Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения
Рассмотрены защитные многослойные пленочные системы для γ-квантов с использованием явления альбедо для легких материалов и поглощения тяжелыми металлами. Приведен результат расчета для гамма-квантов с энергией 60 кэВ....
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Series: | Вопросы атомной науки и техники |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110892 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения / В.А. Белоус, А.О. Комаров, Б.А. Шиляев // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 202-204. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110892 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1108922025-02-09T13:48:09Z Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения Захисні тонкоплівкові багатошарові екрани від рентгенівського і гама-випромінювання Protective thin film multi-layers screens from X-ray and gamma-radiations Белоус, В.А. Комаров, А.О. Шиляев, Б.А. Физика и технология конструкционных материалов Рассмотрены защитные многослойные пленочные системы для γ-квантов с использованием явления альбедо для легких материалов и поглощения тяжелыми металлами. Приведен результат расчета для гамма-квантов с энергией 60 кэВ. Розглянуто захисні багатошарові плівкові системи для γ-квантів з використанням явища альбедо для легких матеріалів і поглинання важкими металами. Приведено результат розрахунку для гама-квантів з енергією 60 кеВ. The protective multi-layers systems are considered for γ-quantum with the use of the phenomenon of albedo for easy materials and absorption by heavy metals. The result of calculation is resulted for gamma-quantum with energy 60 keV. 2008 Article Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения / В.А. Белоус, А.О. Комаров, Б.А. Шиляев // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 202-204. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110892 539.171.016 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов |
| spellingShingle |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Белоус, В.А. Комаров, А.О. Шиляев, Б.А. Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Рассмотрены защитные многослойные пленочные системы для γ-квантов с использованием явления альбедо для легких материалов и поглощения тяжелыми металлами. Приведен результат расчета для гамма-квантов с энергией 60 кэВ. |
| format |
Article |
| author |
Белоус, В.А. Комаров, А.О. Шиляев, Б.А. |
| author_facet |
Белоус, В.А. Комаров, А.О. Шиляев, Б.А. |
| author_sort |
Белоус, В.А. |
| title |
Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения |
| title_short |
Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения |
| title_full |
Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения |
| title_fullStr |
Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения |
| title_full_unstemmed |
Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения |
| title_sort |
защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110892 |
| citation_txt |
Защитные тонкопленочные многослойные экраны от рентгеновского и гамма-излучения / В.А. Белоус, А.О. Комаров, Б.А. Шиляев // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 202-204. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT belousva zaŝitnyetonkoplenočnyemnogoslojnyeékranyotrentgenovskogoigammaizlučeniâ AT komarovao zaŝitnyetonkoplenočnyemnogoslojnyeékranyotrentgenovskogoigammaizlučeniâ AT šilâevba zaŝitnyetonkoplenočnyemnogoslojnyeékranyotrentgenovskogoigammaizlučeniâ AT belousva zahisnítonkoplívkovíbagatošarovíekranivídrentgenívsʹkogoígamavipromínûvannâ AT komarovao zahisnítonkoplívkovíbagatošarovíekranivídrentgenívsʹkogoígamavipromínûvannâ AT šilâevba zahisnítonkoplívkovíbagatošarovíekranivídrentgenívsʹkogoígamavipromínûvannâ AT belousva protectivethinfilmmultilayersscreensfromxrayandgammaradiations AT komarovao protectivethinfilmmultilayersscreensfromxrayandgammaradiations AT šilâevba protectivethinfilmmultilayersscreensfromxrayandgammaradiations |
| first_indexed |
2025-11-26T11:42:33Z |
| last_indexed |
2025-11-26T11:42:33Z |
| _version_ |
1849853065669115904 |
| fulltext |
УДК 539.171.016
ЗАЩИТНЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МНОГОСЛОЙНЫЕ ЭКРАНЫ
ОТ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
В.А. Белоус, А.О. Комаров*, Б.А. Шиляев
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г.Харьков, Украина;
* Национальный Университет им. В.М. Каразина, г. Харьков, Украина
Рассмотрены защитные многослойные пленочные системы для γ-квантов с использованием явления
альбедо для легких материалов и поглощения тяжелыми металлами. Приведен результат расчета для гамма-
квантов с энергией 60 кэВ.
Для создания компактной локальной защиты от
рентгеновского и гамма-излучения широко
энергетического спектра используется современная
радиационная технология производства
многослойных тонкопленочных систем
плоскопараллельных слоев, образованных
последовательным осаждением различных металлов
из плазмы или созданных с помощью прокатного
стана. Материалы с высокой отражательной
способностью (высоким значением альбедо)
прозрачны для рентгеновского и гамма-излучения
высокой энергии, материалы с высоким сечением
поглощения рентгеновского и гамма-излучения –
непрозрачны и обладают очень низкой
отражательной способностью. Создание такого
многослойного защитного экрана требует
оптимизации не только толщин тонких пленок, но
также последовательности материалов разного типа.
Слои материалов с очень разными свойствами в
отношении поглощения и отражения
рентгеновского и гамма-излучения, металлы и
неметаллы могут быть скомбинированы в
оптимальной последовательности в направлении
падения излучения. При этом учитывается
многократное внутреннее отражение излучения в
среде поглощения, ограниченной двумя
отражающими поверхностями (слоями материалов)
с высоким значением альбедо (рис. 1).
Величина альбедо гамма-излучения
определяется законом комптоновского рассеяния и
зависит от угла падения γ- квантов на отражающую
поверхность материала [1]. Доля интенсивности
излучения, прошедшая от одной отражающей
поверхности к другой отражающей поверхности в
среде поглощения определяется законом
поглощения Бэра-Ламберта:
t = exp [ μ·d·Secθ ], (1)
где d – толщина поглощающего слоя, μ –
коэффициент поглощения; θ – угол падения гамма-
кванта относительно нормали к поверхности раздела
сред.
Рис.1. Прохождение излучения внешнего источника через две поверхности
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.202 – 204.
202
Коэффициент полного отражения внешнего
излучения, падающего на пакет
плоскопараллельных пластин, определяется в
соответствии с рис.1. Доля потока излучения I,
равная IRн, отражается от поверхности n, оставшаяся
часть I(1-Rн) проходит через поверхность n и
попадает в среду с поглощением. Прошедший
поглощающую среду поток излучения I(1-Rн)·tn
достигает нижней поверхности, часть его I(1-Rн)·tn·
Rн+1 отражается от поверхности n+1, вторая часть
I(1-Rн)·tn - I(1-Rн)·tn· Rн+1 проходит через поверхность
n+1.
Отраженная от поверхности n+1 часть потока
I(1-Rн)·tn· Rн+1 проходит среду поглощения в
направлении поверхности n и достигает ее с
интенсивностью I(1-Rн)·t2
n· Rн+1 часть этого потока
I(1-Rн)·tn· Rн+1· Rн отражается внутрь среды
поглощения, а вторая часть I(1-Rн)·t2
n· Rн+1 - I(1-
Rн)·tn· Rн+1· Rн пересекает поверхность ˝n˝ и вносит
вклад в отраженное от пакета пластин излучение.
На рис.1 показано, что излучение
распространяется в среде поглощения между
отражающими поверхностями n и n+1 через
бесконечное число следующих друг за другом
внутренних отражений, дающих бесконечную
серию вкладов в излучение, отраженное от пакета
пластин во внешнее пространство выше
поверхности n:
IR = IRn + IRn+1·t2
n(1-Rn) - IRn+1·Rn·t2
n(1-Rn) +
+ IR2
n+1·Rn·t4
n(1-Rn) - IR2
n+1·R2
n·t4
n(1-Rn) + … (2)
В этом выражении ˝R˝ - доля начальной
интенсивности источника, отраженной от пакета
пластин. Разделив и умножив правую часть
уравнения (2) на Rn, получили:
IR = IRn + Rn
-Rn)I(1
·(Rn+1·Rn·t2
n + R2
n+1·Rn·t4
n + …). (3)
Если произведение Rn+1·Rn·t2
n = х, то выражение в
скобках можно представить в виде:
1 + х + х2 + х3 + ….-1,
и сумма этого бесконечного ряда равна (1/(1-х) - 1).
Поэтому уравнение (2) упрощается
IR = IRn + Rn
-Rn)I(1
·( ·t·RR1
1
n
2
1nn +− - 1) (4)
или
IR = IRn + ·t·RR1
tRRn)-I(1
n
2
1nn
n
2
1n
+−
⋅⋅
+
. (5)
Из этого выражения следует, что коэффициент
отражения излучения R пакетом пластин равен:
R = Rn +
n
2
1nn
n
2
·t·RR1
tRRn)-(1
1n
+−
⋅⋅
+
. (6)
Для случая n = 1 (см. рис. 1, получим
R = R1 +
1
2
21
1
2
21
·t·RR1
tR)R-(1
−
⋅⋅
. (7)
Аналогичным образом, суммируя потоки
излучения, прошедшие нижнюю поверхность n+1,
получим коэффициент пропускания:
t =
n
2
1nn
n
·t·RR1
t)R1(Rn)-(1
1n
+−
⋅−⋅
+
, (8)
что в случае n = 1 приводит к выражению
t =
1
2
21
121
·t·RR1
t)R1()R-(1
−
⋅−⋅
, (9)
где R1, R2,…., Rn – альбедо материала отражающих
слоев.
Если R1 = R2 = R, то выражение (9) для
коэффициента пропускания принимает вид:
t =
1
22
1
2
·tR1
tR)-(1
−
⋅
. (10)
Коэффициент пропускания t будет минимальным
для минимального значения коэффициента
пропускания t1 поглощающего слоя и максимальных
величин коэффициентов отражения R (альбедо).
Максимальный коэффициент поглощения гамма-
излучения имеют тяжелые металлы (вольфрам,
свинец), обладающие высоким сечением
фотоэлектрического поглощения гамма-квантов.
Максимальные коэффициенты отражения γ-квантов
(альбедо) имеют легкие металлы (бериллий, магний,
алюминий), имеющие высокие сечения
комптоновского рассеяния. Это соответствует
выводу работы [2], что структура многопленочной
системы, отвечающей наилучшему выбору
материалов, должна соответствовать самой большой
разнице величин альбедо гамма-излучения
чередующихся слоев.
В соответствии с кинематическими
соотношениями при рассеянии на электроне энергия
гамма-квантов уменьшается, величина потери этой
энергии достигает максимума при рассеянии
возрастает в соответствии с формулой Клейна-
Нишины [3]:
σ = σт[1-f(ε)], (11)
где σт = 8πr0
2/3, сечение Томпсоновского рассеяния
γ-квантов в единицах mec2 (энергия покоя электрона)
ε = Eγ/mec2
,
где r0 – классический радиус электрона
(r0 = 2,8·10-13 см).
Рост сечения комптоновского рассеяния
приводит к увеличению коэффициента отражения R
(альбедо ) гамма-квантов, а уменьшение их энергии
– к возрастанию коэффициента их поглощения
материалом среды распространения в связи с
увеличением сечения фотоэлектрического
поглощения гамма – квантов [4]. При малых
энергиях гамма-квантов функция f(ε) → 0 и σ → σт =
0,66·10-24 см2 (рис.2), а угловое распределение γ-
квантов (дифференциальное сечение рассеяния)
будет соответствовать формуле Томпсона [5]:
( Ω∂
∂σ
)T =
2
0
2r
(1 + Cos2 θ). (12)
Такая зависимость определяет место
комптоновского рассеяния среди других процессов
взаимодействия γ-квантов с веществом,
ответственных за потери их энергии при
прохождении через защитные экраны.
Комптоновское рассеяние дает главный вклад в
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.202 – 204.
203
энергетические потери гамма-квантов в свинце при
энергиях Еγ = 1…10 МэВ, в алюминии этот диапазон
составляет Еγ = 0,1…30 МэВ. Ниже этих областей
энергий с комптоновским рассеянием успешно
конкурируют фотоэлектрическое поглощение
гамма-квантов, в котором γ-квант исчезает, а его
энергия преобразуется в кинетическую энергию
электрона (за вычетом энергии связи электрона в
атоме).
Рис.2. График зависимости полного сечения σ
комптон-эффекта (в ед. сечения классич. рассеяния
σТ ) от энергии фотона εγ; стрелка указывает
энергию, которой начинается рождение электрон-
позитронных пар [3]
Рис.3. Коэффициент пропускания излучения гамма-
квантов с энергией 60 кэВ (прозрачность) через
последовательный набор пар слоев W/Al (толщина
слоев W - 2,5·10-3 см и Al - 4,5·10-2 см
Расчеты прозрачности пар слоев из W
(2,5·10-3 см) и Al (4,5·10-2 см) для гамма-квантов с
энергией 60 кэВ при их последовательном
прохождении набора из 12 пар чередующихся слоев
по описанной выше методике приведены на рис.3.
Обращает на себя внимание резкое падение
прозрачности с увеличением толщины фильтра до
3…4 слоев. Полученные результаты согласуются с
общими выводами работы [6], посвященной
исследованию многослойного отражающего
фильтра, полученного методом магнетронного
напыления слоев.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.П. Булатов, Б.А. Ефименко, В.Г. Золотухин,
В.А. Климов, В.П. Машкович. Альбедо гамма-
излучения. М.: «Атомиздат», 1968, 423 с.
2. A.V. Tikhonravov. Some theoretical aspects of thin-
film optics and their applications. // Applied Optics.
1993, v.32, N. 28, p.5417-5426.
3. Физический энциклопедический словарь. М.: «Сов.
энциклопедия», 1983, с.928
4. Э. Сторм, Х. Исраэль. Сечения взаимодействия
гамма-излучения (для энергий 0,001-100 МэВ и
элементов с 1 по 100): Справочник. М.:
«Атомиздат», 1973, с. 256.
5. О.Н. Лейпунский, Б.В. Новожилов, В.Н. Сахаров.
Распределение гамма-квантов в веществе. М.:
Изд. физ.-мат. лит., 1960, с.208.
6. C. Rickers, M. Vergohl. Spectrally selective
reflecting thin-films filters for laser display
technology // Thin Solid Films. 2003, №442, р.145-
152.
ЗАХИСНІ ТОНКОПЛІВКОВІ БАГАТОШАРОВІ ЕКРАНИ ВІД
РЕНТГЕНІВСЬКОГО І ГАМА-ВИПРОМІНЮВАННЯ
В.А. Білоус, О.О. Комаров, Б.А. Шиляєв
Розглянуто захисні багатошарові плівкові системи для γ-квантів з використанням явища альбедо для легких
матеріалів і поглинання важкими металами. Приведено результат розрахунку для гама-квантів з енергією 60 кеВ.
PROTECTIVE THIN FILM MULTI-LAYERS SCREENS FROM X-RAY
AND GAMMA–RADIATIONS
В.А. Belous, A.O. Komarov, B.A. Shilyaev
The protective multi-layers systems are considered for γ-quantum with the use of the phenomenon of albedo for easy
materials and absorption by heavy metals. The result of calculation is resulted for gamma-quantum with energy 60 keV.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.202 – 204.
204
|