Электрон-фотонные ливни. 
Надзор и контроль в сфере безопасности. 
Радиационная защита

Высокоэнергетические фотоны, образующиеся при распаде я⁰-мезонов, рождают электрон-позитронные пары, а электроны и позитроны, в свою очередь, фотоны тормозного излучения. В результате этих двух процессов взаимодействия электронов и фотонов в веществе развивается электрон-фотонный (электромагнитный) ливень (каскад). Энергия первичного высокоэнергетического фотона постепенно перераспределяется между десятками (сотнями) вторичных частиц: электронов, позитронов, фотонов. Увеличение числа частиц в электромагнитном каскаде и поглощенной энергии в единичном слое вещесгва (см. рис. 3.5 в Лекции 3 и рис. 20.11) соответствует развитию ливня (расстояние °-*тах на рис 20.11). Но в силу закона сохранения энергии, средняя энергия частиц каскада постепенно уменьшается, и вес большее число электронов попадает в область энергий меньше критической (см. Лекция 18), где радиационные потери энергии меньше потерь на ионизацию и возбуждение атомов. Энергии фотонов также постепенно уменьшаются и становятся меньше 2т_ес², прекращается процесс образования электрон-позитронных пар. Число частиц в каскаде начинает уменьшаться — ливень затухает (расстояния более х_тах на рис 20.11).

Высокоэнергетические элекгроны, позитроны и фотоны, возникающие при неупругих ядерных взаимодействиях и распадах нестабильных частиц, также инициируют электрон-фотонные ливни (ЭФЛ), но основной источник ЭФЛ — это распад л:⁰ —> уу.

Толщина поглотителя на рис. 20.10 выражена в радиационных единицах длины (Х₀, см. Лекция 3). Радиационная единица длины равна пути электрона в веществе, на котором его энергия за счет потерь па излучение убывает в е раз. Для энергий более 1 ГэВ макроскопические полные и дифференциальные сечения образования электроп-позитронных пар фотонами и сечения тормозного излучения электронов и позитронов, выраженные в единицах Х₀, практически од инаковы для различных веществ. Поэтому глубину проникновения ЭФЛ удобно выражать в единицах радиационной длины. Значения радиационных единиц длины некоторых веществ из работы [30] приведены в табл. 20.2. Значения Х₀ в см рассчитаны для стандартных плотностей веществ из табл. 18.2 (плотность бетона равна 2,35 г/см³, плотность воздуха — 1,29−10'³ г/см³).

Таблица 20.2.

Значения Х₀

Область ливня за максимумом («хвост» ливня) состоит, в основном, из фотонов с энергией, соответствующей минимальному значению коэффициента ослабления в веществе и образованных ими комптоновских электронов. В «хвосте» ЭФЛ имеет место экспоненциальное затухание ливня ~ exp (-z /), где Х-эфл — длина ослабления (поглощения). Длина ослабления слабо зависит от энергии частицы, инициировавшей ливень, и примерно равна свободному пробегу наиболее проникающих фотонов. Если выразить Х.^, в радиационных единицах длины, то это примерно (2 — 3)2Г₀ [12]. Продольное развитие ЭФЛ определяется радиационной единицей длины вещества и в единицах Х₀ длина ливня в различных веществах примерно одинакова.

Основной вклад в поперечное развитие ЭФЛ дают два процесса: многократное кулоновское рассеяние электронов (до максимума ливня) и комптоновское рассеяние фотонов (после максимума). Радиальное распределение частиц ливня почти не зависит от вещества, если радиус выражать в мольеровских единицах длины:

где E_s =21,2 МэВ. Критическую энергию в МэВ более точно можно вычислить по формуле [30]:

в которую значения Х₀ надо подставлять в г/см². Мольеровская единица длины примерно равна среднеквадратичному расстоянию от оси ливня электронов с критической энергией после прохождения ими одной радиационной единицы.

Процессы развития ЭФЛ в различных средах хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально [8, 12, 23, 30]. Имеется некоторое отличие в пространственных характеристиках ЭФЛ (число частиц, поглощенная энергия), инициированных первичными фотонами и электронами (позитронами), в основном, на первой радиационной единице. Кроме этого ЭФЛ от первичного фотона имеет глубину проникновения примерно на 0,5 радиационных единиц больше, чем от электрона той же энергии.

Следует иметь в виду, что при очень больших энергиях электронов, позитронов и фотонов ЭФЛ возможно рождение мюонов (см. раздел 20.3.5) и адронов. Мюоны образуются в процессе прямой генерации мюонных пар фотонами у -> ц⁺ц. Этот процесс взаимодействия пороговый и энергии фотонов должны был, более 2т_цс². Сечение этого процесса в (т^/т_е)² раз меньше сечения рождения электрон-позитроииой пары. При энергиях фотонов более 3 ТэВ механизм прямой генерации мюонов фотонами является основным механизмом образования мюонов в ЭФЛ.

Мюоны рождаются также в реакции аннигиляции быстрых позитронов с атомными электронами е⁺е —> р' р. Пороговая энергия этого процесса взаимодействия E_lh =2m_(ic² jт_ес² — m_Qc² ~ 43,69 ГэВ, а полное сечение взаимодействия имеет максимум при энергии позитрона Е₊ =1,396 E_lh [28]. Величина микроскопического сечения на одном электроне не велика ~ 1 мкб.

Нейтроны образуются в фотоядерных реакциях фотонов с энергиями более 7−8 МэВ. При энергиях фотонов более 150 МэВ начинается процесс фоторождения пионов. Протоны и нейтроны рождаются также в элсктронядерных взаимодействия ультрарелятивистских электронов.