Факторы накопления рассеянного гамма-излучения

Фактор накопления зависит от условий задачи: регистрируемого эффекта, характеристик источника (энергетического состава, геометрии и углового распределения излучения), свойств защитной среды, взаимного расположения источника, защиты и детектора. По регистрируемым эффектам выделяют следующие факторы накопления (для моноэнегретических источников фотонов с энергией E_γ):

числовой

(4.14)

,

дозовый (для поглощенной дозы в воздухе)

(4.15)

,

поглощенной энергии (для поглощенной в среде энергии)

(4.16)

,

кермы

(4.17)

,

и энергетический (для плотности потока энергии фотонов)

(4.18)

,

где — пространсвенно-энергетическое распределение плотности потока нерассеянного и рассеянного первичного и вторичного излучения, — пространственное распределение плотности потока нерассеянного в среде первичного излучения, , — коэффициенты поглощения энергии фотонов в воздухе и некоторой среде соответственно, — коэффициент передачи энергии E фотонов в некоторой среде.

Энергетический фактор накопления всегда меньше числового, так как энергия рассеянных фотонов E в числителе (4.18) всегда меньше E_γ в числителе этой же формулы.

В формулах (4.14) – (4.18) μd — это толщина материала защиты. Значения величин факторов накопления для различных материалов защиты приводятся в справочной литературе.

С увеличением толщины среды между источником и детектором факторы накопления возрастают. Это связано с накоплением числа рассеянных фотонов по мере удаления от источника. На малых расстояниях от источника — это фотоны, испытавшие много рассеяний на малые углы.

Для высоких энергий излучения источника и элементов с умеренно-низкими Z скорость возрастания фактора накопления близка к линейной. Для тяжелых элементов фактор накопления растёт медленно с расстоянием.

С увеличением Z фактор накопления в большинстве случаев убывает. Отметим, что фактор накопления поглощённой энергии обычно используется при расчёте тепловыделения в защите.

Приведённые на рис. 10 типичные траектории нерассеянных и рассеянных фотонов для разных геометрий защиты позволяет написать следующее соотношение для факторов накопления B_∞ > B _∞ > B_бар > B_огр, где B_∞, B_бар, B_огр — факторы накопления соответственно для бесконечной, полубесконечной, барьерной и ограниченной геометрией защиты при постоянной толщине среды между источником и детектором.

Существует несколько способов представления факторов накопления: табличный, графический, а также в виде аналитического представления (в виде суммы двух экспонент). В качестве примера на рис.11 даны зависимости дозовых факторов накопления в водной и свинцовой средах.

а)

Рис. 11.Зависимость дозового фактора накопления от расстояния между детектором и точечным изотропным источником с энергией Е₀ в бесконечной водной (а) и свинцовой (б) средах.

При расчёте защит от протяжённых источников факторы накопления попадают под знак интеграла. Графическое и табличное представления факторов накопления существенно затрудняет расчёты. Поэтому были предприняты попытки представить информацию о факторах накопления в удобном аналитическом виде — аппроксимировать с помощью экспонент

(4.19)

где коэффициенты , , зависят только от E_γ и Z материала защиты и не зависит от толщины защиты μd. В справочной литературе даны значения , , для различных материалов и энергий для точечных изотропных моноэнеогетических источников в условиях бесконечной геометрии. Экспоненциальное представление рассеянного излучения позволяет сохранить общий вид интегралов, выведенных для различных частных случаев распространения первичного излучения источников различных геометрических форм. Таким образом, основное преимущество представления фактора накопления в виде (4.19) состоит в том, что оно приводит к тем же интегралам, что и решение задачи без учёта рассеяния. Отметим, что существуют и другие способы аналитической записи факторов накопления.

Как уже отмечалось, факторы накопления в барьерной геометрии меньше, чем в бесконечной из-за уменьшения числа рассеянных гамма-квантов, попадающих в точку детектирования. Различие между факторами накопления в различных геометриях тем меньше, чем больше μ материала защиты, поскольку μ растёт с увеличением Z. Значения или в условиях барьерной геометрии определяют с помощью факторов накопления для бесконечной геометрии по формуле

(4.20)

,

где коэффициент учитывает поправку на барьерность. Очевидно δ < 1, причем для лёгких материалов защиты δ существенно меньше 1, а для тяжелых — приближается к 1.

Рассмотрим, как рассчитывается ослабление гамма-излучения точечного изотропного источника, испускающего q(E) гамма-квантов/с, в защите. В отсутствии защиты на расстоянии r от источника плотность потока гамма-квантов равна

(4.21)

При наличии защиты выражение для плотности потока принимает вид

(4.22)

,

при условии бесконечной геометрии облучения (см. 4.1). Если защита барьерная и толщина её равна d < r, плотность потока гамма-квантов на расстоянии r от источника будет определяться выражением