Ослабление узкого пучка

Работа 3. Ослабление гамма-излучения

И.В. Вах, А.Г. Рипп

Цель работы: исследовать характер ослабления гамма-излучения веществом.

Краткая теория

Гамма-излучение, проходя через вещество, взаимодействует с частицами вещества – с молекулами, атомами, электронами и ядрами. Считая гамма-излучение потоком корпускул – гамма-квантов, это взаимодействие можно разделить на два типа: рассеяние гамма-квантов и поглощение.

При рассеянии гамма-квант меняет направление движения и теряет часть своей энергии. Наиболее типичным процессом рассеяния является Комптон-эффект – явление рассеяния гамма-кванта на слабо связанном электроне. Естественно, скорость гамма-кванта при этом не меняется, так как все гамма-кванты всегда имеют одну и ту же скорость – скорость света в вакууме с = 3·10⁸ м/с. Однако гамма-квант меняет частоту и отклоняется от своего первоначального направления, а электрон получает некоторую кинетическую энергию и импульс.

При поглощении гамма-квант исчезает, полностью теряя свою энергию. Поглощение, в свою очередь, бывает двух типов: фотоэффект и эффект образования пар. Фотоэффект состоит в том, что гамма-квант всю свою энергию отдаёт какому-то электрону в атоме или атомному ядру. В результате, например, электрон может оторваться от атома и даже вылететь из вещества. Эффект образования пар состоит в том, что гамма-квант в области действия больших ядерных сил (вблизи какого-либо атомного ядра), может превратиться в пару частица – античастица. Правда, для этого гамма-квант должен иметь энергию, большую суммарной энергии покоя родившейся пары, поэтому реальный эффект образования пар, который может реально проявиться при прохождении гамма-излучения через вещество, это – образование лёгкой пары: электрон – позитрон.

Для гамма-квантов малых энергий наиболее вероятен фотоэффект, для квантов высоких энергий – эффект образования пар, а для квантов с энергиями в интервале примерно от 0,3 МэВ до 3 МэВ – Комптоновское рассеяние.

Количественно характер прохождения гамма-квантов через некоторую среду удобно описывать с помощью вектора плотности потока частиц j. Величина и направление этого вектора в каждой точке вещества определяют следующие факторы.

· Распределение плотности потока гамма-квантов j ₀ на входе в среду.

· Начальный энергетический спектр гамма-квантов.

· Геометрия среды, то есть форма и размеры среды.

· Структура среды: химический состав, агрегатное состояние, распределение плотности.

В данной лабораторной работе у вас будут следующие условия экспериментов.

· Геометрия – плоская. Это значит, что среда имеет форму плоской пластины, а точнее, набора пластин. Набор нужен для того, чтобы можно было регулировать толщину среды d. Будем в дальнейшем называть среду поглотителем.

· Среда (поглотитель) – однородный, твёрдый, химически чистый металл.

· Входящее гамма-излучение – моноэнергетическое. Это означает, что у всех гамма-квантов одна и та же энергия E.

· Входящий пучок гамма-излучения – это узкий, направленный, однородный пучок, падающий на поверхность поглотителя нормально. Иными словами, вектор плотности потока гамма-квантов j ₀ на входе в поглотитель во всех точках имеет одно и то же значение и направлен по нормали к поверхности поглотителя.

Вам надо исследовать зависимость потока гамма-квантов на выходе из поглотителя Φ от его толщины d. И это исследование надо проделать для двух типов выходящего пучка: узкий пучок и широкий пучок.

Вследствие рассеяния гамма-квантов в среде, пучок по мере прохождения через поглотитель расширяется и перестаёт быть узким и направленным. В нём появляются гамма-кванты, летящие в разных направлениях, поэтому его можно считать смесью большого количества направленных пучков. Такой пучок называют диффузным. Так вот, узкий пучок – направленный, а широкий – диффузный.

Ослабление узкого пучка.

В узком пучке содержатся только первичные гамма-кванты – те, которые входили в состав пучка до его входа в поглотитель. Поэтому узкий пучок ослабляется при каждом акте взаимодействия гамма-кванта с частицами поглотителя. При поглощении гамма-квант просто исчезает, а при рассеянии он становится частью другого пучка. Закон ослабления узкого пучка описывается простой экспоненциальной формулой:

,                                                                                        (1)

где µ – это величина, не зависящая от толщины поглотителя d, а зависящая от энергии квантов E и от свойств поглотителя. Называется величина µ линейным коэффициентом ослабления гамма-излучения. Главное свойство поглотителя, влияющее на линейный коэффициент поглощения, это – плотность поглотителя ρ. Зависимость µ от ρ – прямо пропорциональная:

.                                                                                                     (2)

В этой формуле коэффициент пропорциональности µ_m – это величина, зависящая от энергии квантов E и слабо зависящая от типа ядер поглотителя. Называют µ _m массовым коэффициентом ослабления гамма-излучения. Тот факт, что массовый коэффициент ослабления практически не зависит от типа ядер поглотителя, показывает следующий пример.

Значения массового коэффициента ослабления гамма-излучения для E = 1,25 Мэв

Материал поглотителя	Алюминий	Цинк	Свинец	Железо	Медь
µ m , см2/г	0,055	0,053	0,058	0,054	0,053

 

Используя массовый коэффициент ослабления, можно записать формулу (1) в виде:

.

Произведение ρ d можно считать той же самой толщиной поглотителя, только измеренной не в единицах длины (см, мм) а в других единицах, которые называются массовыми единицами длины. Примеры массовых единиц длины: г/см², мг/см². Использование массовых единиц длины позволяет записать закон ослабления узкого пучка гамма-квантов в таком виде:

.                                                                                     (3)

Преимущество этой формулы перед (1) состоит в том, что ослабление плотности потока гамма-квантов определяется произведением µ _md двух независимых множителей: один из них µ _m – это характеристика излучения (зависит практически только от энергии квантов E), второй d – характеристика поглотителя (зависит от толщины поглотителя и его плотности).