Экранирование ионизирующего излучения различными материалами

Располагая таким мощным источником гамма-излучения как тахометр с самолета Ан-2 и DIY-дозиметром, я решил исследовать степень экранирования ионизирующего излучения различными материалами. В этом тахометре отметки, цифры шкал и стрелки покрываются светящейся массой постоянного действия (СПД) на основе радия-226.

Радий-226 ²²⁶Ra претерпевает α-распад с энергией частиц 4,777 МэВ (период полураспада 1600 лет), в результате распада образуется радиоактивный газ радон-222 ²²²Rn. При этом примерно в 3,6 % случаев часть энергии выделяется в виде γ-кванта с энергией 0,188 МэВ. Газ радон-222 также α-радиоактивен, в результате его распада с периодом полураспада 3,8 суток образуется полоний-218 ²¹⁸Po с периодом полураспада 3,1 минуты. Этот радиоактивный ряд продолжается вплоть до образования стабильного свинца-206 ²⁰⁶Pb.
При оценке степени поглощения гамма-квантов веществом их энергию принято выражать через  безразмерный параметр $\varepsilon = {h \nu\over {m_e c^2}}$, где $m_e c^2$ - энергия покоя электрона (0,51 МЭв).
Поглощение гамма-квантов в веществе происходит из-за фотоэффекта, эффект Комптона и рождения электрон-позитронных пар.
Фотоэффект (photoelectric effect)
При фотоэффекте гамма-квант поглощается атомом вещества и высвобождается электрон (фотоэлектрон), обладающий кинетической энергией, которая равна энергии фотона за вычетом работы выхода данного электрона из атома. Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение) преобладает над другими видами поглощения гамма-квантов в том случае, если их энергия не превышает 50 кэВ.

Эффект Комптона (Compton scattering)
При эффекте Комптона происходит рассеяние гамма-квантов на свободных электронах. При этом часть энергии гамма-кванта преобразуется в кинетическую энергию электронов, а часть энергии уносит рассеянный фотон.

Образование электрон-позитронных пар (pair production)
В случае прохождения фотона с энергией, превышающей 1,02 МэВ, вблизи ядра атома под действием сильного электрического поля ядра может происходить превращение гамма-кванта в пару электрон-позитрон. Следует отметить, что вероятность образования электрон-позитронной пары для тяжелых элементов выше, чем для легких. В дальнейшем позитрон, сталкиваясь с электроном, аннигилируют, образуя два вторичных фотона, энергия каждого из которых равна $m_e c^2$ (0,51 МэВ). Так как эта энергия меньше 1,02 МэВ, то возникшие гамма-кванты не могут вызвать повторного образования пары электрон-позитрон, а могут вызвать только фотоэффект или эффект Комптона.

Таким образом, во всех трех процессах взаимодействия первичного фотона с веществом часть энергии преобразуется в кинетические энергии электронов и позитронов, а часть - в энергию вторичного фотонного излучения.

Уменьшение интенсивности моноэнергетичного коллимированного пучка гамма-квантов не слишком толстым слоем однородного вещества происходит экспоненциально, причем величина $\mu$, обратная к толщине слоя материала, который ослабляет излучение в $e$ раз, называется линейным коэффициентом поглощения [см^-1].
$\mu = \tau + \sigma + \kappa$ , где $\tau$ - линейный коэффициент поглощения из-за фотоэффекта, $\sigma$ - линейный коэффициент поглощения из-за эффекта Комптона, $\kappa$ - линейный коэффициент поглощения из-за образования электрон-позитронных пар.
Этот коэффициент зависит от свойств материала и энергии фотонов. Среднее расстояние, проходимое фотоном в веществе до взаимодействия с веществом, называется средней длиной свободного пробега и равно $1\over \mu$.
В экспериментах по экранированию гамма-излучения чаще всего используются алюминий (плотность 2,7 г/см³) и свинец (плотность 11,4 г/см³).

Зависимость линейного коэффициента поглощения в свинце от энергии γ‑квантов

Результаты эксперимента:
без защиты - 3336 CPM

пластина двустороннего фольгированного текстолита - 2659 CPM - ослабление в 1,25 раза

пластина стали - 2355 CPM - ослабление в 1,42 раза

пластина матового стекла толщиной 2,5 мм - 2215 CPM - ослабление в 1,51 раза

пластина свинца толщиной 1 мм - 1863 CPM - ослабление в 1,79 раза

Сведем результаты в таблицу: