Ионизирующие излучения

Р. А. Алиев

ramiz.aliev@gmail.com

1

Закон радиоактивного распада

• Ядра одинаковы и распадаются независимо

• Ядро может распасться в любой момент, вероятность этого не изменяется со временем

• Закон носит статистический характер

A=λN где A – активность, единица измерения – Беккерель (1 распад в 1

секунду)

λ – постоянная радиоактивного распада, с-1

N – количество ядер в наличии

N=N0e-λt, или A=A0e

-λt

T1/2=ln2/λ 0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 2 4 6 8 10

T1/2

N

2

Взаимодействие электронов, α-частиц и γ-

квантов

a

b

g

3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С

ВЕЩЕСТВОМ

• Энергии ядерных излучений (кэВ - МэВ)

на порядки выше энергий ионизации

атомов (<15 эВ) и разрыва химических

связей (1-5 эВ)

• Электроны, образовавшиеся при

ионизации среды, могут вызывать

вторичную ионизацию

4

ЛИНЕЙНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ

(ЛПЭ) В ВОДЕ

Частица Энергия,

кэВ

Пробег,

мкм

ЛПЭ,

кэВ/мкм

Электрон 0,1 0,003 33,2

2 0,16 7,7

150 278 0,33

450 1509 0,21

Протон 1000 23 43

10000 1200 8,3

Альфа 1000 5,3 263,9

6000 47 82,0

Ю.Кудряшев, Радиационная биофизика

G.Choppin, Radiochemistry and Nuclear Chemistry 5

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЬФА-

ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

• Взаимодействие в основном с электронами оболочек – ионизация и возбуждение – без изменения траектории

• Пробег в поглотителе практически одинаковый для частиц одной энергии

• Линейная передача энергии растет по мере уменьшения энергии (кривая Брэгга)

• При взаимодействии с ядрами возможно упругое рассеяние на большие углы (эксперимент Резерфорда)

• Ядерные реакции под действием альфа-частиц, напр. 209Bi(a,2n)211At

6

Ослабление пучка альфа частиц в

поглотителе

N

Rсрl

0

7

Кривая Брэгга (протоны, альфа-

частицы, тяжелые ионы)

Расстояние, см

Ио

ни

зац

ия,

пар

ио

но

в/с

м

8

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ

С ВЕЩЕСТВОМ

• Ионизация среды (при одиночном столкновении передается значительная часть энергии выбитому электрону)

• Возбуждение атомов среды (возбуждение:ионизация1:)

• Испускание тормозного излучения (при поглощении электронов 10 МэВ в свинце потери на тормозное излучение сопоставимы с потерями на ионизацию)

• Испускание Черенковского излучения (порог в воде около 250 кэВ) – потери менее 0,1% энергии

9

Взаимодействие

электронов а)

б)

в)

г)

e-

b

b

b

hn

hn

10

Бета-спектр и тормозное

излучение

0

200

400

Им

пул

ьсы

Им

пул

ьсы

кэВ

кэВ

а)

б)

11

Черенковское

излучение

12

Ослабление пучка бета-частиц

Толщина

Пропуска

ние

Моноэнергетические электроны

Бета-частицы

13

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-

ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

• Фотоэффект

• Комптоновское рассеяние

• Образование пар

• Резонансное поглощение (эффект

Мессбауэра)

• Фотоядерные реакции

14

Взаимодействие гамма-

излучения с веществом

а)

б)

в)

e-

e-

e+

e-

hn´

15

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-

ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

16

Взаимодействие гамма-квантов с

веществом – вклад процессов

• Фотоэффект преобладает при больших

Z и малых E

• Образование пар преобладает при

больших Z и больших E

• Комптоновское рассеяние преобладает

при малых и средних Z и средних E

17

Ослабление пучка гамма-квантов

N0 N

N=N0e-d

d

18

Взаимодействие гамма-квантов с

веществом – влияние среды

0,01

0,1

1

10

0 500 1000 1500

Eg, КэВ

/r,

см2/г

H2O

SiO2

Ge

Pb

19

ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

• Сцинтилляционные (твердотельные,

жидкие)

• Ионизационные (газовые,

полупроводниковые)

• Черенковские

• Трековые

• Микроканальные пластины

20

Формирование спектра

Энергия частицы

Числ

о ч

аст

иц

Дете

кто

р

Амплитуда импульса

Чи

сл

о и

мп

ульсов

U

t

21

Типичный гамма-спектр (137Cs)

1

100

10000

1000000

0 400 800 1200

Eg, кэВ

Комптоновский континуум

Пик обратного рассеяния

Пик полного поглощения энергии

Им

пул

ьсы

22

РАСЧЕТ АКТИВНОСТИ

• - чувствительность детектора

• - геометрический коэффициент

• k1 – коэффициент самопоглощения

• k2 – коэффициент поглощения между детектором и источником

• p – вероятность испускания (выход) – константа для данной линии

• - эффективность (характеризует систему источник - детектор)

• Цветом выделены величины, зависящие от энергии излучения

I=k1k2pA I=pA

23

Эффективность регистрации

гамма-излучения

Энергия, кэВ

Эф

фе

ктивн

ость

, %

0,1

1

10

100

10 100 1000

24