Основные понятия. Лекция 6. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Лекция 6. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Для анализа результатов различных экспериментов, важно знать какие процессы происходят при взаимодействии частицы с веществом мишени. Регистрация частиц также происходит в результате их взаимодействия с веществом детектора.

Взаимодействие частиц с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с частицами в веществе, передают им свою энергию, вызывая ионизацию за счет вторичных заряженных частиц. В случае гамма-квантов основными процессами, приводящими к образованию заряженных частиц являются фотоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар. Взаимодействие частиц зависит от таких характеристик вещества как плотность, атомный номер вещества, средний ионизационный потенциал вещества.

Каждое взаимодействие приводит к потере энергии частицей и изменению траектории её движения. В случае пучка заряженных частиц с кинетической энергией Е проходящих слой вещества их энергия уменьшается по мере прохождения вещества, разброс энергий увеличивается. Пучок расширяется за счет многократного рассеяния.

Между проходящей в среде частицей и частицами вещества (электронами, атомными ядрами) могут происходить различные реакции. Как правило их вероятность заметно меньше, чем вероятность ионизации. Однако реакции важны, в тех случаях, когда взаимодействующая с веществом частица является нейтральной. Например, нейтрино можно зарегистрировать по их взаимодействию с электронами вещества детектора или в результате их взаимодействия с нуклонами ядра. Нейтроны регистрируются по протонам отдачи или по ядерным реакциям, которые они вызывают.

Рассмотрим хорошо коллимированный моноэнергетический пучок частиц, проходящий через слой вещества. Свойства пучка после прохождения через вещество определяются физической природой частиц и толщиной слоя вещества. Начнем с того, что рассмотрим два предельных случая (см. рис. 6.1.).

Рис. 6.1. Прохождение хорошо коллимированного моноэнергетического пучка через слой вещества. а- каждая частица испытывает много столкновений; б- частица проходит через слой, не взаимодействуя с ним, или же поглощается данным слоем вещества.

В первом случае (вариант а) частица испытывает много взаимодействий; при каждом взаимодействии она теряет незначительное количество первоначальной энергии и рассеивается на очень малый угол. Во втором случае (вариант б) частица либо проходит через слой, не взаимодействуя с ним, либо поглощается данным слоем вещества. Первый случай имеет место, например, при прохождении тяжелых заряженных частиц через вещество, а второй соответствует поведению фотонов или нейтронов. (Электроны относятся к промежуточному случаю). Рассмотрим оба случая более детально.