к ядру электрона), то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома.

Испускаемое атомами характеристическое излучение имеет линейчатый спектр, состоящий из нескольких серий линий. Линия спектра K-серии возникает при появлении вакансии на K-уровне, линия L-серии при возникновении вакансии на L-уровне и т. п. Если атомы вещества испускают кванты q-серии, то в спектре всегда будут присутствовать линии более удалѐнных уровней (серий). Заполнение K-уровня электронами может происходить за счѐт электронов L_III- и L_II-подуровней (соответственно -,

-линии с энергией фотонов, отличающихся друг от друга) или за счѐт

электронов уровней MIII и NIII (линии	,	).
Если речь идѐт об одном атоме,	то возникает одна из линий K-серии.

Поскольку любой из переходов случаен, предсказать появление конкретной линии невозможно. Вероятность появления линий различна, больше она для линий, расположенных к K-уровню ближе других. Соотношение интенсивностей линий K-серии следующее:

Подобные закономерности соотношения интенсивностей справедливы и для других уровней.

В редких случаях избыток энергии атома вызывает не излучение фотона, а излучение оже-электрона. Это происходит при заполнении вакансии электроном L_III-серии с L_I-уровня (безрадиационный переход).

Выход фотонов характеризуется коэффициентом выхода флуоресценции (отдачей флуоресценции) W_q, определяемым соотношением числа атомов, испустивших фотоны характеристического излучения q-серии, к общему числу атомов, возбуждѐнных на q-уровень:

Коэффициент выхода флуоресценции зависит от порядкового номера элемента и возбуждаемого уровня, для каждого элемента он является постоянной величиной. С увеличением порядкового номера элемента вероятность радиационных переходов возрастает.

Приближѐнное значение коэффициента выхода флуоресценции для K-уровня можно найти по формуле

73

Для L-уровня коэффициент выхода флуоресценции в несколько раз меньше, чем для K-уровня (эта закономерность действует и при переходе к каждому последующему уровню), поэтому при γ-флуоресцентном методе обогащения целесообразно использовать информацию о характеристическом излучении, возникающем при возбуждении K- или L-краѐв поглощения химических элементов. В табл. 6.5 приведены значения энергии K-краѐв поглощения для химических элементов. При этом под краем поглощения понимается граничное значение энергии излучения, способного удалить электрон с K-уровня.

Энергии скачков специфические для каждого элемента. Энергия каждого i-го скачка соответствует i-му краю поглощения.

В табл. 6.5 представлены энергетические характеристики фотонов химических элементов.

При рассмотрении данных таблицы следует учитывать, что фотоны с энергией 1–3 кэВ имеют низкую проникающую способность даже в воздухе, что делает невозможным их использование при информационном обогащении. Нижняя граница применения гамма-флуоресцентного метода находится в области элементов с Z=20, то есть метод применим начиная с кальция.

Гамма-флуоресцентный метод обогащения может использоваться для многих типов руд цветных, чѐрных и редких металлов, например марганцевых, медно-никелевых, медно-цинковых, молибденовых, оловянных, свинцово-цинковых, цезиевых, вольфрамовых и др.

Флуоресцентные методы весьма селективны, они являются прямыми, так как интенсивность излучения в характеристической рентгеновской энергетической области элемента прямо характеризует его содержание в контролируемом объѐме (слое) вещества. В спектре может быть выделено несколько спектральных областей, каждая из которых соответствует определѐнному элементу, что позволяет одновременно определять содержания нескольких элементов. Эти преимущества делают флуоресцентные методы наиболее информативными и перспективными для применения.

Практическая реализация флуоресцентных методов обогащения, помимо выделения спектральной области определѐнного элемента, требует в ряде случаев учѐта ряда мешающих факторов (размеры кусков, расстояния излучатель-кусок, кусок-детектор, влияние аналитических линий прочих элементов, влияние рассеянного излучения и т. д.). Учѐт может производиться различными приѐмами.

74

Таблица 6.5

Энергия фотонов основных линий и краѐв поглощения некоторых химических элементов

	Атомный		Энергия фотонов, кэВ
Элемент						K-край
	номер	Kα	Kβ	Lα	Lβ
						поглощения
Магний	12	1,254	1,297	–	–	1,303
Алюминий	13	1,487	1,553	–	–	1,559
Кремний	14	1,740	1,832	–	–	1,838
Сера	16	2,308	2,464	–	–	2,470
Кальций	20	3,691	4,012	0,341	0,344	4,038
Скандий	21	4,090	4,460	0,395	0,399	4,496
Титан	22	4,510	4,931	0,452	0,458	4,964
Ванадий	23	4,952	5,427	0,510	0,519	5,463
Хром	24	5,414	5,946	0,571	0,581	5,988
Марганец	25	5,899	6,490	0,636	0,647	6,537
Железо	26	6,403	7,057	0,704	0,717	7,111
Кобальт	27	6,930	7,649	0,775	0,790	7,709
Никель	28	7,477	8,264	0,849	0,866	8,331
Медь	29	8,047	8,904	0,928	0,948	8,8980
Цинк	30	8,638	9,571	1,009	1,032	9,660
Мышьяк	33	10,543	11,725	1,282	1,317	11,863
Рубидий	37	14,960	13,394	1,694	1,752	15,201
Ниобий	41	16,614	18,621	2,166	2,257	18,987
Молибден	42	17,478	19,607	2,293	2,395	20,002
Серебро	47	22,162	24,942	2,984	3,151	25,517
Кадмий	48	23,172	26,093	3,133	3,316	26,712
Олово	50	25,270	28,483	3,444	3,662	29,190
Сурьма	51	26,357	29,723	3,605	3,843	30,486
Барий	56	32,191	36,376	4,467	4,828	37,410
Вольфрам	74	59,310	67,233	8,396	9,670	69,508
Платина	78	66,820	75,736	9,441	11,069	78,379
Золото	79	68,794	77,968	9,711	11,439	80,713
Ртуть	80	70,821	80,258	9,987	11,823	83,106
Свинец	82	74,957	84,922	10,549	12,611	88,001
Висмут	83	77,097	87,335	10,836	13,021	90,521

Чаще применяют в качестве разделительного признака функцию интенсивностей потоков квантов в нескольких спектральных областях, в том числе в области рассеянного излучения. Формирование разделительного признака (построение алгоритма разделения) осуществляется чаще с использованием способов спектральной разности, спектрального отношения или их комбинаций.

75