Глава 2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Первичные взаимодействия излучения с веществом

Ионизирующим называют излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Различают два вида ионизирующего излучения:

- непосредственно ионизирующее – излучение, состоящее из заряженных частиц, способных ионизировать среду;

- косвенно ионизирующее – излучение, состоящее из незаряженных частиц, способных создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения.

Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц − электронов, протонов, альфа-частиц и др., имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при непосредственном взаимодействии с атомом или молекулой. Косвенно ионизирующее излучение состоит из нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов.

Под термином «взаимодействие излучений с веществом» подразумеваются только первичные элементарные акты взаимодействия, при этом не учитывается многократное рассеяние излучения в источнике и окружающей среде.

Способы передачи энергии веществу различны. Ионизация – основной процесс передачи энергии веществу заряженными частицами с энергией до 20 МэВ. Для заряженных частиц характерна постепенная передача энергии в процессе многократного столкновения с электронами среды без значительного отклонения направления движения от первоначального. Важнейшими физическими характеристиками заряженных частиц являются линейная потеря энергии на пути единичной длины и их пробег в веществе. Для заряженных частиц с большой энергией            (> 20 МэВ) значительную роль приобретает процесс образования тормозного g-излучения.

В отличие от заряженных частиц нейтроны и g-кванты могут передавать свою энергию веществу не в процессе многократного рассеяния, а в результате одного акта взаимодействия. Они могут быть поглощены электронами или ядрами атомов при одном из первых соударений. Для g-квантов это относится к процессу их фотоэлектрического поглощения связанными электронами и эффекту образования пар, а для нейтронов – к реакциям захвата ядрами атомов.

Наряду с процессами поглощения важную роль во взаимодействии g-квантов с веществом играет некогерентное (комптоновское) рассеяние на свободных электронах, а во взаимодействиях нейтронов с веществом – упругое и неупругое рассеяние на ядрах. В этих актах происходят значительно большие, чем у заряженных частиц, потери энергии и значительно большее изменение направления рассеиваемых излучений. Поэтому для нейтронов и g-квантов более характерна не линейная, а объемная потеря энергии. Следствием больших отклонений от первоначального направления при рассеянии этих частиц является экспоненциальный характер уменьшения количества частиц в коллимированном пучке первоначального излучения.

В той области энергий, которая характерна для источников ионизирующих излучений (до 3 МэВ), сечения взаимодействия косвенно ионизирующих излучений с веществом значительно меньше, чем сечения взаимодействия заряженных частиц. Это обстоятельство обусловливает и различную проникающую способность этих двух видов излучений. Чем выше сечение взаимодействия (т.е. вероятность взаимодействия частицы с веществом), тем меньше длина свободного пробега частиц или фотонов между взаимодействиями в веществе. Наибольшей проникающей способностью обладают фотоны и нейтроны, меньшей - электроны и совсем незначительной - альфа-частицы. Таким образом, потоки g-квантов и нейтронов играют важнейшую роль в формировании доз внешнего облучения, а электроны и альфа-частицы – в формировании доз внутреннего облучения.