Дозиметрические характеристики поля излучения. Дозовые характеристики, однозначно характеризующие радиационный эффект, страница 6

Вместо истинного пробега для электронов используют понятие экстраполированного пробега - т.е. проекцию траектории на выбранное направление.

Для радионуклидного диапазона энергий используют следующие формулы для определения экстраполированного пробега:

 - для алюминия;

 - для произвольной среды.

В выше представленных формулах для энергии электрона, выраженной в МэВ, значение пробега получается в см.

Для Е_е = 1 МэВ:  в алюминии R_экс = 0,5 см;

в биологической ткани R_экс = 1,38 см.

Взаимодействие фотонного излучения с веществом

При прохождении излучения через вещество происходит преобразование энергии фотонов в элементарных актах их взаимодействия с атомами и электронами среды. В области средних энергий фотонов (примерно до 10МэВ) наиболее существенное значение имеют:

·  фотоэффект;

·  комптоновское рассеяние;

·  образование электрон-позитронных пар;

·  ядерный фотоэффект.

Фотоэффект - процесс, при котором вся энергия g-кванта расходуется на ионизацию атома и сообщение кинетической энергии вырванному электрону (фотон поглощается).

Фотоэффект возможен только на связанном электроне. Сечение фотоэффекта возрастает с увеличением энергии связи электрона с атомом. Порядка 80% сечения приходится на k-оболочку.

, где  Е₀ - энергия g-кванта;

- кинетическая энергия электрона;

       E_i - энергия связи электрона.

Электрон с внешней оболочки может занять место выбитого. При этом испускается характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ). Энергия выбитого электрона может быть передана другому электрону этого же атома - оже-электрон.

Сечение фотоэффекта возрастает с ростом Z (увеличивается энергия связи электрона) и уменьшается с ростом Е₀ (если энергия фотона много больше энергии связи, то электрон можно считать свободным).

Сечение фотоэффекта:

;

 , если  E₀ > m₀ c² » 0,511 МэВ;

 , если  E₀ < m₀ c² » 0,511 МэВ;

Коэффициент фотоэлектрического поглощения можно записать в виде суммы двух коэффициентов:

;

;

где с – коэффициент, постоянный между скачками поглощения и постоянный для всех энергий выше энергии, соответствующей  

К – скачку поглощения;

l- длинна волны первичного фотона.

Эффект Комптона- неупругое рассеяние фотона на свободном электроне.

Баланс энергии при комптоновском рассеянии имеет вид:

, где  Е_g – энергия первичного g-кванта;

- кинетическая энергия электрона;

       E^’_g - энергия рассеянного g-кванта.

.

Сечение комптоновского эффекта:

,

s _k ~ Z.

Сечение комптоновского рассеяния прямо пропорционально атомному номеру вещества, а следовательно с большей вероятностью идет для лёгких материалов и энергетический диапазон его реализации больше для малых Z.

Вероятность процесса комптоновского рассеяния возрастает пропорционально концентрации электронов в единице объёма вещества.

Величина кинетической энергии вторичного электрона связана с первоначальной энергией g-кванта и углом j, на который рассеянный g-квант отклонился от первоначального направления:

.

Изменение энергии при комптоновском рассеянии в значительной степени зависит от энергии падающего фотона. Так, для рассеяния под углом j=90⁰ и hn₀=10 кэВ энергия рассеянного фотона hn=9,2 кэВ, т.е. энергия рассеянного фотона всего на 2% меньше энергии падающего фотона. Для hn₀=100 кэВ  hn=9,2 кэВ, т.е. изменение энергии фотона больше 16%. А для hn₀=1 МэВ энергия фотонов, рассеянных под углом 90⁰, будет равна hn=338 кэВ, т.е. изменение энергии первичного фотона составит 66%.

Угловое распределение рассеянного излучения также зависит от энергии первичных g-квантов. Чем выше энергия, тем большее число g-квантов рассеивается на малые углы.

Соотношение между углами рассеяния электрона (y) и фотона (j) имеет следующий вид:

.

Соотношение между s для различных материалов имеет вид:

.

Выводы:

1.   Угол между движущимся и рассеянным фотоном  0 < Q Ј 180⁰.

2.   Комптоновский электрон рассеивается на угол  j Ј p/2.

3.   Если Е₀ ® Ґ , то Q = 180⁰ и E_S Ј m₀c²/2 = 0,255 МэВ. Это необходимо учитывать при построении защиты.