Взаємодія гамма-квантів із речовиною. Взаємодія γ-квантів з речовиною Типи взаємодії гама квантів з речовиною

Взаємодія у-квантів з речовиною суттєво відрізняється від взаємодії а- та р-частинок. У той час як заряджені частинки передають свою енергію електронам атомів при багаторазових процесах зіткнення, у-кванти віддають всю або принаймні більшу частину своєї енергії при одноразовій взаємодії. Однак це взаємодія дуже мало, так що у-кванти мають більшу проникаючу здатність, ніж заряджені частинки.

При проходженні через речовину у-кванти взаємодіють з електронами та ядрами, в результаті їх інтенсивність зменшується. До втрат енергії у-випромінювання наводять процеси, пов'язані з фотоефектом, комптонівським розсіюванням електронів у речовині та утворенням електрон-позитронних пар. Вклад кожного процесу в ослаблення у-випромінювання залежить від енергії у-квантів ядерного випромінювання та параметра Zречовини-поглинача.

Імовірність втрати енергії в процесі фотоефекту та комптонівського розсіювання знижується зі зростанням енергії у-випромінювання, а ймовірність утворення електрон-позитронних пар зростає (починаючи з енергії 1,02 МеВ) з підвищенням енергії у-кванта. Імовірність втрати енергії у -квантів зі зростанням параметра Zпропорційна Z -для комптонівського

розсіювання, Z 2 - для процесів утворення електрон-позитронних пар та Z* - для процесів фотоефекту. Зі зростанням параметра Zі енергії у-випромінювання ймовірність процесів збільшується у ряду: фотоефект - комптонівське розсіювання - виникнення електрон-позитронних пар.

Рис. 8. Різні механізми взаємодії випромінювання з речовиною.

У галузі енергій до ю МеВ найбільш істотними процесами є фотоефект, ефект Комптона та утворення електрон-позитронних пар. При енергії у-квантів більше Ю МеВ перевищується поріг фотоядерних реакцій і в результаті взаємодії фотонів з ядрами стають можливі реакції типу (у, р), (у, п), (у, а). Перетину фотоядерних реакцій у галузі енергій до юо МеВ становлять 1% повного перерізу взаємодії у-квантів з атомом. Фотоядерні реакції доводиться враховувати у процесах перетворення фотонного випромінювання в речовині, так як вторинні заряджені частинки, такі як протони та

а-частинки можуть створювати високу щільність іонізації.

Рис. 9. Фотоефект

Фотоефект - явище, пов'язане із визволенням електронів твердого тіла (або рідини) під дією електромагнітного випромінювання.

При опроміненні речовини гамма-випромінюванням фотоефектом називається така взаємодія у-кванта з атомом, при якому у-квант поглинається (зникає), а з атома виривається електрон. Одна частина енергії у- кванта Е (витрачається на розрив зв'язку електрона з ядром 8е-, інша частина перетворюється на кінетичну енергію електрона Її -

Таким чином, при фотоефект частина енергії первинного у-кванта перетворюється в енергію електронів (фотоелектрони і електрони Оже), а частина виділяється у вигляді характеристичного випромінювання.

Після вильоту фотоелектрона у атомній оболонці утворюється вакансія. Перехід менш пов'язаних електронів на вакантні рівні супроводжується виділенням енергії, яка може передаватися одному) з електронів верхніх оболонок атома, що призводить до його вильоту з атома (ефект Оже).

Фотоефект відбувається тільки тоді, коли енергія у-кванта більша за енергію зв'язку електрона в оболонці атома. Фотоелектрон рухається майже перпендикулярно до напряму поширення поглиненого у-кванта. Фотоелектричне поглинання у-квантів збільшується зі зростанням зв'язаності електронів в атомі. Фотоефект практично не спостерігається на слабко пов'язаних електронах атома. При енергії у-кванта Е 1 >>е е -електрони вважатимуться вільними. Такий електрон не може поглинати уквант. Це випливає із законів збереження енергії та імпульсу:

З другого рівняння випливає, що вільний електрон, поглинувши уквант, повинен був би рухатися зі швидкістю, вдвічі більшою за швидкість світла, чого не може бути.

Фотоефект в основному відбувається на К-та L-оболонках атомів. Лінійний коефіцієнт ослаблення фотоефекту різко зменшується зі збільшенням енергії, і при енергіях понад ю МеВ у свинці фотоелектрони практично не виникають.

На слабо пов'язаних атомних електронах відбувається розсіювання у-квантів, зване комптон ефектом.Взаємодія у-кванта з електроном у комптон-ефекті представляється як зіткнення двох пружних кульок з масами ... _^і тобто.

у с 2

Ефект Комптону - пружне розсіювання електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського та виліку вання) на вільних електронах, що супроводжується збільшенням довжини хвилі Л. Цей ефект протиріччі i класичної теорії, за якою за такого розсіювання А має змінюватися. Ефект Комптона підтвердив правильність квантових уявлень про електромагнітне випромінювання як про потік фотонів. Його можна розглядати як пружне зіткнення двох частинок: фотону та електрону, при якому фотон передає електрону частину своєї енергії (і імпульсу), внаслідок чого його частота зменшується, а Л збільшується.

Ефект комптона зворотний - пружне розсіювання на електронах високої енергії, що призводить до збільшення енергії (частоти) фотонів (зменшення довжини хвилі).

Комптонівська довжина хвилі - величина, що має розмірність довжини та вказує область прояву релятивістських квантових ефектів. Для частинки маси т комптонівська довжина хвилі Ao=h/mc, де h - стала Планка, з - швидкість світла. Для електрона Ло=3>86'Ю" та см, для протона Ло=2,Ю10Ч див.

Оже-ефект - ефект автоіонізації атома, що протікає у два етапи:1) утворення вакансії (видалення електрона) в одній із внутрішніх оболонок атома при його опроміненні (наприклад, швидкими електронами); 2) заповнення цієї вакансії електроном однієї з вищележачих оболонок цього ж атома і одночасний виліт іншого електрона (оже-електрона) з цієї або ще більш високолежачої оболонки. По енергії оже-електронів можна встановити електронну структуру атомів, що беруть участь в оже-ефекті.

У разі ефекту Комптона частина енергії у-кванта перетворюється на кінетичну енергію електронів віддачі, а частина енергії забирає розсіяний фотон. Імовірність розсіювання у-квантів у разі ефекту Комптону залежить від щільності атомних електронів n e ~Z.Розсіювання у-квантів відбувається головним чином на слабозв'язаних електронах зовнішніх оболонок атомів. При цьому лінійний коефіцієнт ослаблення комптон-ефекту пропорційний відношенню Z/E rТому зі збільшенням енергії частка розсіяних у-квантів зменшується.

Комптонівське розсіювання можна описати законами класичної фізики. Енергія у-кванту

Оскільки кут розсіювання вможе мати різні значення, то енергія, що передається електрону, буде різною. Електрони, що вибиваються в процесі ефекту Комптону, мають суцільний енергетичний спектр.

У разі важких ядер комптон-ефект починає переважати над фотоефектом у сфері енергій Е (> 24-3 МеВ (у свинці комптон ефект переважає над фотоефектом при енергіях вище 0,5 МеВ). Комптон-ефект слабше залежить від енергії Е (у порівнянні з фотоефектом. Тому їм можна знехтувати лише в галузі енергій Е у >юМеВ, ​​де стає суттєвим ефект утворення електрон-позитронних пар (при енергіях вище 50 МеВ комптон-ефект завжди можна знехтувати).

Гамма-квант у полі ядра може утворити пару частинок: електрон та позитрон (рис. і). Вся енергія у-кванта перетворюється на енергію спокою електрона і позитрона. т е з 2та їх кінетичні енергії Її -і Е е+ .

Народження пар - зворотний анігіляції процес, в якому виникають пари частинка-античастинка.

Анігіляція - реакція перетворення частинки та античастинки при їх зіткненні на будь-які інші частинки, відмінні від вихідних. Типовою є анігіляція електрон-позитронної пари. При низьких енергіях, що стикаються електрона і позитрона, а також при анігіляції їх пов'язаного стану - позитрон - реакція анігіляції дає два або три фотони, залежно від орієнтації спинів електрона і позитрона. При енергіях порядку кількох МеВ стає можливим і багатофотонна анігіляція електрон-позитронної пари. При енергіях порядку сотень МеВ у процесі анігіляції електрон-позитронної пари народжуються переважно адрони. Відома також анігіляція протон-антипротонної та нейтрон-антинейтронної пар.

Для появи пари частинок закон збереження енергії вимагає, щоб енергія, витрачена у цьому процесі, перевищувала подвоєну масу частки: Е р = 2тс 2 .Мінімальна енергія Єр>необхідна народження пари даного типу, називається порогом народження пар. Крім того, для народження пари потрібне виконання інших законів збереження. Так, законом збереження імпульсу заборонено народження у вакуумі електрон-позитронної пари одним фотоном, оскільки одиничний фотон у будь-якій системі відліку несе кінцевий імпульс, а електрон-позитронна пара у своїй системі центру мас має нульовий імпульс. У полі ядра імпульс та енергія у-кванта розподіляються між електроном, позитроном та ядром без порушень законів збереження енергії та імпульсу. Маса ядра незрівнянно більша за масу електрона і позитрону, тому ядро ​​отримує зневажливо малу частку енергії, а вся енергія у-кванта передається електрону і позитрону.

Рис. 11.

У разі утворення електрон-позитронних пар баланс енергії має такий вигляд (закон збереження енергії):

де Її -і Е е+кінетичні енергії електрона та позитрона.

Лінійний коефіцієнт ослаблення випромінювання за механізмом утворення пар пропорційний Z 2/E rЦей ефект помітний у важких речовин при великих енергіях. Коефіцієнт стає відмінним від нуля при пороговій енергії? = 1.02 МеВ. В галузі енергій Е. (>юМеВ основну роль ослабленні пучка у-квантів грає ефект освіти пар, у своїй основне поглинання у-квантів відбувається у полі ядра.

У всіх трьох процесах взаємодії первинного фотона з речовиною частина енергії перетворюється на кінетичні енергії електронів і позитронів, а частина - на енергію вторинного фотонного випромінювання.

Розглянемо ослаблення паралельного моноенергетичного пучка у-квантів у плоскій мішені. Нехай на поверхню мішені перпендикулярно до неї падає потік у квантів. J0.Ослаблення пучка радіації в речовині викликається поглинанням та розсіюванням у-квантів. Розсіяний квант втрачає частину своєї енергії при зіткненні з електронами і змінює напрямок свого поширення. На відстані хвід зовнішньої поверхні потік у-квантів послаблюється до величини J(x).У тонкому шарі мішені завтовшки ch: з потоку вводиться d Jу-квантів. Величина d/ пропорційна потоку J(x)на поверхні шару та товщині шару dx:

Знак мінус у правій частині рівняння показує, що у шарі потік зменшується на d/у-квантів. Перепишемо рівняння у вигляді:

Коефіцієнт пропорційності ц називають повним лінійним коефіцієнтом ослаблення випромінювання. Він має розмірність см-1 і чисельно дорівнює частці моноенергетичних у-квантів, що вибувають із паралельного пучка на одиниці шляху випромінювання в речовині.

Поглинання у-квантів так само, як p-часток, відбувається за експонентним законом:

проте для поглинання у-квантів цей закон дотримується суворо.

У цьому рівнянні р = т + е + т - лінійний коефіцієнт ослаблення у разі фотоефекту е -лінійний коефіцієнт ослаблення для комптон-ефекту, х - лінійний коефіцієнт ослаблення у разі ефекту утворення пар. Чисельні значення т, про х табульовані.

Лінійний коефіцієнт фотопоглинання можна записати у вигляді:

де т е - характеризує частину коефіцієнта поглинання, що призводить до перетворення первинної енергії фотона на кінетичну енергію електрона. T s - характеризує перетворення енергії первинних фотонів на енергію характеристичного випромінювання.

Лінійний коефіцієнт фотоелектричного поглинання пропорційний відношенню:

Величина т різко зменшується зі зростанням енергії і при Е (>ю МеВ фотоелектрони практично не утворюються.

У разі ефекту Комптона частина енергії у-кванта перетворюється на кінетичну енергію електронів віддачі, а частина енергії забирає розсіяний фотон. Аналогічно "фотоефекту" лінійний коефіцієнт комптонівської взаємодії можна представити у вигляді:

де е е і?$ мають той самий сенс, що т е і т я у разі фотоефекту.

Імовірність розсіювання у-квантів у разі ефекту Комптон залежить від щільності атомних електронів п е – Z.Лінійний коефіцієнт ком-

птонівського розсіювання г - Z/E. rТому зі збільшенням енергії число розсіяних у-квантів зменшується.

Рис. 12. Крива ослаблення у-випромінювання в речовині: а - нормальний масштаб; б – логарифмічний масштаб.

Якщо через х позначити лінійний коефіцієнт ефекту утворення пар, то частина коефіцієнта Хе> характеризує перетворення енергії первинного фотона на кінетичну енергію електрона та позитрону, визначається співвідношенням:

Лінійний коефіцієнт ефекту утворення пар у= Z 2 E r

В області енергій? 10 МеВ основну роль в ослабленні пучка у-квантів грає ефект утворення пар.

Таким чином, у всіх трьох процесах взаємодії первинного фотона з речовиною частина енергії перетворюється на кінетичні енергії електронів та позитронів, а частина - на енергію вторинного фотонного випромінювання.

Речовини з однаковими ефективними порядковими номерами мають рівні масові коефіцієнти ослаблення. Так, масові коефіцієнти ослаблення води, кисню, азоту, повітря, вуглецю та живої

тканини мало відрізняються одна від одної, тому що їх ефективні порядкові номери близькі за величиною.

Рис. 13. Залежність товщини шару свинцю, при якій інтенсивність випромінювання зменшується наполовину, від енергії випромінювання.

Середня відстань, що проходить фотоном в речовині до взаємодії з ним, називається середньою довжиною вільного пробігу і i/ц. Проникаюча здатність улучвй характеризується товщиною шару поглинача (в г/см 2), при якій інтенсивність випромінювання зменшується наполовину. Цю величину називають товщиною шару напівпоглинання, Ai/2=o,693/p. При семиразовій (стосовно шару напівпоглинання) товщині бар'єру інтенсивність зменшується до 1% від початкового значення, за десятикратної - до 0,1%.

Повний лінійний коефіцієнт ослаблення залежить від щільності, порядкового номера речовини, а також від енергії квантів:

Вклад кожного з трьох процесів (фотоефект, комптон-ефект та утворення пар) у загальний процес поглинання випромінювання речовиною залежить від енергії у-квантів та порядкового номера поглинача.

Рис. 14. Відносна роль трьох ефектів поглинання фотонів: а - область переваги фотоелектричного ефекту; б - область переважання комптонівського ефекту; в - сфера переважання ефекту утворення пар.

На рис. 14 показані області енергії у-квантів, в яких переважає той чи інший процес поглинання фотонів. У точках лівої кривої комптон-ефект дорівнює фотоефекту, у точках правої кривої комптон-ефект дорівнює ефекту" утворення пар. Фотоелектричне поглинання - основний процес зменшення інтенсивності у-випромінювання у важких елементах при малій енергії легені речовини основним видом взаємодії буде комптонівське розсіювання.

Енергетичні залежності коефіцієнтів поглинання т, проі х від енергії у-випромінювання для алюмінію та свинцю представлені на рис. 15. Зі зростанням енергії коефіцієнт т різко зменшується, величина коефіцієнта азнижується, але повільніше, ніж т, коефіцієнт утворення пар зростає із підвищенням енергії, починаючи з 1,02 МеВ. Зі зростанням атомного номера речовини поглинача фотоефект зростає пропорційно Z*, комптон-ефект – пропорційно Z, ефект утворення пар – пропорційно Z 2 .

Рис. 15.

Табл. 3. Інтервали енергій фотонів, у яких один із процесів взаємодії є переважним.

У свинці повний лінійний коефіцієнт ослаблення зі збільшенням енергії спочатку зменшується, приймаючи мінімальне значення при енергії з МеВ, а потім збільшується. Такий хід кривий пояснюється тим, що при низьких енергіях (

Повний лінійний коефіцієнт ослаблення у-випромінювання часто поділяють на дві складові:

де ц е = т + у, p s =? - Лінійний коефіцієнт розсіювання.

Коефіцієнт [Хсназивають коефіцієнтом істинного поглинання чи коефіцієнтом електронного перетворення. Він визначає частку енергії у-випромінювання, передану електронам та позитронам у шарі речовини. Лінійний коефіцієнт розсіювання, p s визначає долю енергії у-випромінювання, перетворену в енергію вторинного у-випромінювання.

Використовуючи лінійний коефіцієнт поглинання, легко розрахувати енергію випромінювання Е,поглинену в одиниці обсягу речовини. Якщо потік моноенергетичних у-квантів з енергією Є удорівнює Ф, то:

Якщо точкове джерело у-випромінювання знаходиться у вакуумі, то щільність потоку у-випромінювання Jзмінюватиметься зі зміною відстані Rдо джерела за законом:

Якщо точкове джерело у-випромінювання поміщено в речовину, то на ослаблення щільності потоку моноенергетичних у-квантів впливає і взаємодія з речовиною, і збільшення відстані:

Це співвідношення не враховує внесок у інтенсивність розсіяного випромінювання. Розсіяні у-кванти після багаторазових зіткнень із електронами можуть вийти з речовини. У якусь точку, розташовану після захисного шару, потрапляють як первинні, і розсіяні у-кванты. Тоді гпптнпшрнір (qqI ППННММЯРТ Run -

Величина Вназивається фактором накопичення. Вона зазвичай визначається експериментально.

Фактор накопичення випромінювання - величина, що показує у скільки разів дана характеристика поля для розсіяного та нерозсіяного випромінювання більше,чол * тільки для нерозсіяного. Залежить від характеристик джерела, (геометрії, кутового розподілу та енергетичного складу), характеристик захисту (геометрії та товщини захисту, атомного номера матеріалу середовища), взаємного розташування джерела, захисту та детектора тощо.

Шляхи пробігу у-квантів у повітрі вимірюються сотнями метрів, у твердій речовині – десятками сантиметрів і навіть метрами. Проникаюча здатність у-випромінювання збільшується зі зростанням енергії у-квантів і зменшується зі збільшенням щільності речовини-поглинача.

Поряд із розглянутими вище видами взаємодії у-квантів з речовиною при високих енергіях можуть відбуватися також ядерні реакції, головним чином (у,п) реакції. Ці реакції мають невеликі перерізи і практично не впливають на інтенсивність у-випромінювання.

Лекція 10 "Взаємодія гамма-квантів з речовиною" 1. Процеси взаємодії гамма-квантів 2. Фотоефект 3. Характеристики перерізу фотоефекту 4. Перетин фотоефекту 5. Напрямок вильоту електрона 6. Комптон-ефект 7. Перетин комптон-ефекту на електроні 8. комптон-ефекту на протоні

Процеси взаємодії гамма-квантів Е/м взаємодія гамма-квантів: -фотоефект; - пружне розсіювання на електронах (комптон-ефект); - Народження пар частинок. Процеси відбуваються у сфері енергій ке. В – сотні Ме. В, які найчастіше використовуються у прикладних дослідженнях. Розглянемо залежність від енергії Еγ та характеристик речовини Зв'язок між енергією γ-кванта та його довжиною хвилі:

Фотоефект - це процес вибивання електрона з нейтрального атома, під дією гамма-кванта ні. Значить При фотоефекті електрон отримує енергію Ii – потенціал іонізації ТА-кінетична енергія іона

Характеристики перерізу фотоефекту Фотоефект можливий, якщо енергія γ-кванта більша за потенціал іонізації (K, L, M…-оболонки) Якщо Еγ

Перетин фотоефекту Якщо енергія γ-кванта менша за потенціал іонізації самої зовнішньої оболонки, то перетин фотоефекту дорівнює нулю. Інший граничний випадок - якщо енергія γкванта дуже велика (Еγ >> I), то можна вважати, що електрон вільний, а на вільних електронах фотоефект не можливий. Зі зростанням енергії переріз асимптотично прагне до нуля. В області енергій потенціалів іонізацій оболонок (Еγ = Ii) перетин зазнає стрибків На відрізку перетин на М-оболонці падає, оскільки зменшується зв'язаність електрона на цій оболонці по відношенню до енергії гамма-кванту, тоді як фотоефект з L-оболонки ще енергетично заборонено .

Перебіг фотоефекту Вплив сильної зв'язаності електрона в атомі на переріз фотоефекту відображається в статечній залежності від заряду ядра Квантово-механічний розрахунок вимагає знання функцій атомних електронів на різних оболонках mc 2 Де Перетин томсонівський переріз розсіювання швидко падає

Напрямок вильоту електрона Якщо пучок гамма-квантів потрапляє на атоми, то електрони, що вибиваються, вилітають переважно в напрямку, перпендикулярному імпульсу фотонів уздовж вектора електричного поля хвилі. Тож. кутовий розподіл фотоелектронів для невеликих енергій Фотоефект - основний процес поглинання фотонів при невисоких енергіях. Особливо ефективним є поглинання на важких атомах.

Комптон-ефект: енергія розсіяного фотона Пружне розсіювання γ-кванта високої енергії на атомному електроні Енергія кванта набагато більша за потенціал іонізації Еγ >> I ; електрон можна вважати вільним У цьому процесі γ-квант з енергією (хвиля -) при розсіянні З'ясуємо, як залежить енергія розсіяного кванта від кута розсіювання виявляв властивості частки () Збереження 4 -імпульсів Отримуємо залежність енергії розсіяного γ-кванта на кут у вигляді

Комптон-ефект: енергія розсіяного електрона Енергія розсіяного електрона в залежності від кута його розсіювання зв'язок кутів розсіяних частинок: електрона та γ-кванта і При високій енергії виходить спрощене вираження для енергії розсіяних гамма-квантів Енергія гамма-кванта після розсіювання не залежить від Для електрона Наприклад, при розсіюванні назад () завжди енергія Такий результат – прояв корпускулярних властивостей гамма-кванту

Перетин комптон-ефекту на електроні Для енергій фотонів відповідають довжини хвиль в області При низьких енергіях (Е

Переріз комптон-ефекту на протоні Чи можливий комптон-ефект на протоні? Якісний розгляд вказує, щоб провзаємодіяти, гамма-квант повинен "потрапити в електромагнітний майданчик" мішені, що характеризується довжиною комптонівської хвилі частинки. Звідси знаходимо відношення Видно, що комптон-ефект на протонах можна знехтувати. Аналогічний висновок виходить з точних формул для перерізу шляхом заміни величини значення у разі розсіювання на протоні. При взаємодії гамма-квантів з речовиною проявляються квантово-механічні властивості мікрооб'єктів.

«Народження електрон-позитронних пар та поглинання гамма-квантів» 1. Народження пар частинок 2. Позитрони 3. Порогова енергія 4. Аналіз формули для порога народження пар 5. Перетин народження пар частинок 6. Графік перерізу народження пар 7. Поглинання γ-квантів у речовині 8. Ослаблення пучка гамма-квантів 9. Каскадні зливи

Народження пар частинок Утворення електрон-позитронної пари частинок відбувається при взаємодії гамма-кванту (високої енергії) у кулонівському полі ядра масою. Практично вся енергія гамма-кванту передається е-е парі частинок. Процес народження гамма-квантом пари частинок у вакуумі заборонено Припустивши, що ця реакція дозволена перетворюємо вираз: у системі центру інерції (*): отримаємо Нижній вираз ніколи не звертаються до нуля (m >0, Т*>0) – реакція заборонена.

Позитрони - це античастинка по відношенню до електрона. Маси частинок однакові за величиною, але електричні та лептонні заряди протилежні за знаком (електрон – це лептон): З вирішення рівняння Дірака для релятивістського випадку слід: Для частки, що спочиває (рс=0) енергія Знак мінус вказує, що частка знаходиться у вакуумі нижче забороненої зони, шириною 2 mc 2 Щоб витягти з вакууму пару частинок (е -_ е+) треба витратити енергію не менше, ніж 2 mеc 2 Точна формула (див. далі): мета

Порогова енергія. Значення Мета лежить У с. ц. і. всі кінцеві частки спочивають при порозі або

Перетин народження пар частинок Теорія утворення е-е пар під дією γ-квантів тісно пов'язана з процесом гальмівного випромінювання електронів високих енергій. Діаграми Фейнмана, що описують цей процес, виглядають ідентично. Для розрахунку перерізу можна виділити два граничні випадки при взаємодії фотонів з е/м полем ядра мішені: відсутність екранування поля ядра, коли низько енергійний фотон взаємодіє на близьких відстанях від ядра e повне екранування заряду ядра атомними електронами, коли фотон пролітає за межами атома і відбувається дальня взаємодія з допомогою деформованого поперечного е/м поля. У цьому випадку перетин залишається практично постійним, незалежно від енергії гамма-квантів, де е/м розмір електрона

Графік перетину народження пар У процесі народження пар частинок ядро ​​проявляє себе як єдиний заряд Z, а перетин квадратично залежить від заряду і має розмірність см 2/ядро Характерні значення перерізу на плато становить Z внесок атомних електронів у переріз утворення пар становить кілька відсотків. При високих енергіях гамма-квантів () перетин фото- та комптон-ефекту прагнуть нуля. Народження пар стає основним процесом у поглинанні гамма-випромінювання.

Поглинання γ-квантів у речовині При проходженні пучка гамма-квантів через речовину відбувається його ослаблення головним чином за рахунок трьох процесів: фотоефекту, комптон-ефекту та утворення електронно-позитронних пар частинок: Вклад окремих процесів Pb В області малих енергій переважає фотоефект, при великих енергіях – народження пар е-е, при проміжних енергіях комптон-ефект перевищує процес фотопоглинання. Співвідношення між окремими процесами також сильно змінюється від речовини

Ослаблення пучка гамма-квантів Ослаблення пучка (зменшення інтенсивності) за рахунок поглинання або одноразового розсіювання відбувається за експоненційним законом де -лінійний коефіцієнт ослаблення (1/см), який пов'язаний з перетином (см 2/атом) співвідношенням У свою чергу, концентрація атомів виходить Якщо товщина поглинача вимірюється в одиницях г/см 2 то лінійний коефіцієнт стає масовим коефіцієнтом ослаблення

Каскадні зливи Попадання електрона або гамма-кванта великої енергії () на межу речовини призводить до лавиноподібного наростання числа вторинних частинок, що складаються з е-е пар і гамма-квантів, з енергією, що зменшується по глибині. Це своєрідна каскадна злива з N(t) частинок: електронів, позитронів та гамма-квантів. У речовині ефективно відбуваються процеси розмноження поки що енергія вторинних частинок е-, е+ і гамма-квантів не стане менше Число частинок Положення максимуму Енергія Прилад - калориметр

1) При фотоефекті еЕлектрону атома передається вся енергія фотона. В результаті кінетична енергія електрона, що звільнився, дорівнюватиме

,

де I n- потенціал іонізації з n-ой оболонки атома.

2) Звільнене в результаті фотоефекту місце в електронній оболонці заповнюється електроном з вищезазначених оболонок. При цьому випромінюється рентгенівське випромінювання або Оже-електрон.

3) Залежність перерізу фотоефекту від основних параметрів:

Залежність перерізу фотоефекту від енергії γ-кванта

при .

при .

Функціональна залежність від основних атомних масштабів ( ):

,

де r e- Класичний радіус електрона, α = 1/137 та А- Постійна.

4) Чисельні значення перетину фотоіонізації До-оболонки:

при [см 2],

при [см 2].

5) Переріз іонізації L-, M-оболонок при менше, ніж К-оболонки:

і .

6) Фотоефект є головним механізмом поглинання рентгенівського випромінювання у важких речовинах з великим Z .

Комптон-ефект

1) Зі зростанням роль фотоефектузменшується і основним процесом стає комптонівське розсіювання , тобто. відхилення фотонів від початкового напрямку при зіткненні з електронами із зміною енергії.

2) При зміною енергії розсіяного фотона можна знехтувати та описати взаємодію перетином розсіювання (формулою Томсона) для неполяризованої первинної електромагнітної хвилі

.

Повний переріз розсіювання хвилі дорівнює

см 2 .

3) При взаємодії хвилі з упорядкованим розташуванням атомів (напр. кристалом) виявляються когерентні ефекти: внаслідок конструктивної інтерференції розсіювання відбувається лише під певним кутом (умова Вульфа-Брегга):

,

де d- відстань між шарами решітки та n=1,2,3 ....

4) При необхідно враховувати ефект віддачі, що обумовлює зміну довжини хвилі

Схема комптонівського розсіювання та спектри розсіювання залежно від λ

,

де см – комптонівська довжина хвилі.

Залежність перерізу комптонівського розсіюваннявід енергії можна уявити у вигляді

при
,

де . При великих енергіях .

Повний переріз пропорційно до кількості електронів в атомі Z .

Утворення електрон-позитронних пар

1) При може відбуватися третій вид взаємодії фотонів із речовиною –

освіта електрон-позитронної пари.

При цьому необхідна наявність додаткової частки, що забирає частину імпульсу.

2) Якщо за утворення пари бере участь важка частка (протон, ядро ​​атома), то енергія віддачі мала

МеВ.

Якщо у зіткненні бере участь електрон, то – віддача та .

3) Вираз для перерізу утворення пар у загальному вигляді має складний вигляд, в обмеженому інтервалі зміни може бути представлено:

;

При

.

4) Таким чином, перетин зростає від порогової енергії до і потім не змінюється зі зростанням.

Величина дорівнює 30 МеВ для алюмінію та 15 МеВ для свинцю.

5) Перетин утворення пар при зіткненні з електроном ~ 10 3 разів менше.

Сумарний переріз взаємодії
g-квантів із середовищем

1) При розгляді взаємодії γ -квантів із середовищем необхідно враховувати всі три процеси: фотоефект , ефект Комптону і утворення електрон-позитронних пар .

2) Сумарний перетин дорівнює

,

3) У сфері малих енергій основний механізм - фотоефект, у проміжній області - ефект Комптона, а області великих енергій - утворення пар.

Основи дозиметрії

1) На практиці застосовуються дозиметричні одиниці трьох типів:

1. - одиниці, що описують потік частинок;

2. - одиниці, що описують питоме поглинання енергії;

3. - одиниці, що описують потік енергії через речовину, незалежно від поглинання енергії.

Один і той же потік частинок різного ґатунку призводить до різного впливу випромінювання на речовину.

2) Поглинена доза - Енергія іонізуючого випромінювання поглинена опромінюваною речовиною на одиницю маси.

Грей (Гр, Gy) – одиниця СІ поглиненої дозиіонізуючого випромінювання та керми

1 Гр = 1Дж/кг = 10 4 ерг/г = 10 2 рад

Радий - Позасистемна одиниця поглиненої дози (від слова радіація)

3) Розрізняють експозиційну і еквівалентну дози.

4) Експозиційна доза служить визначення поглиненої енергії рентгенівськогоі g-випромінюванняза рівнем іонізації повітря.

За визначенням ЕД дорівнює відношенню зарядів одного знака до маси повітря на од. обсягу:

D = S Q/ D m

1 ЕД = 1 Кл/кг (СІ)

5) Позасистемна (застаріла) одиниця ЕД - рентген

1Р = 2,6 10 -4 Кл/кг,

що відповідає утворенню 2,08×10 9 пар іонів 1 см 3 повітря при 0 С, 760 мм. рт. ст.

Для цього потрібно витратити енергію 0,114 ергана см 3 або 88 ергна грам. Таким чином, енергетичний еквівалент рентгена дорівнює 88 ерг/г.

6) Еквівалентну доза – для біологічних тканин.

Зіверт – одиниця еквівалентної дози випромінювання (СІ) відповідає 1 грію

1 Зв = 1Дж/кг = 10 2 бер

Бер - позасистемна одиниця еквівалентної дози (від слів біологічний еквівалент рентгену)

4-5 Зв одноразово –

смертельна доза для людини при загальному опроміненні всього тіла

Однак протягом усього життя така доза не призводить до видимих ​​змін

При лікуванні локально доза досягає 10 Зв напротязі місяця.

Рівень фонового випромінювання 40-200 мбер на рік

Керма (kinetic energy released) – сума початкових кінетичних енергій усіх заряджених частинок, утворених при нейтронному, рентгенівському та g-випромінюванні

Санітарні норми

Для осіб, які постійно зайняті на радіаційних установках, гранично допустима доза опромінення всього тіла, не повинна перевищувати

5 бер протягом року і не перевищувати

3 бер протягом кварталу (категорія А, група "а").

Для осіб, які епізодично виконують радіаційні роботи, встановлюється гранично допустима доза опромінення всього тіла

Вивчення геологічного розрізу свердловин (літолого-геологічний розріз свердловини)

Вивчення технічного стану свердловин

Контроль за розробкою родовища нафти та газу

Проведення прострілювальних та вибухових робіт у свердловинах

Опробування пластів та відбір зразків зі стін свердловини

8. Взаємодія гама квантів з речовиною, гама каротаж, задачі, що вирішуються

Радіоактивність-здатність деяких атомних ядер мимоволі розпадатися з випромінюванням α, β, γ променів, а іноді й інших частинок. Гамма-промені є електромагнітне випромінювання з малою довжиною хвилі. Довжина пробігу - квантів у гірських породах досягає десятків сантиметрів. Завдяки високій проникаючій здатності вони є основним видом випромінювань, що реєструються в методі природної радіоактивності. Енергію частинок виражають у електрон-вольтах (еВ). Вплив гамма-випромінювання на середу кількісно оцінюється у рентгенах. З природних радіоактивних елементів найбільш поширені уран U238, торій Тh232 та ізотоп калію К40. Радіоактивність осадових порід, як правило, знаходиться у прямій залежності від вмісту глинистого матеріалу. Пісковики, вапняки та доломіти мають малу радіоактивність, найменшу радіоактивність мають кам'яну сіль, ангідрити та вугілля. Для вимірювання інтенсивності природного гамма-випромінювання по стволу свердловини користуються свердловинним приладом, що містить індикатор γ-випромінювання. Як індикатор використовують газорозрядні сцинтиляційні лічильники. Газорозрядні лічильники є балоном, в який вміщено два електроди. Балон наповнений сумішшю інертного газу з парами високомолекулярного з'єднання, що знаходиться під низьким тиском. Лічильник підключається до джерела постійного струму високої напруги – близько 900 вольт. Дія газорозрядного лічильника полягає в тому, що γ-кванти, потрапляючи до нього, іонізують молекули газового наповнювача. Це призводить до виникнення розряду в лічильнику, що створить імпульс струму ланцюга його живлення. Гамма-каротаж. При проходженні через речовину гамма-кванти взаємодіють із електронами та ядрами атомів. Це призводить до ослаблення інтенсивності γ-випромінювання. Основними видами взаємодії гамма-квантів з речовиною є утворення електрон-позитронних пар, фотоефект, ефект Комптона (γ-квант передає частину своєї енергії електрону та змінює напрямок руху). Електрон викидається із атома. Після кількох актів розсіювання енергія кванта зменшаться до величини, коли він поглинається з допомогою фотоефекту. Фотоефект зводиться до того, що -квант передає всю свою енергію одному з електронів внутрішньої оболонки і поглинається, а електрон викидається за межі атома. На показання ГГК значний вплив має свердловина. Вона зменшує щільність середовища, що оточує зонд, і призводить до збільшення показання ГГК пропорційно діаметру. Для зменшення впливу свердловини прилади ГГС мають притискні пристрої та екрани, що захищають індикатор від розсіяного -випромінювання бурового розчину. Опромінення породи і сприйняття розсіяного γ-випромінювання в цьому випадку здійснюється через невеликі отвори в екранах, які називають колиматорами. Характерною особливістю діаграм методу розсіяного гамма випромінювання є пряма, а зворотний зв'язок із щільністю, що з розміром зонда. Якби індикатор розміщувався поблизу джерела, середовище з підвищеною щільністю відзначалося б високою інтенсивністю розсіяного γ -випромінювання.

9. Виділення інтервалів перфорації по локації муфт

Метод електромагнітної локації муфт застосовують:

для встановлення положення замкових з'єднань схоплених бурильних труб;

визначення положень муфтових з'єднань обсадної колони;

точної прив'язки показань інших приладів до положення муфт;

взаємної прив'язки показань кількох приладів;

уточнення глибини спуску насосно-компресорних труб;

визначення поточного вибою свердловини;

у сприятливих умовах – визначення інтервалу перфорації і виявлення місць порушення (розриви, тріщини) обсадних колон.

Фізичні основи методу: Метод електромагнітної локації муфт (ЛМ) заснований на реєстрації зміни магнітної провідності металу бурильних труб, обсадної колони та насосно-компресорних труб унаслідок порушення їхньої суцільності.

Апаратура: Детектор (датчик) локатора муфт є диференціальною магнітною системою, яка складається з багатошарової котушки з сердечником і двох постійних магнітів, що створюють у котушці і навколо неї постійне магнітне поле. При переміщенні локатора вздовж колони в місцях порушення суцільності труб відбувається перерозподіл магнітного потоку та індукування ЕРС у вимірювальній котушці.

Активний локатор муфт містить дві котушки, кожна з яких має збудливу та приймальну обмотки. Під впливом змінного магнітного поля, що генерується подачею змінної напруги на збудливі обмотки, у приймальних обмотках виникає змінна напруга, яка залежить від магнітних властивостей навколишнього середовища. Інформативним параметром служить різниця напруги на приймальних обмотках, яка залежить від суцільності середовища.

Квиток 4

10. Комплекс ГІС у свердловині, обсадженій колоною, розв'язувані задачі

Причиною успішного застосування каротажу вивчення геологічного розрізу свердловини є вибір належного комплексу (програми) геофізичних досліджень. Програма повинна забезпечувати вирішення поставлених перед нею задач при можливому меншому обсязі вимірювань. З урахуванням подібності геологічних та технічних умов проведення, робіт у різних районах встановлюють типові комплекси ГІС. Типові комплекси включають загальні дослідження, які виконуються по всьому стовбуру свердловини і легальні дослідження перспективних на нафту і газ інтервалів. У свердловині, обсадженої колоною, проводяться всі види каротажу крім мікрокаротажу і БКЗ (т. до. вони ісп-ся в необсадженої колонної свердловини, тому що ці методи визначають товщину глинистої кірки).

11. Нейтронний гамма-каротаж, фізичні основи, криві, розв'язувані задачі

Нейтронний каротаж застосовуються в необсаджених та обсаджених свердловинах і використовується для вирішення наступних завдань:

з метою літологічного розчленування розрізів;

визначення положення поточного газонафтового контакту (ГНК), інтервалів прориву газу, перетікання, розгазування нафти у пласті та оцінки газонасиченості;

визначення положення водонафтового контакту ВНК у свердловинах із високою мінералізацією пластових вод.

Нейтронне випромінювання має найбільшу проникаючу здатність. Це зумовлено тим, що нейтрони, будучи незарядженими частинками, не взаємодіють з електронними оболонками атомів і не відштовхуються кулонівським полем ядра. Так само як і гамма-кванти, нейтрони характеризуються енергією Е, яка в цьому випадку пов'язана з їхньою швидкістю. Розрізняють швидкі нейтрони з енергією 1-15 МеВ, проміжні 1 МеВ - 10 еВ, повільні або надтеплові 0,1-10 еВ та теплові нейтрони з середньою енергією 0,025 еВ. Взаєм-ие нейтронів з вещ-ом закл-ся в пружному зіткненні з ядром із втратою частини енергії, тобто. уповільнення нейтрона, і захоплення нейтрона ядром. Дня нейтронів з енергією від кількох МеВ до 0,1 еВ основним видом взаємодії є пружне розсіювання. При пружному розсіюванні нейтронів величина втрат енергії на зіткнення опр-ся лише масою ядра: що менше маса ядра, то більше втрата енергії. наиб. Втрата енергії відбувається при зіткненні нейтрону з ядром атома водню. Одним із основних нейтронних параметрів середовища є довжина уповільнення L3. Це середня відстань від місця вильоту нейтрону до місця, де він уповільниться до теплової енергії. Нейтрони, що сповільнилися, продовжують рухатися і стикатися з ядрами елементів, але без зміни середньої енергії. Цей процес називається дифузією. Середня відстань, яка проходить нейтрон від точки уповільнення до точки захоплення, називається дифузійною довжиною. Дифузійна довжина зазвичай значно менша за довжину уповільнення. Кінцевим результатом руху теплового нейтрона є поглинання його ядром атома. При захопленні нейтрона ядром виділяється енергія у вигляді одного або декількох - квантів. Існують такі різновиди нейтронних методів: нейтронний гамма-метод НГМ, нейтронний метод з надтеплових нейтронів НМН, нейтронний метод з теплових нейтронів НМТ. Вони отл-ся друг від друга типом застосовуваних індикаторів. Імпульсні нейтронні способи. Сутність імпульсного нейтронного каротажу закл-ся у вивченні нестаціонарних нейтронних полів і -полів, створюваних генератором нейтронів. Генератор нейтронів працює в імпульсному режимі із частотою від 10 до 500 Гц. У імпульсних методах гірська порода опромінюється короткочасними потоками швидких нейтронів тривалістю ∆t, що йдуть один за одним через проміжки часу t.

При проходженні -випромінювання через речовину відбувається ослаблення інтенсивності пучка
γ-квантів, що є результатом їхньої взаємодії з атомами речовини.
На рис. 1 показано повний ефективний переріз взаємодії з речовиною фотонів з енергіями від 10 еВ до 100 ГеВ для двох поглинаючих матеріалів - вуглецю (Z = 6) та свинцю (Z = 82). Виділено вклади різних фізичних процесів у повний переріз поглинання.

Як видно з цих малюнків, ефективний переріз фотоефекту (σ ph) на атомах речовини домінує при енергіях фотонів нижче ~0.1 МеВ у вуглеці та нижче ~1 МеВ у свинці.
Другим за величиною вкладу у повний переріз у цій же області енергій гамма-квантів є когерентне розсіювання фотонів на атомах речовини ( релеївськерозсіювання). Ні іонізації, ні збудження атомів при релеєвському розсіювання не відбувається, гамма-квант розсіюється пружно.
При енергіях гамма-кванта вище ~0.1 МеВ у речовині з малими значеннями Z та вище ~1 МеВ у речовинах з великим Z головним механізмом ослаблення первинного пучка гамма-квантів стає некогерентне розсіювання фотонів на електронах речовини ( ефект Комптону).
Якщо енергія гамма-кванту перевищує подвоєну масу електрона 2m e з 2 = 1.02 МеВ, стає можливим процес утворення пари, що складається з електрона та позитрона. Перетин народження пари на полі ядра (σ np на рис. 1) домінує у сфері високих енергій фотонів. На рис. 1 показано також переріз утворення пар у полі атомних електронів (σ ep).
Перераховані вище механізми взаємодії гамма-квантів з речовиною не торкалися внутрішньої структури атомних ядер.
При високих енергіях гамма-квантів (Е > 10 МеВ) збільшується ймовірність процесу взаємодії фотона з ядрами речовини з порушенням ядерних станів. Якщо енергія кванта більша за енергію зв'язку нуклону в ядрі, поглинання гамма-кванту високої енергії супроводжуватиметься вильотом нуклону з ядра. При енергії гамма-квантів близько 20-25 МеВ для легких ядер (А< 40) и 13-15 МэВ для тяжелых ядер в эффективном сечении ядерного фотопоглощения наблюдается максимум, который называется гігантським дипольним резонансом (GDR на графіках рис. 1).
В області енергій гамма-квантів, випромінюваних збудженими ядрами при переходах в основний і нижчі збуджені стани, тобто при E γ від 10 кеВ до приблизно 10 МеВ найбільш суттєві три процеси взаємодії фотонів з речовиною: комптонівське (некогерентне) розсіювання, фото утворення пар електрон-позитрон. Сумарний ефективний переріз у цій галузі енергій є сумою ефективних перерізів окремих процесів, що беруть участь в ослабленні первинного потоку:

Ефективний переріз кожного з процесів, розрахований на один атом поглинача, є функцією енергії гамма-випромінювання, так і атомного номера Z речовини поглинача.
Зменшення інтенсивності I(x) моноенергетичного колімованого пучка гамма-квантів не надто товстим шаром ходнорідної речовини відбувається експонентно.