spez_fiz_pr_zachita

539.1.07(075.8)22.383 73

28

. .

28 : / . . ; ! " . – ! : #$- ! % " % , 2010. – 404 .

$' $ , $' ? % "$ . > $ " -$ , $ " -% ?' $ -@ . # A $ -?' % . + $ $" % " $ . .

> $ $ $ $ % % " % «B » «= $ ».

539.1.07(075.8)22.383 73

- " ,!&

. .

" "$' $ *## + %

! % % + 6<=*

. .

© &+ >+ *# !> , 2010 © . ., 2010

© + . #$ ! %" % , 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

В основу данного учебного пособия «Специальный физический практикум» положен материал курса лекций по дисциплинам «Экспериментальные методы ядерной физики» и «Детекторы излучения», которые автор читал студентам Томского политехнического университета на протяжении более 12 лет. На выбор и расположение материала пособия в значительной мере повлияли рекомендации, сделанные в свое время профессорами Томского политехнического университета Б.А. Кононовым и А.П. Потылицыным. Во втором издании учебного пособия исправлены опечатки, неточности, замеченные с момента выхода первого издания в 2002 г. Значительно обновлен иллюстративный материал.

Материал, изложенный в 12 главах и 2-х приложениях пособия, содержит около 400 страниц текста, 223 рис., 20 таблиц и охватывает следующие темы:

Ионизационные потери энергии. Радиационные потери энергии. Рассеяние частиц. Соотношение пробег – энергия. Взаимодействие -квантов

свеществом. Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики

ссамостоятельным разрядом. Сцинтилляционная спектрометрия. Счетчики Черенкова, полупроводниковые детекторы. Трековые приборы: камера Вильсона, искровая камера, стримерная камера. Магнитная бета- и гаммаспектрометрия. Современные многопроволочные детекторы: пропорциональные и дрейфовые камеры. Кристалл–дифракционная

спектроскопия -излучения. Расшифровка аппаратурных спектров. Использование излучений в научных целях, технике и медицине.

В данном пособии, в отличие от предыдущего издания, значительно расширен обзор по современным многодетекторным системам и применению излучений в научных целях, технике и медицине.

Также, в отличие от предыдущего издания, в пособии приведено порядка 90 задач и упражнений, необходимых для усвоения теоретического материала. С этой целью решения некоторых задач приведены с пропуском некоторой части доказательств таким образом, чтобы читатели смогли самостоятельно довести решения до конца. Завершает пособие несколько заданий в форме тестов. Здесь необходимо самостоятельно из нескольких предложенных ответов выбрать один правильный. На практических занятиях также используется компьютерная программа по моделированию процесса измерения спектров электронов с помощью магнитных спектрометров. Иллюстративный материал этого процесса приведен в тексте пособия.

Специальный физический практикум по сути дела включает в свою основу экспериментальные методы ядерной физики и содержит ряд средств и методик, необходимых для проведения физических экспериментов с исследуемым ядерным излучением.

Проведение современного ядерно–физического эксперимента связано с использованием достижений в самых разнообразных отраслях науки: физики твердого тела и физики газового разряда, химии, математики,

3

микроэлектроники, теории вероятностей и др. Ядерно–физический эксперимент невозможно провести без использования современной быстродействующей вычислительной техники. Специалист, имеющий дело с ядерным излучением, должен хорошо представлять, как происходит взаимодействие излучения с веществом, что надо предпринять, чтобы это излучение уверенно зарегистрировать и какие схемные решения нужно для этого применить.

Детекторы ядерного излучения широко используются не только при исследованиях свойств элементарных частиц, но и в различных областях промышленности, науки, медицины и социальной сферы. Измерениями различных характеристик ионизирующих излучений занимается в настоящее время широкий круг специалистов.

Учебное пособие предназначено в первую очередь для магистрантов и студентов, изучающих основы экспериментальных методов ядерной физики, но может быть полезно аспирантам и инженерам других специальностей, связанных с применением ионизирующих излучений. Изучение материала пособия предполагает знакомство обучающегося с основами электроники, теоретической, атомной и ядерной физики.

Автор весьма благодарен Д.В. Кашковскому за помощь в оформлении иллюстративного материала и создании компьютерной программы по моделированию процесса измерения спектров электронов на магнитных спектрометрах различных типов.

Замечания и пожелания автору можно направлять по электронным адресам: kshkvch@mail.tomsknet.ru или vikt@chair12.phtd.tpu.edu.ru.

Виктор Кашковский

4

ВВЕДЕНИЕ

Цель «Специального физического практикума» – знакомство с фундаментальными свойствами излучения, изучение различных процессов в детекторах, их конструктивных особенностях и примеров использования.

Специальный физический практикум по сути дела включает в свою основу экспериментальные методы ядерной физики, которые содержат в себе весь арсенал средств, служащих для проведения ядерно–физических экспериментов, от этапа регистрации излучения до математической обработки получаемых результатов.

Ускоренное развитие различных технологий, замечаемое нами по их внедрению в производство и быт, основано, прежде всего, на достижениях в области фундаментальных исследований, углубляющих наши представления о свойствах материи. Ведущая роль здесь принадлежит исследованиям в области физики элементарных частиц и ядерной физики.

Ядерно–физический эксперимент в большинстве случаев имеет своей целью регистрацию и исследование различного вида излучений, возникающих при радиоактивных превращениях ядер, взаимодействии частиц с ядрами вещества или друг с другом и т. д. Сегодня совершенно недостаточно просто регистрировать частицы и излучение. Нужно установить их природу, т. е. узнать, имеем ли мы дело, например, с электронами,

мюонами, -мезонами или энергичными -квантами. Кроме того, часто требуются точные измерения энергии и импульса

При этом методы детектирования излучений занимают особое положение в экспериментальной физике, поскольку практически все сведения об окружающем нас мире мы получаем с помощью регистрации и анализа излучений [1].

Наиболее доступными детекторами являются органы человеческих чувств – зрительный анализатор и дополнительно слуховой. В этом случае мы имеем представление только о предметах, испускающих электромагнитное излучение в видимом диапазоне. Для ответа на современные вопросы об устройстве микромира и вселенной естественные средства регистрации не обладают достаточной чувствительностью, и их диапазон весьма ограничен.

Развитие детекторов элементарных частиц началось с момента открытия радиоактивности Анри Беккерелем в 1896 году. Он заметил, что соль урана может засвечивать фоточувствительную пластинку. Первые детекторы ядерных частиц на основе рентгеновских пленок были чрезвычайно простыми. Сцинтилляторы на основе ZnS, которые использовали в начале 20-го века в первых экспериментах по изучению процессов рассеяния

-частиц (связанных с весьма утомительным подсчетом световых вспышек на сцинтилляционном экране невооруженным глазом), также были несложными.

Чтобы заглянуть в микромир, требуются микроскопы. Различные структуры могут быть разрешены до размеров, которые сравнимы с длинами волн, используемых при наблюдении за ними (для видимого света 0,5 мкм).

5

Для исследования микромира и структуры вселенной необходимо уметь регистрировать энергии в диапазоне от 10-6 до 1020 эВ.

Сегодня в физике элементарных частиц микроскопами являются ускорители с оснащающими их детекторами. С их помощью человеку удалось обострить свои чувства и разработать новые. Для многих экспериментов требуется создание новых, специальных детекторов, которые в большинстве случаев должны осуществлять не только какой-то один вид измерений. Однако до настоящего времени не существует универсального детектора, который обеспечивал бы определение всех необходимых параметров одновременно. Направление методов регистрации со временем стало смещаться от оптических к чисто электронным средствам, Поэтому обработка электронных сигналов играет для детекторов элементарных частиц все более важную роль.

1. РЕГИСТРАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ

1.1. Источники ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение обязано своим происхождением либо нашему естественному окружению, либо искусственным источникам. При этом первичное излучение состоит или из массивных заряженных частиц, или из безмассовых нейтральных квантов, т. е. фотонов или нейтрино.

Если мы наблюдаем излучение из окружающей среды, то можно указать на два его основных источника.

Первый – галактические и солнечные космические лучи, взаимодействующие с внешней частью земной атмосферы. Они состоят главным образом из протонов, лёгких ядер и электронов. Взаимодействуя с земной атмосферой, они образуют вторичные частицы и в том числе короткоживущие -мезоны (пионы) и мюоны.

Наиболее интенсивным источником излучения в пространстве вблизи нашей планеты является Солнце. Кроме видимого света и нейтрино от ядерных реакций синтеза, Солнце испускает также массивные частицы. Это в

основном электроны, протоны и -частицы, испускаемые с солнечной поверхности при вспышках. Достигая Земли, они вызывают северное сияние и магнитные бури. Солнечный ветер ответственен также за существование радиационных поясов Земли.

Другим естественным источником излучения является открытое в 1896 г. Беккерелем в урановых рудах явление естественной радиоактивности.

При этом испускается -, - или -излучение с энергией до нескольких МэВ. Альфа - распад обычное явление для тяжёлых частиц ядер, -излучение ядер является моноэнергетическим ( Eкин ~ 2 10 МэВ).

Энергетический спектр электронов непрерывен от 0 до Emax . Гамма - распад

6

– электромагнитный переход возбуждённого ядерного состояния ZA X * в состояние с меньшей энергией того же ядра ZA X . При этом испускаются

моноэнергетические -кванты с энергией до нескольких МэВ.

Естественная радиоактивность имеет решающее значение для энергетического баланса земных недр и оказывает огромное влияние на всё, живущее на нашей планете.

Естественную радиоактивность используют для определения возраста минералов геологических месторождений, метеоритов или лунных образцов.

Таким образом, был установлен возраст Земли 4,6 109 лет. Для органических веществ датировку осуществляют, измеряя -активность

углерода146 C , образующегося под действием космического излучения и распадающегося с периодом полураспада, равным T1 2 5730 лет. В земной

атмосфере концентрация 146 C находится в равновесии со стабильными изотопами, а когда в результате смерти растения или животного обмен CO2 с атмосферой прекращается, то концентрация 146 C уменьшается по экспоненте

в соответствии с законом радиоактивного распада.

Искусственная радиоактивность обязана своим существованием развитию ускорительной техники и ядерным реакторам. Например, нейтроны

от реакторов используются для получения -излучателей с периодом полураспада от долей секунды до 105 лет.

Таким образом, источником излучения могут быть окружающая среда, объекты космического пространства, ядерный реактор, ускоритель заряженных частиц, радиоактивные препараты.

1.2. Физические процессы детектирования излучения

Регистрация любого вида излучения происходит в результате его взаимодействия с веществом детектора.

Рис. 1.1. Функциональная схема эксперимента

Излучение от источника попадает в объём детектора, взаимодействует с рабочим веществом детектора и теряет в нём часть или всю свою энергию. В результате поглощения энергии в объёме детектора изменяется его состояние, что приводит к появлению сигнала. Этот сигнал усиливается, анализируется и регистрируется в специальных устройствах.

Детектор – это часть системы, в которой происходит поглощение энергии излучения и её преобразование, приводящее к появлению сигнала.

Первые детекторы для регистрации излучений создала сама природа в виде светочувствительных элементов живых организмов. В зрительном

7

анализаторе человека и животных детекторами являются колбочки и палочки. Свет фокусируется на них, поглощается, и в результате возникают электромагнитные импульсы, которые передаются по нервным волокнам в мозг. Вся система в целом образует зрительный анализатор. В диапазоне от 400 до 700 нм глаз человека способен регистрировать всего несколько фотонов за вспышку.

Для того чтобы «увидеть» излучение другого диапазона и другой природы, необходимы специальные детекторы, но основные принципы регистрации излучений остаются неизменными для любых систем и для любых видов излучения.

С точки зрения методов детектирования, все виды излучений целесообразно разбить на два класса: заряженные частицы и незаряженные частицы, поскольку физические процессы, которые позволяют нам регистрировать частицы, различны для нейтральных и заряженных частиц.

Заряженные частицы, проходя через вещество детектора, теряют свою энергию на возбуждение и ионизацию вещества. Это приводит в итоге к образованию сигнала, характеризующего эффекты, которые возникают в результате взаимодействия заряженной частицы с веществом.

Фотоны могут взаимодействовать с веществом за счёт фотоэффекта, комптон-эффекта или за счёт образования пар (при E 1,02 МэВ).

Электроны и позитроны, возникающие в этих взаимодействиях, можно регистрировать таким же образом, как и другие заряженные частицы.

Нейтроны образуют вторичные заряженные частицы в результате взаимодействия с ядрами. Нейтрино можно регистрировать только по их слабому взаимодействию с ядрами или электронами.

Детектирование излучения – сложный многоступенчатый процесс, зависящий от природы частицы и природы вещества, заполняющего объём детектора. Общим для всех видов излучений, независимо от их природы является то, что регистрируемые частицы распределены в пространстве и во времени. Поток частиц на входе детектора может быть стационарным. Это означает, что среднее за определённый промежуток времени число частиц, падающих на окно детектора, постоянно.

Поток частиц может быть импульсным; это такой поток частиц, время существования которого по порядку величины сравнимо с длительностью процессов, приводящих к образованию сигнала на выходе детектора.

Характеристики многих детекторов при регистрации стационарных и импульсных потоков существенно различаются.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

2.1. Общие понятия

Под ядерным излучением обычно понимают потоки частиц, таких, как электроны, протоны, -частицы, мезоны, нейтроны, фотоны, осколки деления и т. д.

8

Взаимодействие частиц с электронами, атомами, ядрами среды происходят в результате действия различных сил: кулоновских, ядерных, электромагнитных [2]. В то же самое время взаимодействия могут быть упругими и неупругими. Мы будем рассматривать взаимодействия с веществом тяжёлых заряженных частиц (масса которых много больше массы

электрона); лёгких заряженных частиц: электроны, позитроны и -квантов. Заряженные частицы при прохождении в веществе расходуют часть

своей энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды (это, так называемые, ионизационные потери) ионизация и возбуждение атомов приводит к макроскопическим эффектам, позволяющим регистрировать заряженные частицы. Основное отличие во взаимодействии тяжёлых и лёгких заряженных частиц заключается в том, что для легких частиц оказываются более существенными потери энергии в результате электромагнитного излучения (радиационные потери энергии).

Гамма - кванты и нейтроны не имеют электрического заряда и поэтому не создают сколько-нибудь заметных ионизационных эффектов. Но в результате упругих и неупругих (ядерных, электромагнитных)

взаимодействий с атомами и ядрами среды -кванты и нейтроны образуют свободные заряженные частицы (электроны, ядра отдачи, -частицы и т. д.), передавая им значительную часть своей энергии. Это позволяет

регистрировать -кванты и нейтроны по вторичным эффектам.

Поглощённая в среде энергия может явиться причиной различных физических явлений, которые используются для регистрации излучения.

2.2. Взаимодействие тяжёлых заряженных частиц с веществом

Тяжёлые частицы с малым зарядом ( z = 1, 2) протоны, дейтроны ( p, d )

и -частицы при прохождении в веществе теряют свою энергию главным образом в результате неупругих столкновений с атомами вещества. Неупругие столкновения с атомами вызывают возбуждение и ионизацию

атомов (эти процессы в основном происходят при энергии 50 МэВ).

Ионизационные потери энергии. В классическом приближении сравнительно простой расчёт, проведённый Бором, позволил оценить удельные потери энергии заряженными частицами в результате взаимодействия с электроном.

При прохождении заряженной частицы через вещество её электрическое поле взаимодействует с полем атомных электронов и может передавать им энергию, возбуждая или ионизируя атомы. Предположим, что частица с массой M, зарядом ze, движущаяся в направлении оси x со скоростью v , проходит на расстоянии b (прицельный параметр) от покоящегося свободного электрона (рис. 2.1) с массой me и зарядом e.

Будем считать, что электрон в результате взаимодействия с частицей движется настолько медленно, что при расчёте электрического поля, действующего на электрон со стороны движущейся частицы, можно

9

пренебречь смещением электрона (т. е. электрон покоится). При этом масса налетающей частицы во много раз превосходит массу электрона M me .

Следовательно, изменение момента импульса электрона в направлении, перпендикулярном к направлению движения частицы

Следовательно, изменение момента импульса электрона в перпендикулярном направлении равно

электрон получил поперечный импульс, а пролетевшая частица потеряла часть своей энергии за счёт переданного электрону импульса.

Кинетическая энергия, потерянная заряженной частицей через потерянный импульс, определится следующим образом [1]:

2me

или

10