Закон поглинання випромінювання

Потоки заряджених частинок, нейтронів та γ-квантів мають спільну назву – іонізуючі випромінювання. При розповсюдженні в речовині такі частинки, втрачаючи свою енергію на іонізацію та збудження атомів та молекул, поступово поглинаються речовиною. Процеси поглинання іонізуючих частинок дуже різноманітні і в значній мірі залежать як від характеристик частинок – енергії, маси, наявності електричного заряду, так і від характеристик поглинаючої речовини – атомного складу, агрегатного стану тощо.

α-Частинки внаслідок великої маси танаявності електричного заряду дуже швидко втрачають енергію при електромагнітних взаємодіях з ядрами та електронами атомів речовини. Тому максимальні пробіги α-частинок не перевищують кількох сантиметрів у повітрі та 0,1 мм у рідких або твердих матеріалах, а також у біологічних тканинах.

β-Частинки, в залежності від енергії, мають пробіги до кількох метрів у повітрі та кількох сантиметрів у конденсованих середовищах та біологічних тканинах.

γ-Кванти внаслідок відсутності електричного заряду та маси спокою мають найбільшу проникна здатність. Середні пробіги γ-квантів у повітрі ~ 100 м, а у конденсованих середовищах та біологічній тканині до 10 – 15 см.

В роботі з радіоактивними джерелами часто виникає потреба розраховувати поглинання іонізуючого випромінювання різними матеріалами. Детальні розрахунки поглинання різних видів випромінювання в тому чи іншому матеріалі досить складні. Але для наближених оцінок поглинання β- та γ-випромінювання можна користуватися спрощеною формулою, яка називається законом поглинання.

Виведення закону поглинання ґрунтується на тих самих міркуваннях, що і виведення закону радіоактивного розпаду (див. розділ 1.4).

Будемо розглядати вузький пучок моноенергетичних частинок, що падає нормально на поверхню однорідної речовини (поглинача). Спрямуємо координатну вісь Х в напрямку руху частинок, а початок відліку координат (х = 0) виберемо на поверхні. При такому способі відліку координата х> 0 буде показувати відстань від поверхні поглинача до точки, розташованої у глибині поглинача.

Якщо прийняти, що на поверхню поглинача падає щосекунди N₀ частинок, то на глибині х від поверхні потік частинок внаслідок поступового поглинання зменшиться і становитиме N(x) частинок за секунду. Залежність N(x)і називають законом поглинання. Знайдемо цю залежність.

Частинки випромінювання поглинаються в речовині незалежно одна від одної і передбачити, на якій саме глибині відбудеться поглинання даної частинки, неможливо. Можна лише говорити про ймовірність поглинання частинок на даній глибині. Це означає, що поглинання частинок відноситься до статистичних явищ. Позначимо через m ймовірність поглинання частинки на одиничній відстані в даній речовині. Величина m, яку називають лінійним коефіцієнтом ослаблення, залежить від енергії частинок і складу речовини поглинача. Для моноенергетичних частинок і однорідної речовини коефіцієнт поглинання можна вважати сталим. Зменшення числа частинок в тонкому шарі dx,розташованому на відстані хвід поверхні поглинача, тобто в інтервалі від х до х + dx, пропорційно коефіцієнту поглинання m, товщині поглинаючого шару dx та загальній кількості частинок N(x),які досягли глибини х, уникнувши поглинання:

.

Інтегруючи це рівняння і враховуючи граничну умову N(0) = N₀, дістанемо закон поглинання:

(10, а)

або

, (10. б)

де – товщина матеріалу, при якій інтенсивність випромінювання зменшується в еразів. Ця величина називається середньою довжиною пробігу частинок в речовині або довжиною релаксації.

Лінійний коефіцієнт ослаблення прямо пропорційно залежить від густини rматеріалу поглинача. Тому часто поряд з m користуються масовим коефіцієнтом ослаблення μ_m:

. (11)

При даній енергії частинок коефіцієнт m_m має приблизно однакові значення для різних матеріалів.

Ще однією зручною характеристикою поглинача є шарполовинного ослаблення _½ – товщина шару поглинача, при якій потік випромінювання внаслідок поглинання зменшується удвічі. Коефіцієнт ослаблення μ зв’язаний з величиною _½ співвідношенням:

, (12)

(порівняйте з формулою (7) і поясненнями до неї).

Установка з малим фоном УМФ-1500 М складається з двох частин – рухомої та нерухомої. На нерухомій частині розміщені електронна схема лічильного пристрою з високовольтним джерелом живлення детекторів (лічильників) та кронштейн з закріпленими на ньому підставкою для радіоактивних препаратів і блоком детекторів. Рухома частина являє собою захисний свинцевий контейнер (екран), який в робочому положенні оточує з усіх боків підставку з препаратом та детекторами. В комплект установки входить також перелічувальний прилад ПП-16. Для реєстрації β-частинок використовуються лічильники Гейгера – Мюллера, які відносяться до електронних газорозрядних детекторів. Металевий циліндричний тонкостінний корпус лічильника служить катодом. Анодом служить тонка металева нитка, розташована всередині, вздовж осі катода, яка вводиться у внутрішній простір лічильника через герметичні ізолюючі пробки. Лічильник заповнюють газовою сумішшю до тиску 100 – 200 мм. рт. ст. При робочій напрузі (~ 300 – 700 В) між електродами лічильника створюється сильно неоднорідне електричне поле, напруженість якого різко зростає при наближенні до анода. Газ, що заповнює лічильник, сам по собі не проводить електричного струму. Але при попаданні всередину лічильника іонізуючої частинки в газі утворюються вільні електрони (первинна іонізація), які під дією електричного поля починають рухатись до анода. Поблизу нитки анода напруженість електричного поля зростає настільки, що первинні електрони, прискорюючись полем, починають в свою чергу іонізувати молекули газу (вторинна іонізація). По мірі наближення до анода число електронів лавиноподібно зростає. Виникає коронний розряд, який поширюється вздовж нитки. В момент виникнення розряду в електричному колі лічильника проходить імпульс струму або напруги, який фіксується перелічувальним приладом, – лічильник спрацьовує.