Фундаментальная радиохимия
Шрифт:
Рис. 1.6. Зависимость числа n – частиц, прошедших слой поглотителя, от расстояния l, Rcp – средний пробег -частиц. Пунктиром показана производная этой зависимости.
1.4.3. Взаимодействие -излучения с веществом
1. Потери энергии -излучением. Как и -частицы, -частицы расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества, в котором распространяется излучение. Кроме того, -частицы могут терять энергию при замедлении их в поле ядер, что вызывает появление квантов электромагнитного излучения (так называемое тормозное
Линейная ионизация, создаваемая -частицами, примерно в 1000 раз меньше линейной ионизации -частиц такой же энергии. В связи с этим -частицы обладают значительно большей проникающей способностью.
2. Максимальный пробег – частиц. При взаимодействии с электронами поглощающего вещества -частицы легко рассеиваются. Их действительные траектории оказываются в 1,5–4 раза больше толщины поглощающего слоя. Пробег -частицы нельзя однозначно характеризовать длиной ее трека, как это было сделано в случае -излучения: явление рассеяния приводит к тому, что даже электроны с одинаковой начальной энергией проходят в веществе различные по протяженности пути, которые в твердом поглотителе практически невозможно определить. Дело осложняется еще наличием непрерывного спектра -излучения. Поэтому проникающую способность -излучения характеризуют значением максимального пробега– частиц Rmax. (от англ. «range» – пробег). Максимальный пробег определяется как минимальная толщина поглотителя, при которой полностью задерживаются -частицы с начальной энергией, равной максимальной энергии –спектра.
При сложном -распаде каждой максимальной энергии Emax отвечает свое значение максимального пробега Rmax. Далее будем рассматривать лишь -излучение с простым спектром, характеризующимся одним значением максимальной энергии (соответственно максимального пробега).
Для того чтобы подчеркнуть совместную роль процессов поглощения и рассеяния в уменьшении числа -частиц с ростом толщины поглотителя, обычно говорят об ослаблении– излучения веществом.
Как уже говорилось, поток -частиц содержит электроны различных энергий. Кривая ослабления моноэнергетических электронов (ослабление приближенно следует линейному закону) показана на рис. 1.7. В результате сложения множества кривых ослабления, соответствующих моноэнергетическим электронам со всевозможными энергиями от нулевой до максимальной энергии -спектра (Emax), можно получить кривую ослабления -частиц, подобную приведенной на рис. 1.8.
3. Определение максимального пробега. Связь между пробегом и энергией – частиц. Рассмотрим простейший метод определения максимального пробега. Между -радиоактивным препаратом и детектором, регистрирующим излучение, помещают различное число пластинок поглотителя. В качестве поглощающего материала обычно употребляется алюминий. В процессе работы отмечают показания прибора, регистрирующего -частицы, при различных толщинах поглощающего слоя. По полученным данным строят кривую ослабления в полулогарифмическом масштабе (кривая на рис. 9). Максимальный пробег чаще всего выражают не в единицах толщины поглотителя (см), а в граммах вещества, приходящегося на один квадратный сантиметр поверхности поглотителя (г/см2), так называемая массовая толщина. Поэтому по оси абсцисс на рис. 1.9. отложена толщина поглотителя d, выраженная в граммах на квадратный сантиметр. ln I – логарифм показаний прибора без вычета фона (кривая 1) и за вычетом фона (кривая 2); Rmax – максимальный пробег -частиц. Максимальному пробегу -частиц отвечает такая толщина поглотителя, начиная с которой дальнейшее увеличение поглощающего слоя не приводит к снижению регистрируемого прибором
Рис. 1.9. Кривые ослабления -излучения в полулогарифмических координатах: 1– без вычета фона, 2– с вычетом фона.
Связь максимального пробега в алюминии с максимальной энергией -спектра хорошо изучена. Значения максимального пробега для различных энергий -частиц приведены в специальных таблицах (см, табл. 3). Кроме того, для разных интервалов энергии -частиц предложено большое число эмпирических формул вида
Rmax=f (Emax) или Еmax =f (Rmax).
Использование графиков и таблиц значительно облегчает определение максимального пробега (максимальной энергии). При этом часто оказывается необходимым найти такие значения Rmах (или Emax) которые лежат в промежутках между значениями, приведенными в таблицах. Для этого прибегают к интерполяции табличных данных Ошибки интерполяции могут довольно сильно исказить результаты, особенно в области низких значений Emax. To же самое может иметь место при использовании графиков.
Оценить максимальный пробег -частиц можно также путем измерения слоя половинного ослабления -излучения. Слоем половинного ослабления– излучения d1/2 называют толщину поглотителя, снижающую вдвое начальное (за вычетом фона) число частиц. На рис. 1.9, где показано определение величины d1/2, кривые ослабления без вычитания фона и с вычетом фона на начальном участке совпадают. Для -частиц с Еmax > 0,6 МэВ (Rmax > 0,22 г/см2) величина d1/2 связана с Rmax приближенным соотношением:
Rmax=7,2 d1/2 .
Значения d1/2 в зависимости от максимальной энергии -спектра приведены в табл.3.
Таблица 3.
Максимальные пробеги Rmax, слои половинного ослабления и массовые коэффициенты ослабления – излучения в алюминии
Зная максимальный пробег -излучения или слой половинного ослабления, можно идентифицировать неизвестный радионуклид, так как эти величины связаны с такой важной его характеристикой, как максимальная энергия -спектра. Однако значения Rmax и d1/2 могут быть определены достаточно точно и просто лишь для радионуклидов с простым -распадом, не сопровождающимся испусканием -квантов.
Если -распад сопровождается -излучением, то для определения максимального пробега применяются более сложные и трудоемкие методы. Путем исследования ослабления -излучения вообще нельзя анализировать сложные схемы распада, включающие несколько групп -частиц с близкими значениями максимальных энергий. По этим причинам методы, основанные на изучении ослабления, все реже применяются для идентификации -излучателей, уступив место более точным методам ядерной спектроскопии.
4. Экспоненциальная формула для ослабления – частиц. Массовый коэффициент ослабления. На среднем участке кривые ослабления -частиц приблизительно следуют экспоненциальному закону (cм. рис. 1.8). Форма начальных участков кривых зависит от расстояния между источником излучения и детектором ядерных частиц, что определяется рассеянием -частиц. При относительно больших толщинах поглотителя наблюдается отклонение от экспоненциальной зависимости, поскольку -излучение имеет конечный пробег в веществе.