1. Гамма -излучение радиоактивных веществ
- Гамма- излучение возникает при возбуждении ядра при бета-распаде некоторых радиоактивных веществ, при захвате нейтрона, при соединении позитрона с электроном, а также при явлении внутренней конверсии.
Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10-15 эВ.сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн: ν·λ = с (с – скорость света).
Частота гамма-излучения (> 3·1018 Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц.
. Энергия гамма-излучения различных изотопов различна и варьирует от 0,1 до 2,6 МэВ. Проникающая способность гамма-излучения большей энергии очень велика, оно полностью поглощается свинцом толщиной 15 см. Гамма-кванты с энергиями от нескольких кэВ до нескольких МэВ рождаются и поглощаются во множестве различных процессов. В переходах возбужденных ядер в состояния с меньшей энергией излучаются Y-кванты. Атомные ядра могут оказаться в возбужденных состояниях как в результате ядерных реакций, так и при альфа- и бетта-распадах. На данном принципе построены Y-источники, которые представляют собой альфа- или бетта-излучатели, распадающиеся на различные возбуждённые состояния. Кванты от таких источников имеют строго
определённые энергии (монохроматические Y-кванты)
Рис. 1. схема распада Cs137.
Другим источником Y-квантов может быть тормозное излучение электронов. При этом излучаются Y-кванты различных энергий вплоть до граничной энергии генерирующей излучение частицы.
При прохождении Y-излучения через вещество, в результате их взаимодействия с атомами и ядрами вещества, происходит ослабление интенсивности пучка Y-квантов. Для Y-квантов с энергией примерно до 10 МэВ основными факторами ослабления пучков является взаимодействие с атомными электронами. К числу основных механизмов взаимодействия Y-квантов с веществом относятся:
- фотоэффект, при котором из атома выбивается электрон, а Y-квант поглощается;
- эффект Комптона — рассеяние Y-квантов на свободном электроне, под «свободным» подразумевается электрон, энергия связи которого много меньше энергии первичного Y-кванта. При эффекте Комптона в конечном состоянии наблюдается электрон и вторичный фотон с более низкой энергией.
- эффект образования пар — наблюдается при энергии фотонов выше 1 МэВ'а (более точно — 1.022 МэВ, т.е. 2 массы покоя электрона).
Взаимодействие фотонов с ядром при данных энергиях пренебрежимо мало из-за низкой вероятности этого процесса.
Для получения основных характеристик вылетающих Y-квантов необходимо прежде всего измерение их энергетического спектра. Одним из способов измерения энергетического спектра гамма излучения является сцинтилляционный метод.
1.2 Сцинтилляционный метод является в настоящее время одним из наиболее распространенных способов регистрации и спектрометрии ядерных излучений. Сцинтилляционные детекторы широко используются в ядерной физике для изучения спектров излучений радиоактивных нуклидов, для измерения времен жизни возбужденных состояний атомных ядер, для исследования космического излучения как в наземных лабораториях, так и на спутниках Земли, и для решения многих других задач. С помощью сцинтилляционного метода было сделано, например, такое важное открытие, как обнаружение нейтрино. Широкое применение сцинтилляционная техника нашла и в других отраслях науки: геологии (активационный анализ, поиски полезных ископаемых, определение возраста пород), биологии, медицине, изучении свойств твердого тела. Сцинтилляционная техника нашла широкое применение и в производстве: дефектоскопия, различного вида бесконтактные толщиномеры и плотномеры, сигнальные устройства и т. д. Развитие сцинтилляционного метода стимулировало изучение люминесцентных процессов. Широкое использование сцинтилляционных детекторов объясняется такими
их свойствами, как:
- высокая эффективность регистрации (сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaJ регистрирует 20-40% от числа попадающих на него -квантов с энергией 660 кэВ, в то время как счетчик Гейгера-Мюллера в тех же условиях регистрирует лишь 0,5% попавших на него квантов);
- высокая временная разрешающая способность (10−7 -10−9 с);
- способность измерять энергии частиц и квантов (с точностью до нескольких процентов);
- относительная простота аппаратуры.
К числу недостатков сцинтилляционного метода следует отнести сравнительно низкую разрешающую способность по энергии (8-10% при энергии -квантов 660 кэВ) и сложность обработки спектров, полученных на сцинтилляционном спектрометре. Даже в простейшем случае, когда нуклид излучает γ-кванты одной энергии, спектр имеет довольно сложный вид. Однако для решения многих научных и прикладных задач указанные недостатки не являются существенными.