[Physics] Interaction : Pair Production

1.022MeV 이상의 incident photon(사실상 주로 γ-ray)에서만 나타나는 interaction(상호작용).

electron(전자)와 positron(양전자)를 생성(←때문에 pair production으로 불림)함.

• 이 중 positron은 초기 가지고 있던 kinetic E를 다 잃게되면 반물질이기 때문에 주변 electron(전자)와 결합하여 annihilation이 일어남.
• annihilation이 일어나면, 관여한 positron과 electron이 소멸하고 각각의 질량에 해당하는 에너지인 511keV의 energy를 가진 annihilation photon 두 개가 서로에 대해 대략 180도 방향으로 방출됨 (운동량 보존법칙에 의해 180도 이루어짐).
  • At rest (←운동E가 둘 다 없어야함) the positron annihilates with electron creating two photons of 0.511 MeV emitted at 180°
• 해당 annihilation photon은 매우 높은 투과성을 가져서 검출기마저 쉽게 통과할 수 있음.
  • 1개만 탈출하거나 2개 모두 탈출하는 경우가 있기 때문에 검출기의 에너지 스펙트럼에서 전흡수 피크로부터 0.511MeV 혹은 1.022MeV 떨어진 곳에 각각 single escape peak 와 double escape peak 를 형성하게 됨.

의료영상에서는 거의 사용되지 않는 1,033keV 이상의 고에너지 photon이라 영상등에서는 고려되지 않는 interacton임.

 

Pair production is the process by which a positron - electron pair is created when a photon interacts in the Coulomb field of a nucleus. At least $1.022MeV = 2m_ec^2$ of a photon energy is required to create a positron - electron pair.

Energy conservation에 의해 다음이 성립.

$$E_e+E_p = h\nu-2m_ec^2$$

where,

• $E_e$ : pair production으로 생성된 electron의 (kinetice) energy
• $E_p$ : pair production으로 생성된 positron의 (kinetice) energy
• $2m_ec^2$ : 생성된 electron과 positron의 mass에 해당하는 energy equivalent.

 

Triplet production

전자의 columb field에서 pair production이 발생하기도 하는데, 이 interaction의 결과로 운동 중인 particle이 3개가 나온다고 해서 triplet production이라고도 불림.

triplet production의 경우 incident energy가 $4m_ec^2$가 넘어야하기 때문에 의료영상에선 거의 신경쓸 필요가 없음. Triplest production은 pair production에서 아주 작은 비율로 발생함.

 

선원 주변의 차폐제 등과 반응

차폐제와 pair product 상호작용 일으켜 발생한 511keV의 annihilation photon이 검출기로 들어와 측정되는 경우도 있음. annihilation peak라고 불림.(511keV에 피크 발생)