Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом как физическая основа детектирования. Лекция 13

1. 30.03.2023

ЛЕКЦИЯ 13
Взаимодействие ионизирующих
излучений с веществом как физическая
основа детектирования
Байтимирова Марина Олеговна
1

2. Содержание лекции

Взаимодействие альфа-частиц и других тяжелых заряженных
частиц с веществом. Взаимодействие бета-частиц с
веществом. Потеря энергии электронами при прохождении
их через вещество. Количественные закономерности
ослабления бета-излучения. Линейный и массовый
коэффициенты ослабления, слой половинного ослабления.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.
Фотоэлектрический эффект. Эффект Комптона.
Образование электронно-позитронных пар.
Экспоненциальный закон ослабления электромагнитного
излучения. Коэффициент ослабления, его составляющие.
Взаимодействие нейтронов с веществом. Эффективное сечение
захвата. Уравнение активации.
2

3. Взаимодействие ионизирующих излучения с веществом

Энергия излучения расходуется главным образом на
взаимодействие с электронами.
При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий
взаимодействующих частиц (или фотонов и частиц) происходит
перераспределение энергии между участниками взаимодействия.
При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий
участников взаимодействия уменьшается, так как часть
кинетической энергии переходит в другие формы (энергию
возбуждения, энергию разрыва связей и т.п.) и, в конечном счете,
рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.
Взаимодействие γ-квантов со средой приводит к образованию
относительно небольшого числа первичных электронов, которые
вызывают дальнейшую ионизацию среды. γ-излучение называют
косвенно ионизирующим.
Ионизирующее действие излучения характеризуется линейной
ионизацией – числом пар ионов, образуемых частицей или γквантом на единицу длины пути.
3

4. Взаимодействие  -излучения с веществом

Взаимодействие -излучения с веществом
Энергия -частиц расходуется
на взаимодействие с
электронами атомов и молекул
среды, что приводит к
ионизации и возбуждению
атомов или молекул.
α-частицы обладают большой
линейной ионизацией:
примерно 4 · 104 пар ионов на
1 см пути в воздухе.
Пробегом -частиц
называется длина траектории
(трека) в данном веществе.
Средние пробеги α-частиц в
воздухе при нормальных
условиях не превышают 10 см.
n1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1
2
Rcp
3
4
5
l
Зависимость числа n -частиц,
прошедших слой поглотителя
толщиной l. Пунктиром
показана производная этой
зависимости
4

5. Взаимодействие -излучения с веществом

Взаимодействие -излучения с веществом
β-частицы расходуют свою энергию в основном на
ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества, в
котором распространяется излучение.
Линейная ионизация, создаваемая β-частицами, примерно в
1000 раз меньше линейной ионизации α-частиц такой же
энергии.
Действительные траектории β-частиц в 1,5– 4 раза больше
толщины поглощающего слоя.
Проникающую способность β-излучения характеризуют
значением максимального пробега β-частиц Rmax.
Для того чтобы подчеркнуть совместную роль процессов
поглощения и рассеяния в уменьшении числа β-частиц с
ростом толщины поглотителя, обычно говорят об
ослаблении -излучения веществом.
5

6. Кривые ослабления

Ne
Ne
R
l
Кривая ослабления моноэнергетических электронов:
R - пробег электронов
данной начальной энергии
Rmax
Кривая ослабления βизлучения.
Пунктиром показана
экспоненциальная функция
l
6

7. Экспоненциальный закон ослабления

Кривые ослабления β-излучения в полулогарифмических координатах:
1 - без вычета фона, 2 - с вычетом фона
ln10I
lnIo
ln(Io/2)
9
1
8
2
7
6
5
Фон
4
3
d1/2
2
Rmax
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
d , г/см2
Слоем половинного ослабления -излучения d1/2 называют толщину
7
поглотителя, снижающую вдвое начальное число частиц.

8. Экспоненциальный закон ослабления -излучения

Экспоненциальный закон ослабления
-излучения
Экспоненциальная зависимость для ослабления -излучения:
I=Io e -μ’l ,
где Io и I – число частиц, падающих на поглотитель и
проходящих сквозь него; l – толщина поглотителя, см; μ' –
линейный коэффициент ослабления, см-1.
μ' зависит от максимальной энергии излучения и от свойств
поглощающего материала.
I =Io e -μ d ,
где μ =μ'/ ρ - массовый коэффициент ослабления, в см2/г.
μ зависит от максимальной энергии излучения.
d =l ρ– массовая толщина поглотителя, г/см2.
Связь между слоем половинного ослабления и массовым
коэффициентом ослабления: d1/2 = ln2 / .
8

9. Идентификация -излучающих pадионуклидов путем анализа кривых поглощения

Идентификация -излучающих
pадионуклидов путем анализа кривых
поглощения
Ln(I-Iф)
1
lnI1
lnI1”
lnI*
2
3
d1
d, мг/см 2
9

10. Взаимодействие g -излучения с веществом

Фотоэффект: g-квант,
взаимодействуя с атомом или
молекулой, выбивает из них
электрон (фотоэлектрон). g-квант
полностью поглощается, вся его
энергия передается электрону.
Комптоновское рассеяние: фотон
передает лишь часть своей энергии
электрону (комптон-электрону), а
вместо первичного g-кванта
появляется рассеянный g-квант с
меньшей энергией.
Эффект образования электронпозитронных пар наблюдается при
взаимодействии g-излучения с
силовым полем атомных ядер. Этот
процесс наблюдается для фотонов с
энергией не менее 1,02 МэВ.
10

11. Роль различных процессов поглощения -кванта

Роль различных процессов поглощения
g-кванта
100
Z
в
80
60
а
б
40
20
0
0,01
0,1
1
а - область преобладания фотоэффекта;
б - область преобладания комптон-эффекта;
в - область преобладания эффекта образования пар.
E , 10
MэВ
11

12. Экспоненциальный закон ослабления -излучения

Экспоненциальный закон ослабления
g-излучения
Потеря энергии и изменение числа g-квантов при
прохождении параллельного (узкого) пучка через вещество
происходит в соответствии с экспоненциальным законом:
I=Io е- ’ l или I=Io е- d,
где ' – линейный, см-1, - массовый коэффициенты
ослабления g-излучения, см2/г, = '/ .
Коэффициент ослабления представляет собой сумму
коэффициентов фотоэлектрического поглощения ,
комптоновского рассеяния и образования пар . Для
линейного коэффициента ослабления: ' = '+ '+ '.
Конечного пробега в веществе для g-излучения не существует.
Проникающую способность g-излучения характеризуют
толщиной слоя половинного ослабления (l1/2 или d 1/2) или
12
значением коэффициента ослабления: '= ln2 / l1/2.

13. Зависимость линейных коэффициентов ослабления в свинце от энергии -излучения

Зависимость линейных коэффициентов
ослабления в свинце от энергии g-излучения
Поглощение g-лучей:
1 – за счет комптонэффекта;
2 –за счет
фотоэффекта;
3 –за счет образования
пар электронпозитрон.
4 – суммарная кривая.
13

14. Взаимодействие нейтронов с веществом

27Al 1n 28Al
13
0
13
Компаундядро
26 Al 2 1n
13
0
27 Al 1n
13
0
28Al g
13
27Mg 1H
13
1
24Na 4He
11
2
(n, 2n)
(n, n)
(n, g )
(n, p)
(n, )
Взаимодействуют с ядрами с протеканием ядерных реакций.
Ядерные реакции протекают в два этапа:
- слияние бомбардирующей частицы с ядром и образование
составного ядра (компаунд-ядра);
- распад компаунд-ядра с образованием продуктов реакции.
Эффективность столкновений выражается микроскопическим
эффективным сечением реакции , м2. Внесистемная единица:
14
1 барн = 10-28 м2 (10-24 см2).

15. Взаимодействие нейтрона с ядром

Столкновение нейтрона с ядром может привести к одному из
следующих процессов:
упругому рассеянию (в поле ядерных сил) без образования
составного ядра и резонансному через образование
промежуточного ядра, т.е. с кратковременным захватом
нейтронов;
неупругому рассеянию, т.е. реакции (n, n), когда попадающий в
сложное ядро нейтрон оставляет часть своей энергии в ядре;
расщеплению ядра с вылетом заряженной частицы (n, p), (n, )
и т.п.;
делению ядра (n, f);
радиационному захвату (n, γ).
15

16. Активация, как основа активационного анализа

Скорость накопления определяется соотношением между
скоростью образования ядер в результате осуществления
ядерной реакции и скоростью их радиоактивного распада
N
0S
(1 e n l )(1 e t )
n – число активируемых ядер в 1 см3; l – толщина мишени, см;
Φ0 – плотность потока нейтронов, падающих на мишень по
нормали, част./см2с;
S – площадь мишени, см2.
Уравнение активности получаемого радионуклида
A 0 S (1 e
n l
)(1 e
t
)
t
A
n
(
1
e
)
или для тонкой мишени, когда n l < 0,1:
0
0
где n0 – общее число частиц в мишени.
16

17. Активационный анализ

Качественный анализ проводят по спектру излучения после
облучения мишени.
Количественный анализ проводят, определяя активность
конкретного радионуклида и рассчитывая массу исходного
изотопа в мишени.
Абсолютный метод и относительный. В абсолютном методе,
зная Φ0, и определив в опыте А, находят n0.
Относительный вариант метода: эталон облучают в тех же
условиях и, по возможности, одновременно с анализируемой
пробой. Сравнивая полученные активности, определяют массу
изотопа по соотношению
mx Ax
mэ Aэ
Чувствительность метода определяется условиями облучения
и . Максимальная активность достигается через 10Т1/2
образующегося радионуклида. Пределы обнаружения
17
составляют 10-8 – 10-10 г (для отдельных изотопов – до 10-13 г).

18.

Излуче- Ионизирую Пробег в Закон ослабления
ние щая
спо- воздухе,
собность
м
α
1000
β
1
γ
1/50
n
<<1
Примечание
E=4-8
МэВ,
Rвозд.=0,318 (E)3/2
летят
прямолинейно.
Для
E=const
0,1-10 I= Io e-μd
пробег разный,
Rмах
Нет конечного
10-100 I= Io e-μd
пробега
~1-10 1. Рассеяние на Ядерные
легких ядрах,
реакции конец
2. Ядерные реакции жизни нейтрона
на тяжелых ядрах
0,01-0,1 R(E)=const,
18

19. Выводы

ВЫВОДЫ
Проанализированы закономерности взаимодействия
ионизирующих излучений с веществом.
Взаимодействие заряженных частиц и квантов
происходит в основном с электронами (атомами и
молекулами) среды.
Взаимодействие нейтронов происходит с ядрами с
протеканием ядерных реакций.
19

20. Библиографический список

Егоров Ю.В. Радиоактивность и смежные проблемы.
Физические основы радиоактивности/ Ю.В. Егоров, Н.Д.
Бетенеков, В.Д.Пузако. Учебное пособие. Екатеринбург:
УГТУ-УПИ, 2000. 130 с.
Бетенеков Н.Д. Элементы радиометрии и спектрометрии
ионизирующих излучений: учебное пособие/
Н.Д.
Бетенеков, Е.И. Денисов, В.Д. Пузако. Екатеринбург: ГОУ
ВПО УГТУ-УПИ. 2007. 72 с.
Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода:
Учеб.
пособие
для
унтов/ В.Б.Лукьянов,
С.С.Бердоносов, И.О.Богатырев и др.; Под ред.
В.Б.Лукьянова. М.:Высш.шк., 1985.
20