Khi năng lượng của photon tới lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (
2
2m ce 1, 02 MeV), photon có thể xuyên qua lớp vỏ nguyên tử để đi vào trường của hạt nhân thì sẽ sinh ra cặp electron – positron, minh họa như hình 1.5. Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân bé nên phần năng lượng còn dư sẽ biến thành tổng động năng của hai hạt sinh ra theo công thức 1.12 [29].
2
2 e e e
E m c E E (1.12)
Electron mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử môi trường. Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử môi trường sẽ trung hòa và chúng hủy nhau, quá trình hủy nhau sinh ra hai photon bay ngược nhau để thỏa mãn định luật bảo toàn động lượng, mỗi photon có năng lượng 0,511 MeV [29].
Khi photon tương tác với vật chất thì ba hiện tượng chính tạo nên sự suy giảm photon là hiện tượng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron – positron. Hệ số suy giảm tuyến tínhtỉ lệ với tiết diện tương tác , tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình trên xác định theo công thức 1.13 [29].
air
pho comp p
(1.13)
Các tiết diện vi phân tương tác phụ thuộc mạnh vào năng lượng của photon và số hiệu nguyên tử Z của vật liệu tương tác theo như các công thức 1.14, 1.15, 1.16 [29].
5 7 2 , pho Z E (1.14)
, Comp Z E (1.15) 2 ln . Pair Z E (1.16)
Với những hạt nhân nặng chẳng hạn như chì, hiệu ứng quang điện đóng góp quan trọng trong miền năng lượng thấp cỡ 0,2 MeV đến 2 MeV, hiệu ứng Compton từ 0,5 MeV đến 5 MeV, còn hiệu ứng tạo cặp từ 5 MeV trở lên. Với những hạt nhân nhẹ, chẳng hạn như nhôm hệ số suy giảm tuyến tính do hiện tượng quang điện đóng góp trong khoảng 100 keV đến 150 keV. Đối với đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo với năng lượng photon vào khoảng 0,25 MeV đến 2,6 MeV, hệ số suy giảm tuyến tính chủ yếu do hiệu ứng Compton đóng góp [29]. Tiết diện của các hiệu ứng quang điện, Compton, tạo cặp trong vật liệu germanium siêu tinh khiết phụ thuộc vào năng lượng tia gamma được minh họa như hình 1.6.