Аналитический обзор литературы

Механизмы взаимодействие альфа-частиц с веществом

Частицы и излучение могут быть зарегистрированы непосредственно лишь через взаимодействие с веществом. Взаимодействия заряженных частиц отличны от взаимодействия нейтральных частиц, например, таких как фотоны. Каждый процесс взаимодействия может быть основой для определенного вида излучения при детектировании. Вследствие этого существует большое количество детекторов частиц и излучения. Также для одной и той же частицы при различных значениях энергии существенную роль могут играть разные виды взаимодействия.

Для анализа результатов различных экспериментов, важно знать какие процессы происходят при взаимодействии частицы с веществом мишени. Регистрация частиц также происходит в результате их взаимодействия с веществом детектора. Взаимодействие частиц с веществом зависит от таких характеристик материала как его атомный номер, масса, энергия, плотность и средний ионизационный потенциал.

Альфа-частицы представляют собой ядра гелия, имеют заряд +2е, состоят из 4 нуклонов — 2 протонов и 2 нейтронов. Ядро 4He, т. е. б_частица, является практически единственной тяжелой частицей, которая испускается при радиоактивном распаде. Это связано с ее компактностью, с большой энергией связи, которой она обладает. Первое возбужденное состояние 4He находится выше, чем его энергия развала. Поэтому велика вероятность виртуального образования 4He в тяжелых ядрах с последующим вылетом его из ядра. Альфа-частицы имеют энергию от 4 до 11 МэВ. Частицы с относительно небольшой энергией можно получить путем ионизации атомов гелия. спектрометрический детектор фотоядерный Альфа-частицы часто используют в качестве бомбардирующих частиц при изучении строения вещества. На современных ускорителях получают пучки б-частиц с энергией от нескольких до сотен МэВ. Альфа-частицы таких энергий успешно используются для изучения свойств атомных ядер.

Проходя через вещество, заряженная частица за счет кулоновского взаимодействия упруго рассеивается на электронах и ядрах атомов и неупруго на электронах, передавая им часть своей энергии, которая расходуется в основном на ионизацию атомов. Поэтому такой процесс носит название ионизационных потерь энергии. Ионизационные потери энергии заряженных частиц играют исключительно важную роль в науке и технике.

Ионизационные потери используются для идентификации частиц с помощью различных детекторов (пропорциональных счетчиков, фотоэмульсий, пузырьковых камер, сцинтилляционных счетчиков и т. д.). Для частиц с данным зарядом измерения ионизационных потерь и импульса позволяют определить их массу. Если же масса частицы известна, то измерение ионизационных потерь дает возможность определить ее энергию. Практически вся энергия частиц, которые движутся в некоторой среде, тратится на ионизацию и возбуждение атомов этой среды. Величина ионизационных потерь энергии влияет на выбор материала и размеры биологической защиты на современных ускорителях и ректорах, а также при работе с рентгеновским излучением и радиоактивными источниками. Принцип действия большинства детекторов частиц как низких, так и высоких энергий основан на регистрации образованного ими ионизационного заряда.

Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна.

(1).

где v — скорость частицы,.

m_е— масса частицы.

Рисунок 1 — Кривая Брэгга.

Зная энергию б-частицы и число пар ионов, образованных ею на протяжении всего пути, можно определить среднюю энергию, затрачиваемую б-частицей на создание одной пары ионов. Оказалось, что эта величина почти не зависит от скорости частицы, но является важной характеристикой вещества Различают первичную (число первично образовавшихся электрон-ионных пар) и полную ионизацию. Некоторым первично родившимся электронам может быть передана достаточно большая энергия, вследствие чего они тоже производят ионизацию. Подобная вторичная ионизация вместе с первичной и дает полную ионизацию.

Полной ионизацией называется число пар ионов, образованных б_частицей на всем ее пути. Ее можно вычислить из полных потерь энергии в детекторе согласно соотношению:

(2).

где ?E — полные потери энергии в детекторе;

W — средняя энергия, необходимая для образования электрон-ионной пары.

Это выражение справедливо только тогда, когда переданная энергия полностью выделяется в чувствительном объеме детектора.

Удельные ионизационные потери энергии в веществе со сложным химическим составом можно подсчитать по формуле:

(3).

где M — молекулярный вес соединения,.

N_i — количество атомов сорта i с атомным весом A_i в молекуле,.

(dE/d)_i — удельные потери для данного простого вещества.

Если пролетающая через вещество частица имеет энергию большую, чем энергия связи электрона в атоме, удельные ионизационные потери энергии для тяжелых заряженных частиц описываются формулой Бете — Блоха:

(4).

где z — заряд налетающей частицы в единицах элементарного заряда;

Z, A — атомный номер и атомный вес вещества;

m_e, r_e — масса электрона и его классический радиус;

— число Авогадро;

I — средний потенциал ионизации, характеризующий вещество и приблизительно равный эВ для Z > 1;

д — параметр, который характеризует насколько электрическое поле налетающих релятивистских частиц экранируется плотностью заряда атомных электронов. Из-за этого эффекта потери энергии уменьшаются («эффект плотности», «плато Ферми» в энергетических потерях).

В твердотельных детекторах заряженные частицы образуют электронно_дырочные пары. В GaAs для образования электронно-дырочной пары в среднем требуется 4,2 эВ. Это значит, что количество носителей заряда, образующихся в твердотельных детекторах, гораздо больше, чем количество образующихся электронно-ионных пар в газе (в газах средняя энергия образования электронно-ионной пары примерно равна 30 эВ). По этой причине статистические флуктуации числа родившихся носителей заряда для данной величины потерь энергии в твердотельных детекторах гораздо меньше, чем в газовых, что обеспечивает высокую разрешающую способность по энергии.