Дозиметрические характеристики поля излучения. Дозовые характеристики, однозначно характеризующие радиационный эффект, страница 5

Из-за большого различия между массами тяжелых заряженных частиц и массой электрона в процессе многократных столкновений с электронами среды не наблюдается существенного отклонения заряженных частиц от первоначального направления движения, что приводит к образованию ярко выраженного трека. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения энергии заряженной частицы, называется линейным пробегом R.

Пробег заряженной частицы заданной энергии в различных веществах будет обратно пропорционален концентрации электронов в поглощающей среде:

, где N – число атомов единице объёма вещества.

Но известно, что

.

Тогда

 или .

Таким образом, если пробег выражать в массе вещества, приходящегося на единицу площади (в г/см² ), то он будет зависеть только от соотношения Z/A – величины мало меняющейся для элементов начала и середины периодической системы (Z/A»0.5). поэтому средний массовый пробег заряженных частиц будет практически одинаков во всех веществах и несколько возрастает в таких тяжёлых веществах как свинец или уран.

Пробег может быть рассчитан по формуле:

.

Обычно пробег определяют по эмпирическим или полуэмпирическим формулам:

 - формула Гейгера для воздуха;

  - для любого вещества.

Несмотря на высокие значения энергий  a-частиц, их проникающая способность и пробег крайне малы, например:

a-частицы (5 МэВ):   в воздухе  R_a = 4 см;

в биологической ткани R_a = 30 мкм.

Осколки (5 МэВ):         в воздухе  R = 2 см;

в биологической ткани  R = 10 мкм.

a-частицы (8 МэВ):   в биологической ткани R_a = 77 мкм (пробивают эпидермис     кожи).

Особенности взаимодействия электронов со средой

Электроны образуются при распаде радионуклидов. При этом они обладают непрерывным спектром энергии, с максимальной энергией, характерной для данного радионуклида. В этом случае они действуют как самостоятельный вид излучения. Но взаимодействия электронов с веществом представляет особый интерес ещё и потому, что большая часть эффектов, вызываемых фотонным излучением при прохождении его через вещество, обусловлена вторичными электронами, т.е. электронами, созданными фотонным излучением.

Электроны, возникающие из-за взаимодействия фотонного излучения с веществом, могут иметь непрерывный или линейчатый энергетический спектр.

Основными процессами взаимодействия  b-излучения с веществом являются:

·  неупругие столкновения с атомными электронами;

·  неупругие столкновения с атомными ядрами;

·  упругие столкновения с атомными электронами или атомными ядрами.

При неупругом взаимодействии электрон расходует свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов поглотителя.

Потери энергии при неупругих ударах в каждом акте соударения малы. Даже для очень высоких первичных энергий электронов возбуждение более вероятно, чем ионизация.

Ионизационные потери прямо пропорциональны атомному номеру вещества. В области малых энергий ионизационные потери уменьшаются при увеличении энергии и достигают минимума при Е=1,5 МэВ и затем медленно возрастают. 

Кроме потерь энергии на возбуждение и ионизацию, электроны теряют энергию вследствие испускания тормозного излучения, возникающего при ускорении электронов в кулоновском поле ядра.

Радиационные потери возрастают пропорционально Z² , в то время как потери на ионизацию пропорциональны Z.

Тормозное излучение, испускаемое моноэнергетическими электронами, обладает непрерывным спектром, содержащим энергии от нулевой до максимальной Е₀ тормозящихся электронов. 

Отношение радиационных потерь к ионизационным, полученное Бете и Гайтлером для электронов, можно оценить по соотношению:

, где Е₀ - энергия электронов, МэВ.

Критическая энергия - энергия, при которой ионизационные и радиационные потери равны.

.

Для водорода (Z = 1) Е_крит = 800 МэВ.

Для воды (Z = 8) Е_крит = 100 МэВ.

Для свинца Е_крит = 11 МэВ.

Специфика взаимодействия электронов состоит в том, что при соударениях с атомными электронами они могут потерять значительную (до половины) часть своей энергии и рассеяться на большие углы. Таким образом, их путь в отличие от пути тяжелых заряженных частиц не будет прямолинейным.