2020-04-20
1167
10.1. Геометрия широкого пучка. Фактор накопления
γ-излучения
Предположим, что у нас есть изотропный источник S моноэнергетических γ-квантов и детектор D, регистрирующий попадающие в него γ-кванты.
Под геометрией узкого пучка подразумевается такая геометрия измерений, при которой регистрируется только нерассеянное излучение. Геометрию узкого пучка можно достичь с использованием поглотителя А, выполненного в виде тонкого цилиндра (рис. 10.1). Те γ-кванты, которые попадают в цилиндр и проходят его без взаимодействий, будут регистрироваться детектором. Если γ-квант при прохождении цилиндра испытает взаимодействие, то это будет либо поглощение (за счет фотоэффекта или эффекта образования пар), либо рассеяние.
Рис. 10.1. Распространение g-квантов в условиях «хорошей» геометрии: S – источник; D – детектор; A – поглотитель
|
Если взять диаметр поглотителя очень малым, то рассеянные γ-кванты с большой вероятностью будут выходить за пределы цилиндра и никогда не попадут в детектор. Таким образом, в этом случае детектором будут регистрировать только нерассеянные g-кванты, т.е. не претерпевшие взаимодействий при прохождении цилиндра. Рассмотренная геометрия эксперимента называется «хорошей» геометрией.
|
|
|
Закон ослабления в геометрии узкого пучка g-квантов с энергией e при прохождении защиты толщиной d (в направлении от источника к детектору) можно записать в виде
 ,
| (10.1) |
где 
и 
– мощности дозиметрической величины в точке детектирования за защитой и в отсутствие защиты соответ-ственно; m(Z, e) – линейный коэффициент ослабления g-квантов с энергией ε в веществе с атомным номером Z.
Под геометрией широкого пучка («плохая» геометрия) подразумевается такая геометрия измерений, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучение (рис. 10.2).
| S |
| D |
| Рис. 10.2. Геометрия широкого пучка и типичные траектории частиц (S - источник, D – детектор): 1 - непровзаимодействовавшие со средой частицы; 2 - однократно рассеянные; 3 - многократно рассеянные; 4 - частицы, поглотившиеся в защите и не достигшие детектора; 5 - частицы, вылетевшие из защиты и не попавшие в детектор |
Вклад рассеянного излучения учитывается сомножителем, который называется фактором накопления. Если G нр и G р – некоторые характеристики поля излучения (в зависимости от регистрируемого эффекта), характеризующие нерассеянный и рассеянный компоненты поля соответственно, то фактор накопления можно определить как
 .
| (10.2) |
Следовательно, можно сказать, что фактор накопления показывает, во сколько раз данная характеристика поля для нерассеянного и рассеянного излучения больше характеристики поля только для нерассеянного излучения. Можно также сказать, что фактор накопления – это отношение показания детектора в геометрии широкого пучка к показанию детектора в геометрии узкого пучка.
|
|
|
Закон ослабления в геометрии широкого пучка g-излучения с энергией e при прохождении защиты толщиной d в бесконечной геометрии измерений будет иметь вид
 ,
| (10.3) |
где B (m d, Z, e) – фактор накопления дозиметрической величины 
материала защиты для точечного изотропного источника.
В реальных задачах всегда наряду с нерассеянным излучением регистрируется и многократно рассеянное в защите излучение. Бывает, что вклад в мощность дозы от рассеянного излучения может многократно (иногда в несколько тысяч раз) превосходить вклад от нерассеянного.
Для регистрируемых характеристик поля излучения различают факторы накопления: числовой (для плотности потока g-квантов), энергетический (для плотности потока энергии g-квантов), дозовый (для экспозиционной дозы и поглощенной дозы в воздухе), поглощенной энергии (для поглощенной в среде энергии), кермы в данной среде.
В общем виде выражение этих факторов накопления можно записать как
| (10.4) |
где индекс i относится к виду фактора накопления по регистри-руемому эффекту; φ(ε, μ d) – плотность потока нерассеянных и рассеянных γ-квантов; φ0(ε, μ d) – плотность потока нерассеян-ных γ-квантов; δ i (ε) – коэффициент для перевода плотности потока в регистрируемую величину.
Для числового фактора накопления δч = 1 (измеряется плотность потока частиц)
 .
| (10.5) |
Для энергетического фактора накопления δэ = εγ (измеряется интенсивность излучения I)
 .
| (10.6) |
Для дозового фактора накопления 
(измеряется поглощенная доза в воздух D В или экспозиционная доза Х)[49]
 .
| (10.7) |
Для фактора накопления керм ы δ K = εγ· 
(измеряется керма в среде)
 .
| (10.8) |
Фактор накопления зависит от всех параметров и условий задачи: характеристик источника (энергетического спектра и углового распределения, геометрии), характеристик защиты (атомного номера и плотности материала среды, геометрии и толщины защиты, компоновки защиты), взаимного расположения источника, защиты и детектора и т.д.
В различных справочниках по защите от ионизирующих излучений приводятся численные значения факторов накопления для различных характеристик поля излучения и материалов в бесконечной геометрии. Фрагмент таблицы, содержащий значения факторов накопления для энергий фотонов 0,1 и 3 МэВ и для различных сред, приведен в табл. 10.1. Значения факторов накопления, приводимые в таблицах, рассчитаны для бесконечной среды, в которой расположены источник и детектор. Однако на практике наиболее часто приходится иметь дело с барьерной защитой (см. рис. 9.1 г).
Таблица 10.1
Дозовые факторы накопления В (e0, m d) для точечного изотропного источника в бесконечной среде [3]
| e0, МэВ | m d | ||||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Вода | |||||||
| 0,1 | 11,8 | 23,8 | 41,3 | 65,2 | 96,7 | 137 | 187 |
| 3,0 | 2,46 | 3,23 | 4,00 | 4,80 | 5,61 | 6,43 | 7,27 |
| Железо | |||||||
| 0,1 | 1,61 | 1,78 | 1,94 | 2,07 | 2,20 | 2,31 | 2,41 |
| 3,0 | 2,28 | 2,96 | 3,68 | 4,45 | 5,25 | 6,09 | 6,96 |
| Свинец | |||||||
| 0,1 | 3,55 | 5,72 | 9,33 | 15,6 | 26,6 | 46,3 | 81,8 |
| 3,0 | 1,73 | 2,09 | 2,46 | 2,86 | 3,29 | 3,76 | 4,25 |
Если нельзя считать защиту бесконечной, то следует вводить поправку на барьерность в виде множителя к фактору накопления в бесконечной среде. Поправочные коэффициенты на барьерность для точечного изотропного источника представляют собой отношение дозового фактора накопления в барьерной геометрии к дозовому фактору накопления в бесконечной среде для точечного изотропного источника:
 .
| (10.9) |
Таблица 10.2
Значения поправки на барьерность 
для различных материалов для точечного изотропного источника фотонов при измерении дозы в бесконечной среде [3]
|
|
|
| Энергия γ-кванта, МэВ | Вода | Железо | Свинец |
| 0,5 | 0,750 | 0,869 | 0,983 |
| 1,0 | 0,797 | 0,903 | 0,986 |
| 3,0 | 0,924 | 0,943 | 0,990 |
| 10,0 | 0,974 | 0,987 | 0,996 |
Поскольку фактор накопления (вклад рассеянного излучения) в бесконечной среде всегда больше, чем в любой другой геометрии, понятно, что поправка на барьерность всегда будет меньше единицы (табл. 10.2.)
