Ослабление пучков излучения

Понятие ослабления излучения

Ослаблением излучения называют процесс снижения интенсивности (мощности) пучка ионизирующего излучения при его прохождении через вещество. Это явление обусловлено взаимодействием квантов излучения с атомами и молекулами среды, в результате чего часть энергии теряется за счёт поглощения или рассеяния. Количественно ослабление описывается экспоненциальным законом, зависящим от свойств вещества и характеристик самого излучения.

В зависимости от природы излучения (альфа-, бета-, гамма-, нейтронное) механизм ослабления различается, но математическое описание, в большинстве случаев, подчиняется одинаковой структуре, связанной с понятием линейного коэффициента ослабления.

Экспоненциальный закон ослабления

Если узкий пучок излучения падает на однородный слой вещества толщиной x, то интенсивность пучка I(x) после прохождения слоя можно выразить через начальную интенсивность I0 следующим образом:

I(x) = I0e−μx

где μ — линейный коэффициент ослабления (см⁻¹), x — толщина слоя вещества (см).

Этот закон применим при следующих условиях:

  • излучение моноэнергетическое;
  • пучок узкий, то есть эффект рассеяния не вносит вклад в детектор;
  • вещество однородно и не изменяется при взаимодействии с излучением;
  • процессы ослабления статистически независимы.

Массовый коэффициент ослабления

Для универсального описания ослабления, независимого от плотности материала, вводится массовый коэффициент ослабления:

$$ \mu_m = \frac{\mu}{\rho} $$

где μm — массовый коэффициент ослабления (см²/г), ρ — плотность вещества (г/см³).

Массовый коэффициент ослабления зависит только от атомного состава вещества и энергии излучения. Он позволяет сравнивать материалы с различной плотностью и определять их эффективность как экранов для защиты от ионизирующего излучения.

Половинный слой

Практически удобной величиной является толщина слоя вещества, в котором интенсивность падает вдвое, — так называемый половинный слой или толщина полупоглощения x1/2. Она связана с коэффициентом ослабления формулой:

$$ x_{1/2} = \frac{\ln 2}{\mu} \approx \frac{0{,}693}{\mu} $$

Для массового коэффициента ослабления аналогично вводится массовая толщина полупоглощения:

$$ \left( \frac{x}{\rho} \right)_{1/2} = \frac{\ln 2}{\mu_m} $$

Механизмы ослабления гамма-излучения

Для гамма-излучения основными процессами, приводящими к ослаблению, являются:

  • Фотоэлектрический эффект (преобладает при низких энергиях, особенно в веществах с большим Z);
  • Комптоновское рассеяние (доминирует в среднем энергетическом диапазоне);
  • Порождение пар (становится значительным при энергиях выше 1,022 МэВ и возрастает с ростом энергии).

Полный линейный коэффициент ослабления определяется как сумма вкладов всех процессов:

μ = μф + μК + μпп

где μф — вклад фотоэффекта, μК — вклад комптоновского рассеяния, μпп — вклад образования пар.

Зависимость каждого из этих слагаемых от энергии фотонов и атомного номера Z различна, что отражается в табличных и графических данных массовых коэффициентов ослабления.

Ослабление нейтронного излучения

Нейтроны, не обладая зарядом, ослабляются не ионизацией, а ядерными взаимодействиями. С ними возможны следующие процессы:

  • Упругое рассеяние — особенно эффективно на лёгких ядрах (например, водород);
  • Неупругое рассеяние — с возбуждением ядра;
  • Поглощение — сопровождается либо испусканием гамма-квантов, либо ядерными реакциями (например, n, α, n, p).

Интенсивность потока нейтронов также подчиняется экспоненциальному закону:

Φ(x) = Φ0e−Σx

где Φ — поток нейтронов, Σ — макроскопический коэффициент ослабления (см⁻¹), связанный с микроскопическим сечением взаимодействия σ и числом атомов в единице объёма N:

Σ = Nσ

Ослабление заряженных частиц

В отличие от гамма-квантов и нейтронов, заряженные частицы (альфа- и бета-излучение, протоны) теряют энергию в веществе непрерывно, в основном за счёт ионизации и возбуждения атомов среды. Их путь в веществе конечен и характеризуется:

  • Пробегом — расстоянием, пройденным до полной остановки;
  • Потерями энергии на единицу пути (dE/dx), описываемыми уравнением Бете-Блоха.

Закон экспоненциального ослабления к заряженным частицам неприменим напрямую. Их интенсивность падает не постепенно, а резко — по достижении определённой толщины слоя, соответствующей максимальному пробегу.

Толщина эквивалентного экрана

Для оценки экранирующей способности материала часто используют понятие эквивалентной толщины экрана. Это толщина материала, необходимая для снижения интенсивности пучка в заданное число раз:

$$ x = \frac{1}{\mu} \ln \left( \frac{I_0}{I} \right) $$

Такой подход широко используется в радиационной защите, при проектировании стен, экранов, защитных контейнеров и т. д.

Зависимость ослабления от энергии и материала

Массовый коэффициент ослабления для гамма-излучения сильно зависит от:

  • энергии кванта: при низких энергиях преобладает фотоэффект, при средних — Комптон, при высоких — порождение пар;
  • атомного номера материала: фотоэффект имеет зависимость порядка Z4–Z5, порождение пар — Z2.

Например, свинец (Z = 82) значительно более эффективен как защитный материал от гамма-излучения, чем алюминий (Z = 13), при одинаковой массе экрана.

Применение

Понимание процессов ослабления излучения имеет решающее значение в:

  • дозиметрии и радиационной защите;
  • медицине (радиотерапия, диагностика);
  • ядерной энергетике;
  • радиационном контроле и неразрушающем анализе;
  • при конструировании источников и детекторов излучения.

Экспериментальные данные по коэффициентам ослабления публикуются в справочниках (например, NIST), и используются при расчётах защиты и моделировании прохождения излучения.

Оглавление