ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5835
Скачиваний: 1
101
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0
1
2
3
Энергия
-квантов, МэВ
К
о
эф
ф
и
ц
и
ен
т
о
сл
аб
ле
н
ия
,
см
-1
1
10
100
1000
μ
к
μ
ф
μ
п
μ
0.1
1.0
10
100
Рисунок 8.3 – Зависимость линейных коэффициентов ослабления от
энергии γ-квантов для свинца: μ – полный; μ
ф
– фотоэффект;
μ
к
– комптон–эффект; μ
п
– эффект образования пар.
8.4
Комптон-эффект
На слабосвязанных атомных электронах происходит рассеяние
-
квантов, называемое комптон–эффектом. Взаимодействие
-кванта с
электроном
в
комптон–эффекте
можно
представлять
как
столкновение двух упругих шариков (см. рисунок 8.2, б) с массами
m
=E/c
2
и т
е
. В каждом упругом столкновении
-квант передает
часть своей энергии электрону, который называют электроном
отдачи, и рассеивается. Кинетическая энергия электрона отдачи:
Ee = h
- h
'
(8.15)
где
и
'– частота
-кванта до и после рассеяния соответственно.
После рассеяния электрон отдачи и
-квант разлетаются под
углами θ и φ относительно первоначального направления движения
-кванта. Эти углы определяются законами сохранения энергии и
импульса, согласно которым изменение длины волны
-кванта:
c
m
h
e
cos
1
(8.16)
где т
е
— масса электрона; с–скорость света в вакууме; h–
постоянная Планка.
102
Энергия рассеянного
-кванта
'
'
h
E
и электрона отдачи Е
е
связаны с начальной энергией
-кванта, с углами θ и φ
соотношениями:
2
'
'
cos
1
1
c
m
h
h
h
E
e
(8.17)
2
2
2
2
2
2
1
2
1
1
2
tg
c
m
h
c
m
h
c
m
h
E
e
e
e
e
(8.18)
Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из процесса
комптоновского рассеяния
-квантов.
Длина волны мало меняется при рассеянии
-кванта на малые углы
(φ≈0). Однако если
-квант рассеивается на большие углы (φ≈π), то
изменение длины волны, а следовательно, и энергии
-кванта
максимально:
c
m
h
e
2
max
(8.19)
Так как взаимодействие
-кванта с любым электроном атома
независимо, то величина μ
k
пропорциональна плотности электронов
N
e
, которая в свою очередь пропорциональна порядковому номеру Z
вещества. Зависимость μ
k
от энергии
-кванта hν и Z получена
физиками Клейном, Нишиной и Таммом и для энергий hν>> m
e
c
2
имеет простой вид:
2
1
2
ln
2
c
m
h
h
Z
N
e
k
(8.20)
где N – число атомов в 1 см
3
вещества.
Комптон-эффект идет главным образом на слабосвязанных
электронах внешних оболочек атомов. С увеличением энергии доля
рассеянных
-квантов
уменьшается. Линейный коэффициент
ослабления убывает с энергией медленнее, чем коэффициент μ
ф
.
Комптон–эффект в свинце (рисунок 8.3) преобладает над
фотоэффектом в энергетической области Eγ >0,5 МэВ.
Из формулы (8.20) следует, что коэффициент μ
k
пропорционален
плотности электронов N
e
=N
Z
и приблизительно обратно
пропорционален первоначальной энергии
-кванта hv, так как
логарифмическая функция в скобках формулы (8.20) слабо зависит
103
от энергии
-кванта.
В спектрометрии
-излучения используется величина dμ
k
/dE
е
называемая дифференциальным коэффициентом комптоновского
рассеяния
-квантов.
8.5
Эффект образования пар
γ-квант в поле ядра и реже в поле электрона может образовать
пару частиц: электрон и позитрон (рисунок 8.2, в). Вся энергия γ-
кванта преобразуется в энергию покоя электрона и позитрона 2т
е
с
2
и
их кинетическую энергию E
e+
и E
e-
. Условие образования пары
определяется из закона сохранения энергии:
E
γ
= 2m
e
c
2
+ E
e-
+ E
e+
(8.21)
Пара частиц возникает только в том случае, если энергия γ-кванта
превышает удвоенную энергию покоя электрона, равную 1,02 МэВ.
Вне поля ядра γ-квант не может образовать пару электрон–позитрон,
так как в данном случае нарушается закон сохранения импульса. Это
следует, например, из предельного условия образования пар. γ-квант
с энергией 1,02 МэВ энергетически может породить электрон и
позитрон. Однако их импульс будет равен нулю, тогда как импульс γ-
кванта отличен от нуля и равен E
γ
/c.
В поле ядра образование пары электрон – позитрон становится
возможным. Импульс и энергия γ-кванта распределяются между
электроном, позитроном и ядром без нарушений законов сохранения
энергии и импульса. Масса ядра намного больше массы электрона и
позитрона, поэтому ядро получает пренебрежимо малую долю
энергии. Практически вся энергия γ-кванта преобразуется в энергию
электрона и позитрона.
Линейный коэффициент ослабления эффекта образования пар:
μ
п
~ Z
2
lnEγ.
(8.22)
Этот эффект заметен в тяжелых веществах при больших энергиях.
Коэффициент μ
п
становится отличным от нуля при пороговой
энергии E
γ
=1,02 МэВ. С увеличением энергии коэффициент μ
п
резко
растет. Начиная с энергии 10 МэВ основное поглощение γ-квантов
происходит в поле ядра (рисунок 8.3).
Линейный коэффициент ослабления μ тяжелых элементов как
сумма трех коэффициентов с увеличением энергии сначала
уменьшается, проходит минимум при энергии около 3 МэВ, затем
снова увеличивается. Такой ход кривой, приведенной для свинца на
104
рисунке 8.3, объясняется тем, что при низких энергиях зависимость
μ(Е
γ
) обусловливается фотоэффектом и комптон-эффектом, а уже при
энергиях больше 3 МэВ основной составляющей коэффициента μ
становится коэффициент μ
п
. Тяжелые вещества наиболее прозрачны
для γ-квантов с энергией около 3 МэВ.
105
9
Ионизационный метод регистрации излучения
9.1 Принципы регистрации излучения
9.2 Физические основы газовой проводимости
9.3 Вольт–амперная характеристика газового разряда
9.4 Ионизационные камеры. Принципы работы и общие
характеристики
9.5 Пропорциональный счетчик
9.6 Счетчик Гейгера–Мюллера
9.1
Принципы регистрации излучения
Излучение, взаимодействуя с веществом, ионизирует атомы
(молекулы). Заряженные частицы ионизируют атомы (молекулы) в
столкновениях с электронами, незаряженные частицы (γ-квант,
нейтроны и др.) образуют ионы за счет вторичных эффектов. В
столкновениях незаряженных частиц с электронами и ядрами
возникают заряженные частицы, которые ионизируют атомы
(молекулы). Так, при взаимодействии γ-квантов с веществом
ионизацию производят электроны и позитроны, появляющиеся в
процессах фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования
пар.
Вдоль траектории заряженной частицы в веществе происходит
первичная ионизация атомов (молекул), в результате которой
образуются ионные пары. В каждую пару входят электрон и
положительный ион атома (молекулы). Электроны относят к легким
отрицательным ионам, положительные ионы атома (молекулы) – к
тяжелым положительным ионам.
Наряду с ионизацией излучение возбуждает атомы (молекулы). В
ионизованных и возбужденных атомах происходят переходы
электронов
между
оболочками
атома,
сопровождающиеся
испусканием фотонов. В свою очередь взаимодействия фотонов с
веществом приводят к выделению тепла. Итак, взаимодействие
излучения с веществом сопровождается несколькими эффектами:
образованием ионов;
испусканием фотонов;
выделением тепла.
Эти эффекты и используются при регистрации излучения, под
которым понимается обнаружение и определение типа частиц,