Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

При прохождении через материал контролируемого объекта рентгеновское и γ-излучение теряют свою энергию за счёт рассеивания и преобразования в кинетическую энергию электронов. Ослабление интенсивности излучения зависит от его энергии, толщины и плотности просвечиваемого материала. На рисунке схематично показаны процессы фотоэлектрического поглощения а), комптоновского рассеяния кванта б) и образования кванта электрон-позитронной пары в). В зависимости от энергии падающего кванта и плотности просвечиваемого материала может преобладать один из этих процессов.

Фотоэлектрический эффект - процесс, при котором квант hv₀, встретив атом, полностью передаёт свою энергию орбитальному электрону. При этом электрон е переходит на оболочку с более высоким уровнем энергии или покидает атом, если энергия его превышает энергию связи электрона в атоме. Такой выбитый из атома электрон называется фотоэлементом. Заполнение электроном оболочки сопровождается характеристическим излучением. Фотоэлектроны возбуждают и ионизируют атомы и молекулы просвечиваемого материала, что приводит к образованию вторичных квантов. Вторичные кванты опять преобразуются в фотоэлектроны и третичные кванты, и т.д. до полного поглощения энергии первичного излучения. Процесс фотоэлектрического поглощения является преобладающим видом взаимодействия квантов рентгеновского γ-излучения с веществом при невысоких энергиях излучения. Вероятность фотоэлектрического поглощения увеличивается с увеличением энергии связи электронов в атоме, т.е. с увеличением атомного номера вещества.

Рассеяние квантов является процессом при котором квант, встретив орбитальный электрон, изменяет своё направление. Когерентное рассеяние имеет место только при прохождении через материал очень мягкого излучения. Энергия квантов такого излучения при столкновении со слабосвязанными электронами внешней оболочки атомов поглощающего материала вызывает лишь вынужденные колебания их, которые при этом сами излучают вторичные кванты той же длины волны, что и падающее излучение. Комптоновское рассеивание наблюдается при прохождении через материал излучения с энергией 0,3 - 1 МэВ. Падающий квант, сталкиваясь с орбитальным электроном, отдаёт часть своей энергии электрону и отклоняется от первоначального направления на некоторый угол φ. Энергия его hv₁ меньше энергии падающего кванта, т.е. комптоновское рассеянное излучение имеет большую длину волны, чем падающее излучение. Рассеянное излучение распространяется в различных направлениях по отношению к первичному.

Образование пары частиц электрон-позитрон - это процесс поглощения квантов с энергией более 1,022 МэВ. Образовавшийся из кванта электрон е и позитрон е^- имеют энергию 0,51 МэВ. Позитрон, замедлившись соединяется с одним из электронов среды, при этом образуются два кванта аннигиляционного излучения. Под аннигиляцией понимается процесс взаимодействия частицы и соответствующей ей античастицы, приводящий к образованию электромагнитного излучения.

Процессы, описанные выше, и многие другие, играющие, в основном, меньшую роль, приводят к поглощению излучения.