Взаимодействие гамма-излучения с веществом.
В литературе часто встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т. д.
Гамма-излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.
Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность.
Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар.
Механизм поглощения гамма-излучения зависит от его энергии. Если энергия кванта меньше 100-200 кэВ, то наиболее вероятным механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды в которой он движется. При энергиях, больших 200 кэВ и вплоть до 100 МэВ, основным механизмом поглощения энергии гамма квантов является Комптон-эффект. Начиная с энергии гамма кванта 1,02 МэВ появляется вероятность образования электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,02 МэВ, расходуется на образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами. Наряду с процессом образования пар происходит их аннигиляция с образованием двух гамма квантов
Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).
Детекторы радиоактивного излучения
Для получения необходимой информации о радиоактивном распаде, ионизирующее излучение преобразуют чаще всего с помощью соответствующих детекторов в электрические сигналы, которые затем измеряют, сортируют и регистрируют радиометрической аппаратурой.
Дозиметр — прибор для измерения экспозиционной дозы, кермы фотонного излучения, поглощенной дозы и эквивалентной дозы фотонного или нейтронного излучения, а также измерение мощности перечисленных величин. Само измерение называется дозиметрией.
Дозиметр может включать в себя:
- один или несколько детекторов на разные типы излучения;
- съемные фильтры для оценки структуры излучения;
- систему индикации дозы;
- счётное устройство;
- контрольный источник ионизирующего излучения для калибровки детектора сцинтилляционного типа.
Детектор (индикатор) излучения – объект, позволяющий обнаружить наличие ионизирующего излучения путем непосредственного взаимодействия с веществом этого объекта.
Применяемые типы детекторов рассчитаны на регистрацию различных видов излучения (альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т. п.) в широком диапазоне их энергии. Обычно они используются для определения состава излучения и измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц.
Детекторами ионизирующих излучений могут являться различные по устройству и принципам работы датчики:
Газоразрядные детекторы ионизирующих излучений;
- ионизационная камера (прямопоказывающий индивидуальный дозиметр «ДКС-101» или «ДДГ-01Д»);
- датчики Гейгера - Мюллера (например, «бета-1» для α,β,γ-излучения или «СБМ-20» для β,γ-излучения или СНМ-50 для нейтронного излучения).
Сцинтилляционные детекторы и счетчики;
Полупроводниковые детекторы излучений;
Детекторы на основе алмаза;
Фотодиодные детекторы;
Интегрирующие детекторы для индивидуальной дозиметрии;
- фотопленочные;
- камерно-ионизационные;
- термолюминесцентные;
- радиофотолюминесцентные;
- электретные;
- трековые.
В СССР бытовые дозиметры получили наибольшее распространение после Чернобыльской аварии 1986 года. До этого времени дозиметры использовались только в научных или военных целях.
Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещённую в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.
В качестве датчиков излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Некоторые приборы снабжаются специальным фильтром, преобразующим бета-излучение в гамма-кванты за счёт тормозного излучения. Счетчики Гейгера плохо селектируют излучения по энергии, для этого используют другую разновидность газоразрядного счётчика, т. н. пропорциональный счётчик.
Принцип действия полупроводниковых датчиков ионизирующего излучения аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объём полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.
Широкое применение в науке получили сцинтилляторы. Эти приборы преобразуют энергию излучения в видимый свет за счёт поглощения излучения в специальном веществе. Вспышка света регистрируется фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляторы хорошо разделяют излучение по энергиям.
Для исследования потоков элементарных частиц применяют множество других методов, позволяющих полнее исследовать их свойства, например, пузырьковая камера, камера Вильсона.