Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

рого медленно растет, выходя постепенно на плато. Образова­ ние минимума и дальнейший постепенный рост dE Jdx— реля­ тивистский эффект. Дело в том, что при v^>~c электрическое поле заряженной частицы деформируется. Оно теряет сфериче­ скую симметрию и «сгущается» в плоскости, перпендикулярной к направлению движения. Такое поперечное усиление поля при­ водит к увеличению рмакс, на которое простирается действие электрического поля пролетающей частицы. В соответствии с этим dEJdx несколько возрастает. Выход на плато обусловлен усилением влияния поляризации атомов среды при пролете частицы с очень высокой энергией (эффект плотности среды). Поляризация промежуточных атомов приводит к уменьшению

газах.

Следует обратить внимание также на начальный участок кривой, характеризируюгцей линейные потери энергии на иони­ зацию. В области малых энергий dEJdx достигает максимума и с дальнейшим уменьшением энергии резко падает. Этот эффект обусловлен тем, что при скорости частицы, сравниваемой со скоростью атомных электронов, имеется вероятность захвата частицей какого-либо атомного электрона (обмен электронами). При этом заряд тяжелой частицы уменьшается или частица полностью нейтрализуется, а это и ведет к уменьшению и поте­ ре ионизирующей способности частицы. Чтобы получить пред­ ставление о реальном масштабе линейных потерь энергии на ионизацию, приведем график зависимости dEJdx от Ек для раз­

энергии на ионизацию около 0,05 Мэв/см.

Как следует из рис. 1.4, зависимость dEJdx от энергии иони­ зирующей частицы весьма сложна. Более точные теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают также, что более сложный характер имеет зависимость dEJdx от мас­ сы частицы М, плотности среды 6 и атомного номера Z. Зави­ симость (1.34) лишь весьма приближенно передает влияние указанных факторов в области энергий, сравнимых с собствен­ ной энергией частицы.

Величина dEJdx в сущности лишь условно называется ли­ нейными потерями энергии на ионизацию. В действительности (по физическому смыслу) — это энергия частицы, передаваемая электронам. Не всякая переданная электронам энергия в от­ дельном акте взаимодействия приводит к акту ионизации. В от­ дельных актах происходит лишь возбуждение атома, так как переданная энергия может оказаться недостаточной для его

19

ионизации и образования одной пары ионов (вырванный элек­ трон и положительно заряженный атом или молекула).

Реальное число пар ионов, образующихся на пути движе­ ния ионизирующей частицы до полной потери ее энергии, на-

ходят экспериментально. При этом определяют общее число пар ионов, образующихся как в актах взаимодействия тяжелых частиц с электронами (первичная ионизация), так и в резуль­ тате ионизации среды 6-электронами (вторичная ионизация).

Пусть частица с энергией Ек полностью израсходовала свою кинетическую энергию на ионизацию и образовала в среде в процессе своего движения Ni пар ионов (первичных и вторич­ ных) .

Введем величину средней энергии ионообразования в дан­ ной среде:*

Оказывается, что е» является характеристической величиной для данной среды, слабо зависящей от типа ионизирующей ча­ стицы (протона, дейтрона, а-частицы) и ее энергии.

Для протонов, дейтронов и а-частиц средняя энергия ионо­ образования в воздухе равна около 34 эв. Для других газов ег колеблется от 20 до 50 эв. Для более тяжелых заряженных частиц данных о гг очень мало. Имеются сведения, что при прохождении тяжелых ядер отдачи через газы гг достигает

120— 140 эв.

20

Введем понятие линейной плотности ионизации dN{/dx — от­ ношение числа пар ионов, образованных заряженной частицей на некотором пути в среде, к длине этого пути. Очевидно, что согласно (1.35),

Таким образом, зная линейные потери энергии на ионизацию, по формуле (1.36) можно определить линейную плотность иони­ зации. Отсюда также следует, что все закономерности, касаю­ щиеся dEK/dx, справедливы также и для dNJdx. Значения энергии ионообразования указаны в справочных таблицах.

Зная энергию ионизирующей частицы, можно рассчитать общее число пар ионов, которые образуются в данной среде в результате полной потери энергии частицы на ионизацию. Со­ гласно (1.35),

Так, g|8 U испускает а-частицы с энергией 4,2 Мэе. Если такая

частица пролетает в воздухе, то на пути она должна образо­ вать 4,2 -106/34 = 123 000 пар ионов.

При прохождении тяжелой заряженной частицы в газах ве­ роятность упругого рассеяния частиц на ядрах очень мала. По­ этому такие частицы, попадая в газ, почти все движутся по прямой линии. Частица, попав в газ, в процессе ионизации атомов и молекул газа постепенно теряет свою кинетическую энергию, ее энергия уменьшается до энергии теплового дви­ жения (порядка 1/30 эв). При таких малых энергиях частица захватывает электроны других атомов и нейтрализуется. На этом ее существование как ионизирующей частицы заканчи­ вается. Итак, тяжелая заряженная частица имеет некоторую длину пробега в газе. В конденсированных средах вероятность рассеяния тяжелых заряженных частиц несколько больше, чем в газе. Однако движение значительной части частиц также пря­ молинейно. Длина пробега заряженной частицы, которую обыч­ но обозначают буквой R, зависит от энергии частицы и свойств среды. Длину пробега можно рассчитать теоретически, исполь­ зуя формулы для dEK/dx. Величина dEK/dx есть функция энер­ гии частицы £ к:

Е°

где Е °— начальная энергия заряженной частицы. Однако точ. ный теоретический расчет длины пробега затруднен из-за при­

21

ближенности теоретических формул. Поэтому длину пробега частиц определяют экспериментально.

Вследствие флуктуаций плотности среды, особенно в газах, длина пробега отдельных частиц испытывает статистический разброс. Поэтому при экспериментальном определении длины пробега по результатам измерений рассчитывают среднюю дли­ ну пробега.

. Существует ряд приближенных эмпирических формул, уста­ навливающих связь между энергией и длиной пробега тяже­ лых заряженных частиц. Например, между средней длиной про­ бега /?возД [сл] а-частиц в воздухе при 15° С и давлении 760 мм рт. ст. и их энергией Е а [Мэе] установлена следующая эмпирическая зависимость:

Для расчета длины пробега а-частиц в другой среде R с атом­ ной массой А и плотностью б используется следующая эмпири­ ческая формула:

Если известно число пар ионов, образующихся на длине пробе­ га частицы, то можно экспериментально оценить среднюю ли­

плотность ионизации различна. Распределение линейной плот­ ности ионизации на длине пробега изучено впервые Брэггом. График зависимости линейной плотности ионизации от пути, про­ ходимого а-частицей в воздухе, показан на рис. 1.6 (кривая

22