7.4. Взаимодействие рентгеновского и γ-излучения с веществом

Основными видами взаимодействия квантов рентгеновского и γ-излучения с атомами вещества являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и процесс образования пар (рис.7.7).

Рис.7.7.Схемы взаимодействия излучения с веществом: а- фотоэлектрическое поглощение; б – комптоновское рассеяние; в- эффект образования пар.

Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) – это процесс взаимодействия кванта с электроном атома (обычно электроном с одной из ближайших к ядру оболочек), в результате которого квант полностью передает свою энергию электрону. При фотоэлектрическом поглощении квант прекращает свое существование, а электрон, называемый фотоэлектроном, вылетает из атома, обладая кинетической энергией, равной разности между энергией кванта и энергией связи электрона в атоме. Освободившаяся вследствие потери фотоэлектрона оболочка заполняется электроном с внешней оболочки атома, при этом испускается квант характеристического излучения.

Процесс фотоэлектрического поглощения является преобладающим видом взаимодействия квантов рентгеновского и γ-излучения с веществом при невысоких энергиях излучения. Вероятность фотоэлектрического поглощения увеличивается с увеличением энергии.

Фотоэффект характеризуют линейным коэффициентом поглощения τф, 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 τф/ρ.

При комптоновском рассеянии, в отличие от фотоэффекта, квант передает электрону не всю свою энергию, а только ее часть. Комптоновское рассеяние возникает при упругом столкновении кванта с электроном внешней оболочки атома или со свободным электроном. В результате происходит увеличение длины волны кванта и изменение его первоначального направления, а также выброс из атома электрона, который называют электроном отдачи.

Комптоновское рассеяние аналогично фотоэффекту характеризуют линейным σр и массовым σр/ρ коэффициентами рассеяния.

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

В результате процесса образования пар квант излучения в электрическом поле атомного ядра (или атомного электрона) превращается в пару элементарных частиц электрон-позитрон. Так как массы покоя электрона и позитрона в энергетических единицах равны 0,511 Мэв, то для образования электронно-позитронной пары требуется, по меньшей мере, энергия кванта 1,022 Мэв. Процесс образования пар характеризуют линейным коэффициентом взаимодействия или массовым коэффициентом .

Линейный коэффициент ослабления μ (см-1). Этот коэффициент представляет собой сумму линейных коэффициентов взаимодействия, определяемых фотоэффектом, комптоновским рассеянием и процессом образования пар:

μ = τ + σ + ₍₅₂₎

В области низкоэнергетического рентгеновского и γ-излучений значение μ определяется в основном фотоэффектом и убывает с ростом энергии. В области энергии γ-излучения до 1 МэВ, где основным процессом взаимодействия является комптоновское рассеяние, μ мало зависит от энергии. В диапазоне энергии тормозного излучения ускорителей и γ-излучения свыше 1 МэВ μ увеличивается с ростом энергии.

Рис. 7.8. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии излучения:

μ – общее поглощение; τ- фотоэффект; σ – комптоновское рассеяние; – процесс образования пар.

Закон ослабления узкого пучка рентгеновского и γ – излучения.

Ранее мы записали: ₍₅₃₎

где J0 и J1 – интенсивность узкого пучка излучения, падающего и прошедшего через вещество, соответственно, при J0 на расстоянии 1 м.

Если точечный источник излучения удаляется от детектора на расстояние F, то интенсивность узкого пучка излучения, прошедшего через вещество, уменьшается обратно пропорционально квадрату этого расстояния так, что

. (54)

Закон ослабления широко пучка R и γ-излучения.

·В (55)

В – фактор накопления рассеянного излучения в воздухе.

В реальных условиях R-графии на детектор попадают не только те кванты, направление движения которых совпадает с первичным пучком, но и кванты, испытывающие многократное рассеяние в поглотителе (веществе). Вклад рассеянного излучения в общую интенсивность оценивают с помощью дозового фактора накопления В, который определяет соотношением

(56)

С увеличением толщины материала В увеличивается и уменьшается с увеличением мощности излучения.