Оглавление:
- Теория
- Спектр на высоте 11000 метров (в самолёте)
- Сравнение спектров на высоте и возле поверхности земли
1. Теория
Весь естественный природный фон можно условно поделить на две составляющие:
- Геологическая составляющая — фон от нестабильных изотопов элементов земной коры и на её поверхности;
- Космическая составляющая — поток частиц и гамма-квантов, порождённых за пределами планеты или в слоях атмосферы нашей планеты в результате взаимодействия с прилетевшими из вне частицами или квантами.
Влияние геологической составляющей фона на поверхности земли максимально непосредственно возле самой поверхности земли и с увеличением высоты очень быстро снижается и достигает своего минимума уже на высоте 500-1000 метров. В то время как космическая часть фона по мере увеличения высоты растёт пропорционально высоте и достигает своего максимума на наружной границе атмосферы. В целом, заметный вклад космической составляющей в величину измеряемой приборами мощности дозы (МЭД) можно увидеть уже на высоте от 1500-2000 метров.
Космическую часть можно условно разделить на несколько составляющих, главными из которых будут:
- первичная радиация — непосредственно излучение или поток частиц порождённых за пределами Земли и прилетевших к Земле от внешних источников, как правило звёзд;
- радиация вторичного плана, являющаяся результатом взаимодействия первичной радиации с веществом атмосферы (или поверхности земли).
Такое деление весьма условное, но важное в понимании того, что мы фактически можем зарегистрировать используя приборы. Используя приборы для измерения ионизирующего излучения с типичным диапазоном регистрации энергии от (условно) нуля до 3000-4000 кэВ мы видим лишь малую часть высокоэнергетичного космического гамма-излучения, поскольку её энергия как правило исчисляется десятками и сотнями МэВ. Более того, большинство измерительных приборов просто не чувствительны к таким энергиям и почти не способны регистрировать такие кванты. Но такое гамма-излучение взаимодействуя с веществом атмосферы, порождает множество различных вторичных цепей радиоактивного взаимодействия.
По сути, практически всё что мы регистрируем как космическую радиацию является радиацией вторичного плана, т.е. результатом взаимодействия собственно космической радиации с атомами вещества атмосферы.
Спектр на высоте 11000 метров (в самолёте)
Пик на 511 кэВ обусловлен эффектом рождения пар электрон + позитрон (e— + e+) в веществе атмосферы под воздействием жёсткого космического излучения. Поскольку позитрон является по своей природе антиматерией по отношению к электрону, то в последствии он взаимодействует с электронами оболочек атомов вещества той же атмосферы и происходит процесс аннигиляции (полного взаимного уничтожения), с испусканием двух квантов энергии на 511 кэВ, что соответствует одинаковым энергиям покоя электрона и позитрона.
Испускание квантов происходит в строго противоположные направления в пространстве, и это событие происходит за пределами детектора. В результате мы можем зарегистрировать на один детектор только один из двух квантов данного события. Например в позитронно-эмиссионной томографии регистрируется оба кванта, но для этого используется кольцо (цилиндрическая плоскость, сфера) из большого числа детекторов, диаметрально друг к другу расположенных.
В правой части спектра на высоте 11000 метров мы видим почти равномерное линейное заполнение шкалы распределения энергий, т.е. большое количество регистраций квантов высоких энергий. Количественная величина — количество регистрируемых импульсов в секунду для высоких энергий на уровне более 3000 кэВ составляет уже около 2 порядков (в 100 раз) относительно фона на земле.
Сравнение спектров на высоте и возле поверхности земли
Спектр на земле снят без защиты (домика) в условиях заполярья и на нём так же незначительно просматривается пик аннигиляции на 511 кэВ (SNR < 10). В условиях заполярья процент вклад космической составляющей в фоновый спектр на земле больше, чем в средней полосе, где пик на 511 кэВ в фоне в тех же условиях выражен слабее. Это обусловлено магнитным полем земли и тем что большая часть заряженных частиц космической радиации изменяет направление своего движения из-за магнитного поля и активнее входит в атмосферу в районе полюсов, чем на экваторе.
На спектре записанном возле поверхности земли доминирует геологическая составляющая и здесь различимы пики энергий наиболее распространённых изотопов земной коры 40K, 238U (в виде ДПР 226Ra), ДПР 232Th.