Курсовая работа: Взаимодействие бета-частиц с веществом

Типичный бета-спектр показан на рис. 1. Бета-распад ³² Р происходит на основное состояние ³² S и не сопровождается - излучением (см. схему распада). Во многих случаях бета-распад происходит на возбужденные уровни ядра-продукта. В этих слу­чаях бета-и:злучение сопровождается - излучением.При этом возбужденное ядро может передать энергию электронам атомных оболочек, в результате чего образуются моноэнергетические группы электронов с энергией , где hv — энер­гия -излучения, Е_св — энергия связи на одной из атомных обо­лочек. Это явление называется эффектом внутренней конвер­сии -излучения. Электроны внутренней конверсии могут затруд­нять измерения бета-спектров. Участок бета-спектра с линиями электронов внутренней конверсии при распаде показан на рис. 2.

Взаимодействие электронов с веществом

Электроны, движущиеся в веществе, взаимодействуют с его атомами, в результате чего теряют свою энергию и отклоняются от первоначального направления, т. е. рассеиваются. Рассеяние называется упругим, если сохраняется сумма кинетических энер­гий взаимодействующих частиц. Всякое иное рассеяние называ­ется неупругим. Следует различать взаимодействие электронов с атомными электронами и атомными ядрами, хотя оба вида взаи­модействия всегда происходят одновременно.

Взаимодействие -частиц с атомными электронами приводит к передаче атомному электрону некоторой энергии, следствием чего является либо ионизация, либо возбуждение ато­ма. Оба вида передачи энергии имеют примерно равную вероят­ность и объединяются под общим названием "ионизационные по­тери энергии". Теория ионизационных потерь электронов была разработана Бором, а также Бете и Блохом, которые получили формулу для потери энергии на ионизацию на единице пути

(4)

где и Е — скорость и кинетическая энергия падающего элек­трона; и е масса покоя и заряд электрона; Z заряд ядра; п — число атомов в 1 см³ среды (, где А — атомный номер вещества); — средняя энергия возбуждения атома; — член, учитывающий поляризацию среды.

Л. Д. Ландау показал, что средние потери энергии моно­хроматическими электронами при прохождении слоя вещества с атомным номером А и зарядовым числом Z составляют:

(5)

где — плотность вещества, г/см³ , — толщина слоя вещества, см.

Так как отношение Z / A для разных веществ приблизительно постоянно, то величина ( dE / dx ) в формуле (5.5) практически за­висит лишь от плотности вещества . Очень слабая зависимость от Z проявляется только в средней энергии возбуждения , ко­торая стоит под знаком логарифма. Следовательно, пробег элек­тронов с данной первоначальной энергией Е в различных веще­ствах с одинаковой плотностью будет приблизительно одинако­вым. Поэтому за меру толщины вещества, взаимодействующего с электронами, берут произведение линейной толщины и плотности вещества и выражают пробег в единицах г /см² или мг/см² .

При взаимодействии -частиц с ядрами происходят процессы упругого рассеяния электронов в кулоновском поле яд­ра и неупругого рассеяния, сопровождаемого испусканием элек­тромагнитного излучения.

Упругое рассеяние электронов в кулоновском поле ядра мо­жет быть условно разделено на четыре класса: однократное рас­сеяние, кратное рассеяние, многократное рассеяние и диффузия. Если толщина слоя мала, , где — эффективное сечение процесса), то происходит только однократное рассеяние, т. е. почти все рассеяние обусловлено только одним ядром. Для больших толщин ()получается кратное рассеяние, т. е. угол рассеяния обязан нескольким последовательным однократ­ным актам рассеяния. При многократном рассеянии (среднее чис­ло актов рассеяния больше 20) угловое распределение рассеян­ных электронов является приблизительно гауссовым до тех пор, пока средний угол рассеяния меньше 20°. Для еще больших тол­щин ()угловое распределение рассеянных электронов принимает вид . Средний угол рассеяния дости­гает максимальной величины =33° и остается постоянным при дальнейшем увеличении толщины. Это случай полной диффузии. Электроны выходят из слоя также и со стороны падающего пучка— это так называемое обратное рассеяние электронов.

Неупругие процессы при взаимодействии электрона с ядром связаны с испусканием электромагнитного излучения, возникаю­щего при ускорении электрона в кулоновском поле ядра. Рожден­ное в таком процессе -излучение является тормозным. Потеря энергии электрона на тормозное излучение называется радиаци­онной. Согласно Гейтлеру радиационные потери на единице дли­ны равны

(6)

Вероятность образования тормозного излучения пропорцио­нальна квадрату заряда ядра, поэтому радиационные потери энергии играет большую роль в тяжелых элементах. Излучение является важным механизмом потери энергии электронами, но этот механизм несущественен для более тяжелых частиц (мезо­нов, протонов и др.).

Сравнение формул для потерь энергии на излучение и на ионизацию показывает, что потери энергии имеет разный ха­рактер. Так, потери энергии на излучение пропорциональны Z ² и увеличиваются с энергией линейно, в то время как потери на ионизацию пропорциональны Z и увеличиваются с энергией лишь логарифмически. Поэтому при больших энергиях падаю­щих электронов преобладают потери на излучение. С уменьше­нием энергии электрона роль ионизации (и возбуждения) увели­чивается. При энергии (МэВ) оба вида потери энер­гии имеют примерно равную вероятность. Отметим, что для А1 (Z—13) — 46 МэВ. Для электронов, испускаемых при радио­активном распаде, радиационные потери в общем балансе поте­ри играют незначительную роль, так как значения энергии бета-распада обычно не превышают 5 МэВ.

Все сказанное выше применимо и для позитронов. Надо за­метить, что проникающая способность позитронов немного отли­чается от проникающей способности электронов той же энергии ввиду того, что позитроны и электроны несколько по-разному рассеивается в поле ядра. Вызванное этим обстоятельством раз­личие в поведении данных частиц не является существенным.

Детектирование.

Основным принципом детектирования электронов является регистрация ионов, образующихся в результате взаимодействия электронов с веществом детектора. К таким детекторам относят­ся газонаполненные и твердотельные детекторы.

Так как число нар ионов, создаваемых при движении элек­тронов в веществе детектора, сравнительно невелико, то более эффективными газонаполненными детекторами являются счет­чики с газовым усилением (счетчики Гейгера-Мюллера и про­порциональные счетчики). Большой эффективностью обладают и твердотельные детекторы (сцинтилляторы и полупроводники). Например, при толщине детектирующего слоя 10 мм полупро­водниковые детекторы регистрируют почти со стопроцентной ве­роятностью бета-частицы с энергией до 3 МэВ.

Достоинством пропорциональных счетчиков, сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов является возможность по­лучать от этих приборов электрические импульсы, амплитуда ко­торых пропорциональна энергии бета-частицы. Это обстоятель­ство позволяет регистрировать спектры бета-частиц. Из перечис­ленных выше приборов наилучшими спектральными характеристиками обладают полупроводниковые детекторы, на которых по­лучают электронные линии с полушириной ~1 кэВ. Более высо­кой разрешающей способностью (до 1—10 эВ) обладают электро­статические и магнитные спектрометры, но эти приборы весьма сложны, дороги и, как правило, обладают малой светосилой (т.е. регистрируют лишь незначительную часть электронов, испущенных источником). В тех опытах, в которых не требуется знание спектрального распределения электронов, для их регистрации ис­пользуются счетчики Гейгера-Мюллера как наиболее простые и эффективные детекторы. Для измерения спектрального распре­деления бета-частиц используются сцинтилляционные кристаллы и полупроводниковые детекторы. Из других методов детектиро­вания электронов отметим счетчики, регистрирующие черенковское свечение, возникающее при прохождении быстрых электро­нов через вещество, однако эти счетчики наиболее эффективны при больших энергиях электронов.

Определение граничной энергии бета-спектра методом поглощения

Знание максимальной энергии бета-излучения необходимо для решения многих научных и практических задач. Во многих важ­ных случаях периоды полураспада оказываются очень коротки­ми и составляют всего несколько минут или даже секунд. При этом часто приходится иметь дело с препаратами малой интен­сивности. Поэтому необходимы простые и быстрые способы опре­деления максимальной энергии бета-излучения, не требующие к тому же больших активностей. Одним из таких способов являет­ся метод поглощения, которым можно определить максимальную энергию бета-спектра с погрешностью порядка 5—10%. Такая точ­ность часто бывает достаточной при решении прикладных задач. Точнее определить энергию бета-частиц можно с помощью про­порционального счетчика, сцинтилляционного, полупроводнико­вого и магнитного спектрометров.

Принцип метода поглощения заключается в определении про­бега электронов в каком-либо веществе.

Рассмотрим пучок электронов, падающий нормально на по­верхность фильтра (рис. 29). Первоначально быстрые электроны проходят в поглотителе некоторое расстояние приблизительно попрямой линии, теряя небольшие количества энергии и испыты­вая лишь малые отклонения.

По мере уменьшения энер­гий электронов их рассеяние становится более сильным. Уг­ловое распределение электро­нов в пучке начинает прибли­жаться к гауссову, характерно­му для многократного рассея­ния. В этой области наиболее ве­роятный угол рассеяния увели­чивается пропорционально квадратному корню из пройденной толщины фольги. При дальнейшем рассеянии угловое распреде­ление становится настолько размытым, что нельзя говорить о каком-либо преимущественном направлении движения электро­нов, и их распространение можно рассматривать как диффузию.

Число электронов, прошедших через фольгу, есть монотонно убывающая функция толщины фольги. Для умеренных толщин уменьшение числа электронов является следствием, главным об­разом, обратной диффузии электронов, которые отклоняются на углы, превышающие 90°, в результате сложения большого числа отклонений на малые углы. При дальнейшем увеличении толщи­ны фольги уменьшение числа электронов происходит как вслед­ствие рассеяния, так и по причине того, что часть из них тормо­зится практически до нулевой энергии и, таких образом, выбы­вает из пучка. Предельная толщина фольги, практически полно­стью задерживающая первоначально падающие электроны, на­зывается эффективным пробегом электронов. Этот пробег опре­деляется по кривым поглощения.

Так как теоретические расчеты эффективного пробега моно­энергетических электронов в конденсированной среде трудны, приходится обращаться к установлению эмпирического соотно­ шения "пробег — энергия" путем измерения пробега моноэнергетических электронов известной энергии.

Рис. 4. Кривые поглощения моноэнергетических электронов разных энергий в алюминии.

Однако при этом возникает трудность экспериментально­го определения пробега по измеренной кривой поглощения. Экспериментально пробег не может быть определен как пре­дельная толщина поглотителя, которую уже не могут пройтипервоначально падающие элек­троны, так как различные элек­троны данного пучка рассе­иваются или тормозятся по-разному и такая толщина прак­тически не существует.

На рис. 5 приведены типич­ные кривые поглощения в алю­минии для моноэнергетических электронов различных энергий. По оси абсцисс отложена толщина d алюминиевого фильтра, по оси ординат — интенсивность I пучка электронов, прошедших через фильтр. Каждая кривая имеет после начальной выпуклой части довольно длинную прямо­линейную часть, заканчивающуюся некоторым "хвостом". Наи­более воспроизводимой чертой кривых поглощения, снятых при различных условиях эксперимента является точка пересечения линейной части кривой поглощения с осью абсцисс (экстраполи­ рованный пробег,).

Экстраполированный пробег используется для практических целей. Выше 0,8 МэВ связь между пробегом и энерги­ей электронов может быть выражена линейным соотношением = А + BE , где А и В — константы.

Кривые поглощения в случае бета-излучения, имеющего непрерывный энергетический спектр, отличаются от кривых по­глощения для моноэнергетических электронов более резким, по­чти экспоненциальным спадом. Такой спад объясняется тем, что в пучке бета-частиц имеются электроны всевозможных энергий, в том числе и очень малых, медленные же электроны поглощают­ся весьма сильно. Типичная кривая поглощения бета-излучения приведена на рис. 5а. Как видно, конец кривой поглощения под­ходит к линии фона асимптотически. Такой ход кривой объясня­ется постепенно уменьшающимся в бета-спектре числом быстрых электронов и относительно слабым поглощением электронов мак­симальной энергии. По такой кривой поглощения нельзя произ­вести непосредственное определение пробега.