3.4.3. Ослабление фотонного излучения

При описании прохождения параллельного пучка фотонов через слой вещества принимается, что вероятность ухода фотона из пучка в результате процессов взаимодействия одинакова в любой точке. Поэтому слой толщиной уменьшает плотность потока фотонов на величину

(3.99),

где – линейный коэффициент ослабления. Тогда

(3.100).

Сравнивая с решением уравнения переноса, данным в разделе 3.3.2, получаем, что .

Ослабление фотонного пучка обусловлено процессами поглощения (фотоэффект, образование пар) и процессами рассеяния (эффект Комптона). Вкладом когерентного рассеяния можно пренебречь. Комптоновский эффект приводит к уходу фотонов из первичного пучка, но не к полной передаче их энергии веществу. Поэтому пробег для фотонов нельзя определить. Ослабление, как правило, характеризуется толщиной половинного ослабления, определяемой аналогично уравнению (3.87) как

(3.101).

Линейный коэффициент ослабления вычисляется через сечения для фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар:

(3.102).

Уравнение (3.100) можно также представить в массовых единицах :

(3.103),

где

(3.104)

является массовым коэффициентом ослабления. Отношение

(3.105)

можно использовать для смеси различных элементов, где – массовая доля i-ой компоненты. Если полное сечение взаимодействия имеет вид

(3.106),

то массовый коэффициент ослабления

(3.107)

будет практически независимым от вещества из-за малого изменения . Сечение комптон-эффекта для отдельного электрона задается уравнением (3.28). Так как атом содержит электронов, то сечение необходимо умножить на . Поэтому приблизительно не зависит от вещества в интервале энергий от 0,5 до 3 МэВ, где преобладает эффект Комптона. Сечения для фотоэффекта и эффекта образования пар, напротив, пропорциональны соответственно и , поэтому при низких и высоких энергиях фотонов проявляет значительную зависимость от атомного номера. В таблице 3.7 сведены массовые коэффициенты ослабления для различных материалов и энергий фотонов. Энергию фотонного излучения можно определить экспериментальным определением отношения , основываясь на его энергетической зависимости.

Если суммарное отклонение рассеянных фотонов настолько велико, что они покидают вещество после одного или нескольких столкновений через плоскость, на которую они падали, то вновь образуется обратнорассеянное излучение. Обратное рассеяние фотонов в защите обсуждается в разделе 3.5.1.

Таблица 3.7

Массовые коэффициенты ослабления (см²·г^–1) как функции энергии фотонов (МэВ)

Так как при комптоновском эффекте фотоны не передают всю энергию, представляет интерес доля энергии фотонов, поглощенная в веществе. Вводится массовый коэффициент поглощения энергии

(3.108).

Здесь – суммарная кинетическая энергия всех заряженных вторичных частиц, образованных в веществе (электроны и позитроны), – энергия, и – число фотонов, падающих вертикально на слой толщиной . Вторичные частицы создают тормозное излучение, энергия которого не остается в слое .. Доля энергии вторичных частиц, теряемая в виде тормозного излучения, учитывается коэффициентом . Массовый коэффициент поглощения энергии может быть также вычислен с использованием сечений для фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар. Его значения для различных веществ и энергий фотонов представлены в таблице 3.8.

Таблица 3.8

Массовые коэффициенты поглощения энергии (см²·г^–1) как функция энергии фотонов (МэВ)