Гамма излучение кратко. Гамма-излучение

Гамма излучение - это поток электромагнитных волн. По своим характеристикам они близки к рентгеновским лучам, но обладают большей энергией, т.к. их частота колебаний выше ( < 0,03нм).

По своей природе гамма-излучение ядерного происхождения . Оно сопровождает радиоактивный распад ядра или переход ядра из одного энергетического состояния в другое.

Поскольку длина волны гамма-излучения соизмерима с размерами атомов, а энергия квантов составляет десятки килоэлектрон вольт (кэВ) и более, то проникающая способность его очень велика.

Проходя через вещество, электромагнитные волны гамма излучения взаимодействуют с электронами атома, электрическим полем ядра и самим ядром, а точнее с протонами и нейтронами ядра.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма-излучения с электронами атома сводится к поглощению электромагнитной энергии, часть которой тратится на возбуждение атомов и преобразуется в тепло, а другая часть - на образование заряженных частиц, т. е. на ионизацию атомов. Этот процесс называется фотоэлектрическим поглощением энергии.

Но так как энергия гамма -кванта всегда превышает энергию связи электронов с ядром, то сорванные электроны имеют достаточный запас энергии и производят вторичную ионизацию нейтральных атомов.

С увеличением атомного номера вещества вероятность фотоэлектрического поглощения возрастает в Z 4 раз, однако с увеличением энергии гамма кванта эта вероятность уменьшается.

Учитывая, что электроны атома обладают зарядом и массой, то часть энергии гамма кванта отклоняется от направления своего движения на некоторый угол и уходит за пределы пучка, но величина этой энергии незначительна. Этот процесс называется некогерентным рассеянием энергии.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с полем ядра вызывает отклонение на некоторый угол от направления движения части энергии и уход ее за пределы пучка, т.е. происходит некогерентное рассеяние энергии . При этом, чем выше плотность вещества (номер элемента), тем большее количество энергии гамма кванта рассеивается.

Это необходимо учитывать при изготовлении защитных конструкций.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с протонами и нейтронами ядра может привести к ядерным превращениям, т.е. превращению протона в нейтрон или нейтрона в протон и выбросу в молекулярное пространство бета-частицы. Но это возможно только при условии, что энергия гамма кванта больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона в ядре. Энергия покоя электрона и позитрона в ядре очень велика и равна 1,02 мэВ, что снижает вероятность этого процесса.

Таким образом, при взаимодействии гамма-излучения с веществом часть энергии поглощается, т. е. преобразуется в тепло и заряженные частицы, часть рассеивается.

Защита от гамма-излучения: так как гамма-излучение не обладает массой и электрическим зарядом, то какой бы ни была взята толщина слоя вещества нельзя полностью поглотить поток ЭМВ гамма квантов, можно только ослабить его интенсивность в любое число раз.

Толщина слоя вещества, после прохождения которого интенсивность гамма-излучения ослабляется в 2 раза, называется слоем половинного ослабления.

При изготовлении защитных конструкций от гамма-излучения используют материал большой плотности: свинец, бетон и др.

Наиболее эффективными методами защиты от внешнего гамма- излучения являются:

Защита временем: проведение работ с гамма-излучением в минимально короткое время;

Защита расстоянием: использование дистанционных средств управления;

Защита экранами: использование защитных конструкций.

При создании этого раздела в основном были использованы материалы монографий и обзора .

Изотопные источники гамма-квантов

Обычно в качестве радиоактивных источников гамма-квантов используются бета-активные изотопы. На рис. 1 в качестве примера показаны схемы распада 60 Co и 22 Na. Ядро 60 Co в основном распадается на возбужденное состояние 4 + дочернего ядра 60 Ni посредством разрешенного гамов-теллеровского перехода. Это возбужденное состояние переходит в основное посредством каскада E2-переходов с энергиями гамма-квантов 1173 и 1333 кэВ. Ядро 22 Na испытывает β + -распад. Также, как и в случае 60 Co, распад происходит в основном на возбужденное состояние дочернего ядра. 22 Na является источником γ -квантов с энергией 1275 и 511 кэВ. Последние образуются в результате аннигиляции позитронов.
Кроме бета-активных изотопов в качестве источников гамма-квантов используются также изомеры , например 119m Sn. Период полураспада измерного состояния 119m Sn T 1/2 = 293.1 дня, энергия 23.9 кэВ. Кроме гамма-линии от распада изомерного состояния 119m Sn является источником рентгеновских квантов с энергиями 25.2 и 28.6 кэВ, которые сопровождают процесс внутренней конверсии , конкурирующим с гамма-переходом.
Собственные ширины γ -линий на много порядков меньше энергий γ -квантов, поэтому радиоактивные источники можно считать монохроматическими. Интенсивность радиоактивных источников может быть доведена до 10 14 фотонов в секунду.
В табл. 1 показаны бета-активные изотопы, которые используются в образцовых спектрометрических источниках (ОСГИ), применяемых в качестве рабочих эталонов для поверки и градуировки средств измерений фотонного излучения.

Гамма-кванты из ядерных реакций

Монохроматические γ-кванты более высокой энергии можно получить, используя ядерные реакции, которые приводят к сильному возбуждению конечного ядра. Если ядро сильно возбуждено, то вероятность его распада Г определяется соотношением

Г = Г x + Г γ ,

где Г x - вероятность испускания ядром нуклонов и более сложных частиц, а Г γ - вероятность излучения γ-кванта.
Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклона, то Г x = 0 и Г = Г γ . Вероятность излучения γ-кванта Г γ также велика при возбуждениях ядер, вызванных захватом медленных нейтронов. В этом случае Г= Г n + Г γ , где Г n - вероятность обратного испускания нейтрона, причем для многих ядер Г γ > Г n . Испускание γ-квантов при захвате медленных нейтронов называется радиационным захватом или реакцией (n,γ).
При радиационном захвате медленных нейтронов обычно образуются γ-кванты с энергиями от 4 до 11 МэВ (энергии связи нейтронов в различных ядрах). Энергетический спектр γ-квантов такого источника содержит одну или несколько линий.
Создание достаточно интенсивных источников γ-квантов путем радиационного захвата нейтронов предполагает использование мощных ядерных реакторов. Современные ядерные реакторы позволяют получать интенсивности γ-квантов радиационного захвата до 10 8 квант/с.
Неизбежным недостатком γ-источников такого типа является большой нейтронный фон.
Если энергия возбуждения ядра значительно превышает энергию связи нуклона, то, как правило, возбуждение будет сниматься испусканием протонов, нейтронов или более сложных частиц. Однако и здесь возможны особые случаи, когда Г x 0 и Г Г γ .
Рассмотрим в качестве примера состояние 1 + в ядре 8 Ве, имеющее энергию возбуждения 17.64 МэВ. Оно лежит ниже порога испускания нейтрона (18.9 МэВ), а обычный распад ядра 8 Ве, идущий по схеме 8 Ве→ 2α, запрещен, поскольку система двух α-частиц может находиться лишь в состояниях 0 + , 2 + , 4 + и т. д. Поэтому указанное выше состояние в 8 Ве распадается с излучением γ-кванта. Спектр γ-квантов содержит две линии: при переходе в основное состояние 0 + испускаются γ-кванты с энергией 17.64 МэВ (узкая линия), при переходе на первое возбужденное состояние 2 + - γ-кванты с энергией 14.74 МэВ (широкая линия), При этом интенсивность первой линии примерно в два раза превосходит интенсивность второй.
Для возбуждения состояния ядра 8 Ве с энергией 17.64 МэВ используется захват ядром 7 Li протонов с Е р = 440кэВ:

За счет уменьшения толщины литиевой мишени энергетическая ширина γ 0 -линии (17.64 МэВ) может быть доведена примерно до 12 кэВ.
Варьируя энергию протонов Е р, можно плавно менять энергию γ-квантов поскольку эти величины связаны соотношением

E(γ 0) = (17.25+ 7/8Е р) МэВ,
Е(γ 1) = (14.35 + 7/8Е р) МэВ.

Однако возможности изменения энергии сильно ограничены, так как увеличение энергии протонов приводит к быстрому уменьшению интенсивности γ-излучения. Так, уже при Е р = 800-900 кэВ интенсивность γ-квантов уменьшается примерно в 20 раз. Кроме того, начинает доминировать γ-линия с меньшей энергией.
Другой часто используемой реакцией является реакция 19 F(p,αγ) 16 О, в которой генерируются три γ-линии с энергиями 6.14, 6.92 и 7.12 МэВ, возникающие при распаде возбужденных состояний ядра 16 О. Их относительные интенсивности можно менять, варьируя энергии протонов. Так, при Е р = 2.05 МэВ 80% γ-квантов испускается с энергией 7.12 МэВ. Энергетическая ширина γ-линии 130 кэВ.
Реакция радиационного захвата протонов легкими ядрами наиболее удобна для создания γ-источников подобного типа. Одна из причин этого в том, что энергии связи протонов в легких ядрах велики, что позволяет получать монохроматические γ-кванты довольно больших энергий. Так, в реакции 3 Н(р,γ) 4 Не (энергия связи протона в 4 Не - 19.81 МэВ) можно получить γ-кванты с энергией более 20 МэВ. Энергетическая ширина γ-пучка в этой реакции может быть доведена до 40 кэВ. Плавное увеличение энергии протонов приводит и к плавному увеличению энергии γ-квантов. Верхняя граница энергии протонного пучка определяется выходом нейтронов в конкурирующей реакции 3 Н(р,n), начинающейся при Е р = 1.02 МэВ.
Получение удобного для экспериментов пучка монохроматических γ-квантов с энергиями существенно большими 20 МэВ в реакции (p,γ), так же как и в других ядерных реакциях, невозможно. Это связано с тем, что даже легкие ядра, захватывая протоны с Е р >1МэВ, оказываются в области энергий возбуждения, где уровни составного ядра начинают перекрываться. Кроме того, при возрастании энергии возбуждения увеличивается доля, каскадных γ-переходов. Все это приводит к сильному усложнению спектра γ-квантов и неизбежной конкуренции распадов с вылетом нуклонов и других частиц. Недостаток источников этого типа заключается также в сравнительно невысокой интенсивности γ -квантов.
Диапазон плавного изменения энергии γ-квантов у источников рассматриваемого типа сильно ограничен.

Тормозное излучение от электронных ускорителей

Двигаясь с ускорением, быстрые электроны испускают электромагнитное излучение, называемое тормозным. Для получения тормозного γ -излучения достаточно поток электронов направить на любую мишень. В этом случае тормозное излучение возникает за счет ускоренного движения электронов в кулоновском поле ядер и атомарных электронов мишени.
Энергетический спектр γ-квантов тормозного излучения непрерывен и имеет верхнюю границу Т. Если полная энергия электронов до взаимодействия с мишенью равна Е 0 , то

где mc 2 - энергия покоя электрона (0.511 МэВ). Исключая область вблизи верхней границы, энергетический спектр тормозного излучения подчиняется простой зависимости l/E γ , где E γ - энергия испущенного γ-кванта.
Угловое распределение тормозного излучения обладает азимутальной симметрией. Оно определяется лишь величиной угла θ между направлениями движения фотонов и первичных электронов и характеризуется резким максимумом в направлении движения электронного пучка до взаимодействия с мишенью (т. е. при θ = 0°). Наибольшая доля радиации заключена в пределах малого для релятивистских электронов угла θ 0 < mc 2 /E 0 . Отсюда следует, что по мере увеличения энергии электронов тормозное излучение сосредоточивается во все более малом телесном угле.

Поскольку сечение тормозного излучения быстро растет с увеличением атомного номера мишени, то последняя обычно изготовляется из вещества с большим Z (платина, вольфрам и др.). На рис. 2 в качестве примера приведены спектры тормозного излучения при различных Е 0 , рассчитанные для платиновой мишени.

Любой ускоритель электронов может быть использован как источник тормозного излучения. Такие источники обеспечивают наиболее интенсивные потоки высокоэнергичных γ -квантов. При токе электронного пучка в 100 МкА и тормозной мишени толщиной в 0.01 радиационную длину интенсивность фотонов независимо от энергии падающих электронов приблизительно равна 6 . 10 12 / E γ фотонов на МэВ.

Методы монохроматизации гамма-излучения высокой энергии

Аннигиляция на лету быстрых позитронов

Суть метода состоит в использовании процесса аннигиляции на лету позитронов, движущихся с релятивистскими скоростями.
Быстрый позитрон с энергией E pos , двигаясь в веществе, может испытать аннигиляцию, не успев потерять сколько-нибудь значи­тельную часть своей первоначальной энергии. При аннигиляции позитрона могут образовываться два и более фотонов. Наиболее вероятный процесс - двухфотонная аннигиляция. Именно этот процесс и приводит к образованию монохроматических фотонов. Образование большего числа фотонов, например трех, приводит к непрерывному энергетическому распределению. Однако в связи с тем, что сечение трехфотонной аннигиляции мало, ею можно пренебречь (трехфотонная аннигиляция происходит в 370 раз реже, чем двухфотонная).
При двухфотонной аннигиляции, которую и будем рассматривать в дальнейшем, образуется два γ-кванта с энергиями

	(2)
E γ2 = E pos - E γ1 + mc 2 ,	(3)

где θ - угол между направлением испускания первого фотона и направлением движения позитрона.
Наиболее вероятно испускание двух фотонов в противоположных направлениях под углами, близкими к 0 и 180° относительно направления движения позитрона. При этом фотон, испускаемый под углом 0°, т. е. в переднем направлении, уносит практически всю энергию. Действительно, полагая θ = 0 и mc 2 << E pos , из (2 и 3) получаем

Зависимость энергии аннигиляционных γ-квантов от угла θ (см. формулу (2) и рис. 3) приводит к тому, что спектр фотонов в конечном телесном угле не является строго монохроматичным. При увеличении энергии позитрона энергетический разброс уменьшается. Если пренебречь многократным рассеянием позитронов в веществе мишени, где происходит аннигиляция, то угол, в котором энергетический разброс не превышает величины

δ = ΔE γ1 /E γ1 ,

согласно оценкам равен (2E pos) 1/2 . Поэтому, выделяя аннигиляционные фотоны, летящие в пределах достаточно малого телесного угла, можно достичь весьма высокой степени монохроматизации γ-излучения. Быстрые позитроны, необходимые для создания аннигиляционногоизлучения, получают,направляя релятивистские электроны с полной энергией E el на мишень (конвертор) с высоким Z (тяжелые ядра). Тормозное излучение, генерируемое в мишени, образует в этой же мишени электронно-позитронные пары. Позитроны выходят из конвертора в широком телесном угле и имеют полные энергии в интервале от 0 до E el - 2mс 2 . Располагающийся после конвертора магнитный анализатор выделяет позитроны, энергии которых заключены в узком интервале. Эти позитроны либо сразу, либо после дополнительного ускорения направляются на аннигиляционную мишень с малым Z (легкие ядра). Образующиеся в этой мишени аннигиляционные γ-кванты и используются далее для проведения эксперимента.
Поскольку процесс образования аннигиляционных фотонов является двухступенчатым, то выход монохроматического излучения очень мал. Обычно вероятность рождения электроном позитрона в конверторе не превышает 10 -4 - 10 -3 , а выход аннигиляционных фотонов на один позитрон приблизительно равен 10 -4 . Таким образом, выход аннигиляционных фотонов на один электрон составляет величину не более 10 -8 - 10 -7 . Очевидно поэтому, что создание интенсивных потоков аннигиляционного γ-излучения возможно лишь при наличии сильноточных электронных ускорителей.

Рассмотрим в качестве примера монохроматор (рис. 4), работавший в Ливерморе (Калифорнийский университет, США) .

Электроны с энергией 150 кэВ инжектировались в первую секцию линейного ускорителя. В конце секции перед попаданием на конвертор они имели энергию около 10 МэВ. Конвертор, изготовленный из тантала (Z = 73) или вольфрама (Z = 74), имел толщину около 2.5 мм. Позитроны, образующиеся в конверторе, фокусировались магнитной линзой и ускорялись двумя следующими секциями линейного ускорителя примерно до 30 МэВ. Перестройка секций ускорителя с режима ускорения электронов на режим ускорения позитронов и наоборот осуществлялась поворотом фазы высокочастотного электрического напряжения. Полный выход позитронов на один электрон был равен 10 -5 . С учетом того что магнитный анализатор отбирал для дальнейшего ускорения позитроны с разбросом по энергии не более 1%, выход позитронов на один электрон составлял величину около 10 -7 .
Необходимо отметить, что энергия позитронов, вводившихся во вторую секцию линейного ускорителя, была примерно в три раза меньше энергии электронов, попадавших на конвертор. Это было связано с тем, что энергетическое распределение позитронов, выходящих из конвертора, имеет максимум при энергии, соответствующей примерно одной трети энергии электронов. В качестве аннигиляционной мишени использовался образец из LiH толщиной 0.15 мм. Выход аннигиляционных фотонов на один позитрон для такой мишени был равен ~10 -11 .
Как уже упоминалось, конверторы изготовляют из материалов с высоким Z, в связи с тем что выход позитронов зависит от вероятности двух последовательных процессов: образования тормозного γ-излучения и рождения электронно-позитронных пар, причем сечение каждого из этих процессов растет, как Z 2 .
Выбор в качестве материала для аннигиляционной мишени веществ с малым Z объясняется необходимостью максимального подавления относительного вклада тормозного γ-излучения позитронов, которое неизбежно сопровождает аннигиляционное γ-излучение. Поскольку выход аннигиляционных γ-квантов порционален Z, то для легких ядер соотношение между числом аннигиляционных и тормозных γ-квантов будет максимальным.

Таким образом, спектр γ-квантов, возникающих при попадании на аннигиляционную мишень быстрых позитронов, не является строго монохроматическим, так как содержит тормозное излучение. Энергетические спектры γ-квантов, рассчитанные для случая бериллиевой мишени, приведены на рис. 5. При этом полагалось dE γ , равным 1 МэВ, а форма аннигиляционного пика считалась гауссовой и соответствовала энергетическому разрешению 5%. Видно, что с увеличением E pos соотношение между числом аннигиляционных и тормозных γ-квантов ухудшается. Действительно, число аннигиляционных γ-квантов растет, как E pos , а число тормозных γ-квантов в низкокоэнергетичной части спектра растет примерно как E 2 pos .
Неизбежное присутствие тормозного γ -излучения является недостатком описываемого метода монохроматизации, так как приводит к необходимости получения конечного результата в виде разности двух измерений. Вначале измеряют выход Y pos (E pos) реакции с пучком фотонов, генерируемых аннигиляционной мишенью при попадании на нее позитронов энергии E pos , а затем - выход реакции Y el (E el) с пучком фотонов, возникающих в аннигиляционной мишени при попадании на нее такого же числа позитронов или электронов той же энергии. В последнем случае спектр фотонов чисто тормозной и разность Y pos (E pos) - Y el (E el) есть выход исследуемой реакции, отвечающий пику аннигиляционного излучения.
Однако извлечение корректной информации о сечениях реакций на основании экспериментальных данных о выходах представляет из себя нетривиальную задачу и требует хорошего знания параметров аппаратной функции .
Сравнительно невысокая интенсивность аннигиляционных пучков ограничивает их эффективное использование одним типом экспериментов - измерением эффективных сечений фотонейтронных реакций. Недостаточно высокая интенсивность аннигиляционного излучения в таких экспериментах может быть компенсирована большим (до нескольких сот граммов) весом исследуемой мишени.

Меченые фотоны

В этом методе исследуемой мишени облучается пучком тормозного излучения, и для каждого случая фотоядерной реакции определяется энергия фотона, который эту реакцию вызвал. Осуществляется это следующим образом (см. рис. 6). Пучок электронов выводится из ускорителя и направляется на тормозную мишень, расположенную вне ускорительной камеры. Электрон с энергией E 0 , взаимодействуя с тормозной мишенью, испускает фотон с энергией E γ и выходит из нее с меньшей энергией Е. Фотон попадает далее на исследуемую мишень и вызывает фотоядерную реакцию. Поскольку E 0 , Е и E γ однозначно связаны соотношением

E γ = E 0 - Е,

то, измерив энергию Е рассеянного электрона и зарегистрировав его на совпадение с продуктами фотоядерной реакции, можно найти энергию E γ фотона, который эту реакцию вызвал (E 0 известна, так как определяется режимом работы ускорителя). Энергию рассеянного электрона Е обычно определяют с помощью магнитного спектрометра.
Энергию E γ можно варьировать, меняя энергии E 0 и Е.
Энергетическое разрешение метода меченых фотонов определяется главным образом разрешением магнитного спектрометра и в принципе может быть выше энергетического разрешения метода аннигиляции на лету быстрых позитронов. Метод меченых фотонов был впервые реализован на синхротроне Корнельского университета (США). Монохроматор, использующий метод меченых фотонов, был создан также в 1961 г. в Иллинойском университете (США) . Его энергетическое разрешение равно 0.67% для фотонов с энергией 11-19 МэВ. Максимальная интенсивность пучка фотонов составила величину 5 . 10 5 фотонов в секунду. Вторичные электроны детектировались шестью пластиковыми сцинтилляторами, расположенными в фокальной плоскости магнитного спектрометра. Одновременно фиксировалась энергия электронов Е и время их регистрации. Энергия нейтронов из реакций (γ,xn) определялась методом времени пролета .
К недостаткам метода меченых фотонов следует отнести необходимость непосредственной регистрации продуктов ядерной реакции, что не позволяет использовать ряд методов регистрации, например, метод наведенной активности. Один из наиболее перспективных путей повышения интенсивности пучка меченых фотонов - использование линейных ускорителей со стопроцентным рабочим циклом. Однако, даже на таких ускорителях удается использовать лишь часть интенсивности электронных пучков (см. табл. 2). Основное ограничение на интенсивность накладывает быстродействие системы регистрации. (Характерное разрешающее время в системах меченных фотонов составляет ~1 нс.)

Здесь E e - энергия электронов, J e - ток электронов, k - коэффициент заполнения пучка, E γ - энергия гамма-квантов, - эффективность системы мечения, J - используемый ток электронов при работе в режиме мечения фотонов, I - поток меченных фотонов в диапазоне ΔE γ /E γ 1%.

Комптон-эффект на покоящемся электроне

Для создания источника монохроматических фотонов регулируемой энергии можно использовать комптон-эффект на покоящемся и движущемся электроне (так называемый прямой и обратный комптон-эффект). В первом случае пучок монохроматических -квантов, образующихся в какой-либо ядерной реакции, испытывает рассеяние на электронах неподвижной мишени. Во втором - фотонный пучок мощного лазера пучок рассеивается на встречном пучке высокоэнергичных монохроматических электронов.
Использование прямого комптон-эффекта позволяет устранить один из наиболее существенных недостатков пучков γ -квантов, образующихся в ядерных реакциях - невозможность плавной регулировки энергии фотонов. Действительно, энергия E γ0 падающего фотона связана с энергией E γ фотона после комптоновского рассеяния следующим соотношением:

Если рассеиватель занимает участок сферической поверхности, на которой расположены источник монохроматических фотонов фиксированной энергии и исследуемая мишень, то энергия всех фотонов, попадающих на исследуемую мишень, будет одной и той же (рис. 7). Эту энергию можно менять, перемещая либо мишень, либо γ -источник вдоль поверхности сферы.

В первых экспериментах с монохроматором такого типа использовались γ -кванты радиационного захвата тепловых нейтронов пластинкой кадмия (рассеиватель - графит). Интенсивность рассеянных -квантов была такой, что на расстоянии 10 м от источника на площадку в 1 см 2 падал 1 фотон в секунду в интервале энергий 1 эВ. Энергия γ -квантов могла плавно меняться в интервале от 0.1 до 8.0 МэВ.
В другой установке этого типа использовались γ -кванты радиационного захвата нейтронов в Ti и Ni. Рассеиватель изготовлялся из алюминия. Энергия рассеянных γ-квантов менялась от 0.5 до 8.5 МэВ. Энергетическое разрешение было равно 1-3%, а интенсивность фотонов 1 квант/эВ. с. см 2 .
Недостаток этого метода в том, что энергия рассеянных фотонов ограничена сверху и без того не слишком высокой энергией γ-квантов радиационного захвата. Наиболее целесообразно использование γ-квантов радиационного захвата медленных нейтронов, интенсивность которых может быть очень высокой).

Обратное комптоновское рассеяние лазерных фотонов на электронах

Монохроматические γ -кванты более высокой энергии можно получить, используя обратный комптон-эффект .
Комптон-эффект на движущемся электроне обладает важной особенностью - в процессе рассеяния возникают фотоны значительно более жесткие, чем рассеиваемые. Так при рассеянии световых фотонов на релятивистских электронах рассеянные фотоны имеют энергию, сравнимую с энергией первичных электронов. Действительно, обобщая выражение (6) для случая, когда электроны движутся со скоростью v, можно получить

(7)

где Е 0 - полная энергия электрона до взаимодействия, а смысл углов θ и φ поясняется рис. 8.
Таким образом, при фиксированных значениях Е 0 и E γ 0 энергия рассеянного фотона полностью определяется геометрией эксперимента (углами и ).
Поскольку мы рассматриваем случай рассеяния фотонов не слишком высокой энергии на ультрарелятивистских электронах, то Е 0 >> Е γ0 и третьим слагаемым в знаменателе выражения (7) можно пренебречь. В этом приближении

Из соотношения видно, что даже в случае использования источника фотонов малой энергии энергия рассеянных фотонов может быть сколь угодно большой за счет повышения энергии электронов. Это открывает возможность получения интенсивного пучка монохроматических γ-квантов высокой энергии за счет использования мощных лазеров. Действительно, при рассеянии фотонов рубинового лазера (Е γ0 = 1.78 эВ) на электроне с энергией 6 ГэВ E γ max = 848 МэВ.
Энергию рассеянных фотонов можно варьировать либо изменением энергий Е 0 и Е γ0 , либо изменением угла наблюдения - φ. С увеличением Е 0 и Е γmax растет очень быстро. При Е γ0 = 1.78 эВ:

Энергетическое разрешение пучка рассеянных фотонов зависит от степени их коллимации, т. е. разброса в угле θ - φ. Рассмотрим случай, когда фотон после рассеяния назад летит под малым углом относительно направления движения первичного пучка электронов (θ = 180° и θ - φ0°). Из соотношения (8) с учетом того, что vc, получаем

(максимальная энергия рассеянного фотона дается формулой (9)). Отсюда следует, что для оценки энергетического разрешения пучка рассеянных назад фотонов можно использовать выражение

(12)

Полагая = 10 -5 рад, Е γ0 = 1.78 эВ и Е 0 = 8 ГэВ, получаем Е γmax = 1.44 ГэВ и энергетическое разрешение около 2%. С ростом Е 0 энергетическое разрешение при том же угле коллимации ухудшается. Так, при Е 0 = 16 ГэВ (Е γmax = 4.7 ГэВ) оно равно 6.5%.
Интенсивность пучка монохроматических фотонов, получаемых с помощью обратного комптон-эффекта, определяется как интенсивностью лазерного излучения, так и интенсивностью электронного пучка. Число фотонов, излучаемое мощными лазерами, достигает 10 20 в импульсе при длительности импульса 10 -8 с. Рассеяние такого числа фотонов на электронном сгустке такой же длительности с числом электронов 10 11 позволит получить интенсивность монохроматических фотонов до 10 7 фотон/с при энергетическом разрешении около 5%.
Для получения комптоновских пучков целесообразно использовать электронные накопители с током в несколько сотен миллиампер.
Метод обратного рассеяния был предложен в 1963 г. Первая установка, на которой начались ядернофизические исследования была создана во Фраскати (Ladone). С 1994 г. в Новосибирске ведутся исследования на установках РОКК (Р ассеянные О братные К омптоновские К ванты). В настоящее время на комптоновсих пучках ведутся работы также в Брукхейвене на установке LEGS (L aser E lectron G amma S ource), в Гренобле - GRAAL (GR enoble A ccelerateur A nneau L aser), в Японии - LEPS (L aser E lectron P hoton S ource). В табл. 4 приведены основные параметры установок с пучками обратных комптоновских фотонов.

Видно, что в этих установках перекрывается широкий диапазон энергий. Интенсивность пучка не превышает 10 7 с -1 . Ограничение по интенсивности связано с выбиванием лазерным пучком электронов с орбиты накопителя. Повышения интенсивности можно достичь, используя длинноволновые лазеры, когда потери энергии электронов на излучение гамма-квантов сравнительно невелики и электроны не теряются в накопителе, а возвращаются на равновесную орбиту.
Для получения высокой монохроматичности пучка небольших энергий (Е γ < 100 МэВ) используется коллимация пучка. Однако с увеличением энергии требуемый диаметр коллиматора становится слишком малы, поэтому дополнительно применяется система меченных фотонов.
Для примера на рис. 9 показана схема установки РОКК-2.

Преимущества метода обратного комптоновского рассеяния заключаются в том, что

• при довольно высокой интенсивности удается получить хорошую монохроматичность;
• фон тормозных низкоэнергетических фотонов, который в данном случае возникает только на остаточном газе вакуумной системы накопителя очень мал;
• можно плавно менять верхнюю границу комптоновского спектра, изменяя начальную энергию электронов;
• интенсивность пучка гамма-квантов слабо зависит от энергии электронов;
• можно получать гамма-кванты с линейной или циркулярной поляризацией, степень которой близка к 100%, поляризацией пучка легко управлять, изменяя поляризацию лазерных фотонов.

Квазимонохроматическое излучение фотонов из ориентированных монокристаллов

Спектр когерентного излучения из ориентированного кристалла, облучаемого электронами, кроме тормозной компоненты, один из которых (при меньшей энергии) имеет максимальную интенсивность. Метод был реализован во Фраскатти и Харькове. Обычно используются тонкие (~0.5-2 мм) монокристаллы алмаза. Настройка по энергии осуществляется вращением кристалла относительно направления падающего пучка. Во Фраскати при энергии электронов 1 ГэВ диапазон энергий гамма-квантов составлял 100-550 МэВ. Как во Фраскати, так и в Харькове были получены интенсивности ~10 10 c -1 при степени монохроматичности 10%.

Литература

1. Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов. Взаимодействие электромагнитного излучения с атомными ядрами. Изд. МГУ, 1979.
2. В книге В.Г. Недорезов, А.Н. Мушкаренков. Электромагнитные взаимодействия ядер главы и .
3. В.Г. Недорезов, Ю.Н. Ранюк. Фотоделение ядер за гигантским резонансом. Киев, Наукова думка (1989).

После открытия материалов, способных к самопроизвольному излучению элементарных частиц (радиоизлучению в результате распада), началось изучение их свойств. Активное участие в поиске новых и систематизации уже существующих знаний в физике принимали знаменитые супруги Кюри, а также Именно ему первому удалось открыть гамма-лучи. Поставленный им эксперимент был простым и, одновременно, гениальным.

В качестве источника излучения был взят радий. В толстостенной свинцовой емкости проделывалось узкое отверстие. На дне получившегося канала размещался радий. На небольшом удалении от емкости перпендикулярно оси отверстия был расположен фоточувствительный элемент - пластина. В промежутке между ней и емкостью с специальная установка могла генерировать магнитное поле высокой интенсивности, линии напряженности которого были ориентированы параллельно фоточувствительной пластине. Все элементы, кроме генератора поля, находились в безвоздушной среде, чтобы исключить воздействие атомов воздуха на результат эксперимента. Если бы Резерфорд проигнорировал этот момент, то гамма-лучи мог бы открыть кто-то другой.

При отсутствии магнитного воздействия на пластине возникало темное пятно, свидетельствующее о прямолинейном распространении излучения (все остальные направления попросту отсекались стенками свинцовой емкости). Но стоило появиться как на фоточувствительном элементе системы возникали сразу три пятна. Это означало, что некие частицы, излучаемые радием, отклоняются полем. Резерфорд предположил, что луч состоит как минимум из трех компонентов. Характер отклонения указывал на то, что частицы двух лучей обладают электрическим зарядом, а третий луч электронейтрален. Причем, отрицательная составляющая исходного излучения отклонялась гораздо выраженнее, чем положительная. Электронейтральная составляющая - это и есть гамма-лучи. Компонент с отрицательным зарядом получил название бета-лучей, а последний, положительный заряд - альфа-луч.

Кроме того, что они вели себя по-разному в магнитном поле, лучи обладали различными свойствами. Гамма-лучи способны проникать в материю на довольно большие расстояния. Так, свинцовая пластина толщиной в 1 см уменьшает их интенсивность всего в два раза. Альфа-луч может быть остановлен даже тонким листом бумаги. А вот бета-излучение занимает промежуточное положение: остановить поток можно металлом толщиной в несколько миллиметров.

Впоследствии выяснилось, что:

• бета-луч представляет собой поток отрицательно заряженных частиц (электронов), перемещающихся с высокой скоростью;
• альфа-луч - это ядра гелия, очень устойчивое образование;
• гамма-луч - одна из разновидностей Спектр излучения полностью линейчатый, так как излучающее ядро характеризуется дискретными энергетическими состояниями. Представляют в виде уровней распределения энергии излученных квантов. Термин «гамма-излучение» все чаще применяется не только для описания процессов но и, вообще, для любого жесткого излучения электромагнитной природы в котором каждому кванту соответствует энергия не менее 10 кэВ. Источником данного вида излучения являются электроны в структуре возбужденных атомов. Излишек энергии переводит электроны на более высокие Оттуда они возвращаются к прежнему состоянию, выделяя излучение в виде рентгена или света (электромагнитные волны). Спектр электромагнитного излучения в случае гамма-лучей чрезвычайно мал и составляет не более 5*0,001 нм из-за чего отчетливее проявляются свойства частиц, а не волн.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation

Гамма-излучение (γ-излучение)– электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 -10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. 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 (> 3·10 18 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. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями - десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (γ-излучение), коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны λ≤10 -10 м, короче, чем у рентгеновского излучения). При столь малых λ волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, первостепенное значение имеют корпускулярные свойства. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов, которые, как и другие фотоны, характеризуются энергией Е = hv (h - постоянная Планка, v - частота электромагнитных колебаний). Гамма-излучение открыто в начале 20 века как компонента излучения радиоактивных ядер, которая не отклонялась при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и ß-излучений. В 1914 году Э. Резерфорд совместно с английским физиком Э. Андраде в опытах по дифракции гамма-лучей на кристалле доказал электромагнитную природу гамма-излучения.

Гамма-излучение может испускаться атомными ядрами и элементарными частицами, а также в результате ядерных реакций и реакций между частицами, в частности аннигиляции пар частица - античастица. Гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, и гамма-излучения ядер даёт информацию о структуре этих микрообъектов.

Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.

При распаде частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с энергиями в десятки - сотни МэВ.

Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение). Тормозное гамма-излучение имеет сплошной спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц энергия тормозного гамма-излучения достигает десятков ГэВ.

Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными лазерными пучками. При этом электрон передаёт свою энергию оптическому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд (смотри Гамма-астрономия).

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (Комптона эффект) и образование пар электрон - позитрон.

Гамма-излучение используется в технике (например, в дефектоскопии), радиационной химии для инициирования химических превращений (например, при полимеризации), сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине и др.

Лит.: Де Бенедетти С. Ядерные взаимодействия. М., 1968; Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М., 1979; Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы. М., 1986. Т. 2; Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. М., 1993. Кн. 1. Ч. 1.

И. М. Капитонов.

Действие на организм. Гамма-излучение действует на живые клетки подобно другим видам ионизирующих излучений. Хотя биосфера подвергается постоянному воздействию гамма-излучения в составе космических лучей и излучений радиоактивных элементов, находящихся в рассеянном виде в почвах, атмосфере и воде (радиационный фон Земли), их интенсивность невелика, и они не представляют опасности для живых организмов. Действие гамма-излучения проявляется по мере накопления вторичных электронов в объекте облучения и их переноса в близлежащие структуры. Тотальное гамма-нейтронное облучение организмов, сопровождающее ядерные взрывы, в зависимости от дозы может приводить к гибели организмов (для человека смертельная доза - 100 Гр), развитию лучевой болезни (при дозах 5-10 Гр). Воздействие более низких доз опасно отдалёнными последствиями: злокачественным перерождением клеток, развитием лейкозов, рождением генетически неполноценного потомства и др. Гамма-излучение применяют в медицине при лечении онкологических заболеваний (гамма-терапия; смотри Лучевая терапия). Оно используется также в генетических исследованиях для получения мутаций в молекулах ДНК и селекции организмов с последующим отбором хозяйственно полезных форм. Таким образом, например, были получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов, продуцирующих антибиотики. В качестве источников гамма-излучения применяют естественные и искусственные радиоактивные изотопы (обычно 60 Со, реже 137 Cs).