Законы ослабления интенсивности гамма-излучения

Законы ослабления интенсивности гамма-излучения

Интенсивностью гамма-излучения называется количество энергии, переносимой гамма-квантами через 1 см2 облу­чаемой поверхности за одну секунду. Если поток гамма- лучей состоит из гамма-квантов одной и той же энергии, то интенсивность излучения равна

/ = Ф-Я7>

где Ф — секундный поток гамма-квантов, то есть число гамма-квантов, проходящих через один квад­ратный сантиметр поверхности в течение одной секунды;

£т — энергия одного гамма-кванта.

По мере прохождения гамма-излучения через вещество его интенсивность ослабевает в результате всех трех про­цессов взаимодействия гамма-квантов с веществом. Как уже отмечалось, вследствие комптоновского эффекта об­разуется рассеянное гамма-излучение. Поэтому следует различать прямой поток излучения, состоящий из гамма- квантов, прошедших через среду без взаимодействия с ве­ществом, и рассеянный поток, состоящий из однократно и многократно рассеянных гамма-квантов (рис. 9).

Теоретические соображения, а также эксперименталь­ные данные по ослаблению узких параллельных пучков показывают, что интенсивность прямого потока гамма- квантов в зависимости от толщины слоя ослабляющего вещества изменяется по экспоненциальному закону (рис. 10).

Если через /о обозначить интенсивность излучения на поверхности облучаемой среды, то интенсивность Iх после прохождения слоя толщиной х сантиметров будет равна

/  / Р—у—*

1х — *ое                       >

где р — линейный коэффициент ослабления гамма-лучей для данной среды, имеющий размерность 1/см.

Коэффициент ослабления ц характеризует вероятность взаимодействия прямого гамма-кванта с атомами веще­ства на пути в 1 см. Величина коэффициента р. для одного и того же вещества прямо пропорциональна его плотности и зависит от энергии гамма-кванта, а также от атомного номера и атомного веса элементов, входящих в состав данного вещества.

Ослабление интенсивности гамма-лучей обусловлено всеми тремя видами взаимодействия квантов со средой, поэтому коэффициент ц можно представить в виде суммы трех коэффициентов

Р — та + 0 + ТЛ>

где fza — коэффициент, учитывающий ослабление гамма- лучей за счет фотоэлектрического поглощения; ъп — коэффициент ослабления за счет процесса обра­зования пар;

о—коэффициент, учитывающий ослабление вслед­ствие комптоновского эффекта.

Коэффициент о в свою очередь может быть представ­лен в виде суммы двух коэффициентов

° = +

где оа— коэффициент, учитывающий поглощение энер­гии излучения при комптоновском рассеянии; os — коэффициент, учитывающий ослабление излуче­ния за счет рассеяния гамма-квантов.

Отношения коэффициентов — и — характеризуют

а           о

долю поглощенной и долю рассеянной энергии прямых ^-квантов в результате их комптоновского взаимодействия с электронами вещества.

В табл. 3 приведены значения коэффициентов р, а также значения коэффициентов оа, as и ъп в зависи­мости от энергии квантов для различных сред.

Довольно часто ослабление интенсивности прямых гамма-лучей характеризуют не величиной коэффи­циента р, а величиной слоя половинного ослабления d. Слой половинного ослабления — это слой вещества, при прохождений которого интенсивность гамма-лучей умень­шается в 2 раза (рис. 10). Между коэффициентом р и слоем половинного ослабления для данного вещества су­ществует простая связь

0,693
а — ————- .
р

Слой половинного ослабления зависит, так же как и коэффициент р, от энергии гамма-квантов и свойств ве­щества (плотность среды, атомный номер). Для сред, состоящих из веществ с близкими атомными номерами, слой половинного ослабления обратно пропорционален плотности среды.

На рис. 11 показаны слои половинного ослабления в различных веществах узкого параллельного пучка гамма- квантов с энергией 0,5; 1 и 2 Мэв.

Из этого рисунка видно, что проникающая способ­ность гамма-лучей неизмеримо больше, чем бета- и осо­бенно альфа-лучей. Гамма-лучи могут пройти в воздухе

несколько сот метров без значительного ослабления, в то время как альфа-частицы полностью поглощаются слоем воздуха в несколько сантиметров, а бета-частицы — не­сколько метров. Слой алюминия толщиной 9 см ослаб­ляет гамма-лучи (энергия гамма-кванта 1 Мэв) всего лишь в 4 раза, бета-частицы той же энергии полностью поглощаются слоем алюминия толщиной 2 мм, а альфа- частицы — алюминиевой фольгой толщиной в несколько сотых долей миллиметра.

Если расчеты ослабления интенсивности узкого парал­лельного пучка 7-лучей ведутся, исходя из слоя половин­ного ослабления dt

Например, если слой половинного ослабления равен 1 см, то при прохождении излучением слоя толщиной 10 см ослабление интенсивности равно

— = 210                1000   раз

Интенсивность расходящегося пучка гамма-лучей уменьшается не только в результате ослабления излуче­ния средой, но и за счет увеличения расстояния от источ­ника.

На рис. 12 изображен точечный [1] источник гамма-йзлу- чения, испускающий гамма-лучи во все стороны равно­мерно. Пусть этот источник испускает N квантов в се­кунду. Тогда, если среда не ослабляет излучений и испу­скаемые источником гамма-кванты имеют одну и ту же энергию, то интен- Сфера на расстоянии г живность / на рассто­янии г равна N 47ГГ

Таким образом, интенсивность пря­мого излучения, ис­пускаемого точеч­ным излучателем, убывает обратно пропорционально квадрату расстоя­ния.

С учетом ослаб­ления излучения средой интенсивность равна

Приведенные выше формулы позволяют определить интенсивность прямого потока гамма-квантов, иначе го­воря, эти формулы получены в предположении, что все рассеянные гамма-кванты выбрасываются из пучка. В действительности по мере прохождения широкого пучка гамма-излучения через вещество в нем непрерывно возрастает доля однократно и многократно рассеянных гамма-квантов (рис. 9). В результате «накопления» рас­сеянного излучения его интенсивность на достаточно большой глубине проникания может оказаться во много раз больше интенсивности прямого потока гамма-квантов.

Необходимо отметить, что многократно рассеянные гамма-кванты имеют хаотический характер распростра­нения и их энергия значительно меньше, чем у прямых гамма-квантов. Поэтому по мере прохождения через ве­щество широкий пучок гамма-излучения за счет увеличе­ния доли многократно рассеянных гамма-квантов теряет первоначальную направленность, а «жесткость» его уменьшается.

Установление закономерностей прохождения широкого пучка гамма-лучей через вещество является сложной за­дачей, так как необходимо учитывать не только увеличе­ние интенсивности излучения за счет рассеянного потока, но также и изменение «жесткости» пучка.

В настоящее время созданы методы, позволяющие с помощью приближенных расчетов учесть рассеянное гамма-излучение. Существо этих методов сводится к тому, что рассеянные гамма-кванты заменяются некоторым ко­личеством прямых гамма-квантов, действие которых на среду эквивалентно рассеянному потоку.

Для этих целей в формулу интенсивности прямого из­лучения вводится поправочный множитель В, назван­ный коэффициентом накопления. Таким образом, фор­мула для определения интенсивности широкого парал­лельного пучка гамма-лучей имеет вид 1х = В-1йе~*\

где 1Х — интенсивность суммарного потока излучения (прямой поток + рассеянный поток);

— линейный коэффициент ослабления узкого пучка гамма-лучей.

По физическому смыслу коэффициент накопления В представляет собой отношение интенсивности суммар­ного потока (прямой + рассеянный поток) к интенсив­ности прямого излучения. Иными словами, этот коэффи­циент показывает, во сколько раз возрастает интенсив­ность излучения за счет рассеянного потока гамма-кван­тов. При отсутствии рассеянного излучения коэффици­ент 5 = 1.

Величина коэффициента В зависит от глубины прони­кания гамма-излучения в ослабляющее вещество, его со­става и от энергии прямого гамма-кванта. Обычно коэф­фициент В находится по графикам или таблицам, где дается величина этого коэффициента в зависимости от толщины ослабляющего слоя для различных сред и энер­гий гамма-квантов (см., например, Гусев Н. Г. Спра­вочник по радиоактивным излучениям и защите от них).