Vsya_teoria_k_FAYa

11

где L = vτ - длина пробега, v = βc - скорость мюона, τ - время жизни движущегося мюона. Из релятивистской механики известно, что

где τ0 - время жизни покоящегося мюона. Тогда имеем:

МэВ/с2.

Отношение числа мюонов, идущих под зенитным углом, к числу

вертикально падающих мюонов можно записать в виде:

1.Что такое первичное и вторичное космическое излучение?

2.Что входит в состав вторичного космического излучения?

3.Каковы компоненты первичного космического излучения?

4.В каких процессах появляется мюонная компонента в космических лучах?

12

Космическое излучение -

Это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность Земли из мирового пространства и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия излучения с атомами воздуха.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц, которые приходят на земную поверхность из разных областей всемирного пространства. Оно образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит из протонов (92%), альфа-

частиц (7%), ядер атомов лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др. (1%). Первичное космическое излучение отличается большой проникающей способностью. Космические излучения подразделяются по происхождению на внегалактические, галактические и солнечные.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики, энергия их чрезвычайно высокая – до 1019 эВ. Атмосфера служит своеобразным щитом, предохраняющим биологические объекты от воздействия космических частиц, поэтому лишь немногие частицы достигают поверхности Земли.

При взаимодействии космических частиц с атомами элементов, находящихся в атмосфере возникает вторичное космическое излучение. Оно состоит из мезонов,

электронов, позитронов, протонов, нейтронов, гаммаквантов, т.е. из практически всех известных в настоящее время частиц.

Первичные космические лучи, врываясь в атмосферу, постепенно теряют свою энергию, растрачивая ее на многочисленные столкновения с ядрами атомов воздуха. Получаемые осколки, приобретая часть энергии первичной частицы, сами становятся факторами ионизации, разрушают и ионизируют другие атомы газов воздуха, т.е. превращаются в частицы вторичного космического излучения.

Вторичное космическое излучение возникает в результате электронно-фотонных и электронно-ядерных взаимодействий. При электронно-фотонном процессе заряженная частица взаимодействует с полем ядра атома, рождая фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных частиц, энергия которых не менее 3х109 эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом взаимодействии возникает ряд новых частиц – мезонов, протонов, нейтронов. Вторичное космическое излучение имеет максимум на высоте 20-30 км, на меньшей высоте процессы поглощения вторичного излучения преобладают над процессами его образования.

♠ В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элементарные частицы, среди к-рых гл. роль играют -мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться

-мезоны образуют ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают

новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до 109 эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

13

Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных

-мезонов

Высокоэнергичные мюоны взаимодействуюг с веществом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю. Нейтроны и мюоны вторичного излучения постоянно регистрируются сетью наземных станций. На основе этих измерений исследуются вариации интенсивности первичных КЛ.

Возникновение электронно-фотонной компоненты связано с распадом

-мезонов: . В кулоновском поле ядер каждый g-фотон рождает электрон- позит-ронную пару . За счёт тормозного излучения этой пары вновь

возникают -фотоны, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до

тех пор, пока при нек-рой преобладающими не станут конкурирующие процессы

потери энергии -фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада. Число частиц в максимуме каскада пропорц. энергии первичной

частицы. Каскады, образующиеся при КЛ с >1014 эВ, содержат 106- 109 частиц; они наз. широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводится исследование КЛ в области сверхвысоких энергий.

♠ В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.

Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и γ-кванты.

π0 → 2γ ,

π+ → μ+ + νμ, π- → μ- + μ,

Мюоны в свою очередь могут распадаться

μ+ → e+ + νe + μ, μ- → e- + e + νμ.

Образующиеся при распаде нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в

основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.

14

Лабораторная работа

Изучение сцинтилляционного гамма спектрометра

Краткая теория

Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α- или β-

распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются

γ-кванты невысокой энергии (Eγ < 0,5 Мэв). Энергия γ-квантов испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Такой радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.

Экспериментально энергия γ-квантов определяется по вторичному излучению, возникающему при взаимодействии γ-кванта с веществом. При прохождении гамма-излучения через вещество вследствие взаимодействия

γ -квантов с атомами веществ происходит ослабление интенсивности пучка. В

диапазоне энергий радиоактивных препаратов 0.05-3 МэВ основными являются следующие три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование электронно-позитронной пары.

Сцинтилляционный метод основан на том, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул вещества. Слабые световые вспышки, сопровождающие эти процессы, могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью.

В сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы возникает слабая световая вспышка, которая в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ)

преобразуется в электрический импульс. На внутреннюю поверхность

15

стеклянного торца ФЭУ нанесен полупрозрачный сурьмяно-цезиевый слой,

служащий фотокатодом. Фотоны световой вспышки, возникающей в сцинтилляторе под действием заряженных частиц от источника, попадают на фотокатод и вырывают из него фотоэлектроны (рис). Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму и разгоняются электрическим полем,

существующим между умножающими электродами (динодами). Для питания ФЭУ используется источник высокого стабилизированного напряжения.

Если энергия падающего электрона в несколько раз превосходит работу выхода динода, то возможно выбивание вторичных электронов. Этот процесс умножения числа электронов в ФЭУ называется вторичной электронной эмиссией. Количественной характеристикой процесса умножения является коэффициент вторичной эмиссии, равный отношению числа выбитых из динода электронов к числу электронов, падающих на его поверхность. Коэффициент умножения ФЭУ в сцинтилляционном детекторе обычно составляет 105–106.

Вещества, применяемые в качестве сцинтилляторов, характеризуются следующими параметрами: сцинтилляционной эффективностью, световым выходом, временем высвечивания, прозрачностью к собственному люминесцентному излучению и его спектром. В качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных детекторах применяются неорганические и органические кристаллы, органические жидкие сцинтилляторы и пластмассы, а также газовые сцинтилляторы – гелий, аргон, криптон, ксенон. Из неорганических кристаллов наибольшее распространение получили NаI, ΚI, СsI.

16

Основными преимуществами сцинтилляционных детекторов является высокое временное разрешение, линейная зависимость между величиной сигнала и поглощенной энергией излучения, возможность применения жидких детекторов любой формы и объема. Эффективность регистрации достигает

100%. Недостатком метода является сложность и нестабильность ФЭУ,

применяемого для усиления первичного эффекта.

Контрольные вопросы

1.Какие процессы происходят при взаимодействии гамма-квантов с веществом?

2.На чем основан сцинтилляционный метод регистрации заряженных частиц?

3.Как устроен фотоэлектронный умножитель?

4.Какие преимущества и недостатки сцинтилляционных детекторов?

(Всё в тексте)