Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом

Как отмечалось выше, a -частицы относятся к классу тяжелых заряженных частиц. Частицы этого сорта участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях.

Сильное (или ядерное) взаимодействие ТЗЧ с ядрами проявляет себя на малых расстояниях (~10^-13 см) и приводит к протеканию различных ядерных реакций. Однако сближению частиц с ядрами на столь малые расстояния препятствует кулоновское отталкивание, поэтому ядерные реакции под действием ТЗЧ протекают, как правило, при высоких энергиях частиц – десятки МэВ и выше. Кроме того, столкновения, сопровождающиеся ядерными реакциями, происходят крайне редко из-за малости размеров ядер (£10^-12см). Для сравнения напомним, что размеры атомов (или электронных оболочек) составляют 10^-9-10^-8см. В результате роль ядерного взаимодействия при прохождении ТЗЧ через вещество оказывается незначительной, и это взаимодействие можно не учитывать, исключая специальные задачи, например, по физике защиты.

Для тяжелых заряженных частиц основным является кулоновское взаимодействие при столкновениях с электронами и ядрами вещества. В столкновениях с ядрами частицы меняют направление движения и передают ядру часть кинетической энергии. Потери энергии ТЗЧ в столкновениях с ядрами незначительны, так как такие столкновения происходят сравнительно редко из-за малости размеров ядер и экранизации кулоновского поля ядра электронной оболочкой (рис.2). К тому же потери энергии в каждом отдельном столкновении, как правило, невелики, поскольку ТЗЧ обычно много легче ядра.

Рис. 2. Схематичное изображение траекторий

тяжелых заряженных частиц в веществе

Тяжелые заряженные частицы теряют свою энергию, в основном, в столкновениях с электронами. При этом электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни (атом возбуждается) или вылетать из атома (нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион). В результате дальнодействующего характера кулоновских сил пролетающая через вещество частица испытывает столкновения с очень большим количеством электронов. Потери энергии ТЗЧ на ионизацию и возбуждение атомов вещества в расчете на единицу пути, так называемые удельные ионизационные потери зависят от энергии частицы Т (рис. 3), ее заряда q (~ q²) и плотности вещества r (~ r).

Рис. 3. Качественный вид зависимости удельных потерь

на ионизацию и возбуждение атомов вещества

от энергии частицы

Если толщину вещества измерять в массовых единицах х_m = х*r ([х_m] = г/см²), то удельные потери dT/d(хr) (в расчете на единицу массовой толщины) слабо зависят от типа вещества и не зависят от его агрегатного состояния.

Растеряв энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды, частица останавливается (термолизуется) на некоторой глубине; при этом ее кинетическая энергия Т ~ kТ⁰, где k – постоянная Больцмана, Т⁰ – температура вещества. Расстояние, пройденной частицей в веществе до остановки, называется пробегом:

, (5)

где Т₀ - начальная кинетическая энергия частицы.

В инженерных расчетах чаще используют экстраполированный пробег R_э, который определяют по эмпирическим формулам, полученным при обработке экспериментально измеренных кривых прохождения. Под кривой прохождения понимают зависимость числа частиц N(x), прошедших слой вещества толщиной x, от толщины слоя. Типичный вид кривой прохождения ТЗЧ представлен на рис. 4. Из рисунка видно, что экстраполированный пробег определяет минимальную толщину вещества, при которой происходит практически полное поглощение частиц.

Величина экстраполированного пробега зависит от типа частицы, ее энергии и вещества поглотителя. Путем обработки кривых прохождения, измеренных для частиц с разной энергией в разных веществах, получены эмпирические формулы для экстраполированных пробегов. Пробег a -частицы в воздухе определяется по формуле:

R_э=0.31T_a^3/2см; 4 < T_a < 7МэВ. (6)

При известном значении R_э формула (6) может быть использована для определения энергии a -частиц.

Рис. 4. Типичный вид кривой прохождения для тяжелых заряженных частиц: N₀ - число частиц, упавших на мишень, R_э - экстраполированный пробег

В данной работе для определения энергии a -частиц снимается кривая прохождения a -частиц в воздухе, из кривой графически находится R_э и затем при помощи формулы (6) вычисляется T_a. Толщина поглощающего слоя регулируется путем изменения расстояния между источником и детектором.

Схема установки для определения пробега a -частиц приведена на рис. 5. Исследуемый источник 1 помещается на подставку 2, которая с помощью винта 3 может перемещаться в вертикальном направлении.

Детектор частиц сцинтилляционный: a -частицы, попавшие в детектор, вызывают в нем вспышку света, преобразуемую фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) в электрический сигнал. Число электронных импульсов на выходе ФЭУ регистрируется пересчетным устройством.

Рис. 5. Схема установки для определения пробега a-частиц в воздухе:1 - источник a-частиц; 2 – подставка; 3 – винт; 4 – коллиматор; 5 – детектор

Date: 2015-07-01; view: 880; Нарушение авторских прав