1. Кривая брэгга
График, показывающий энергетичексие потери вдоль траектории заряженной частицы, показанный на рис. 2-2, известен как кривая Брэгга. В качестве примера показана кривая для альфа-частицы с некоторой начальной энергией (МэВ). Большую часть пути заряд альфа-частицы - это два электронных заряда, и увеличение удельных энергетичеких потерь можно описать примерно как 1/E, что показано в формуле (2-2). В конце пути заряд уменьшает through electron pickup электронную погрузку, и кривая спадает. Графики показывают зависимость для единичной траектории альфа-частицы и для усредненнго поведения параллельного луча альфа-частиц той же самой начальной энергии. Две кривые немного отличаются из-за эффекта разброса, котрый будет обсуждаться ниже.
Рис. 2-2 Удельные энергетические потери вдоль альфа-траектории.
Рис. 2-3 Удельные энергетические потери как функция энергии ионов водорода и гелия. Em показыват энергию, при которой dE/dx имеет максимальное значение. (From Wilken and Fritz.2)
Рис. 2-4 Графики энергетических спектров от луча моноэнергичных заряженных частиц на различных глубинах проникновения. E - энергия частицы, и X расстояние вдоль траектории. (From Wilken and Fritz.2)
Графики показывающие связь -dE/dx с энергией налетающей частицы для некотрых различных тяжелых заряженных частиц приведены на Рис. 2-3. Эти примеры показывают энергию, при которой charge pickup by the ion становится существенной. Заряженные частицы с самым наибольшим зарядом в ядре начинают поднимать электроны достаточно рано в процессе своего замедления. Можно заметить, что в алюминиевом поглотителе, ионы водорода (протоны) проявляют сильные effects of charge pickup эффекты погрузки заряда около значения 100 кэВ, но, имеющие в два раза больший заряд 3He ионы, показывают аналогичный эффект приблизительно в области 400 кэВ.
2. Разброс энергии
Поскольку параметры микроскопических взаимодействий, которым подвергается любая частица, изменяются хаотично, то потеря ее энергии - статистический или вероятностный процесс. Поэтому, разброс в энергиях всегда является результатом того, что пучек моноэнергичных заряженных частиц прошел через какую-либо толщину поглотителя. Ширина этого распределения энергии - мера разброса энергии, которая меняется в зависимости от расстояния вдоль траектории частицы.
Рис. 2-4 показывает схематическое распределения энергии пучка первоначально моноэнергичных частиц на различных толщинах вдоль всего диапазона изменения глубины проникновения частиц в поглотителе. С увеличением глубины проникновения распределение становится шире (и искажается), таким образом увеличивая вклад энергетического разброса. В конце диапазона глубины проникновения частиц в поглотителе распределение снова сужается, поскольку, энергия частиц стала меньше.
D. Пробег Частицы
1. Определение пробега
Для того чтобы четко определить пробег частицы, обратимся к эксперименту, представленному схематично на рис. 2-5. Здесь пучек от коллимированного источника моноэнергичных альфа-частиц регистрируется детектром после прохождения через поглотитель переменной толщины (позже мы будем это сопоставлять с поведением других типов излучения в подобных условиях). Для альфа-частиц результаты также представлены на рис. 2-5. При малых значениях толщины поглотителя, единственный эффект - это энергетические потери альфа-частиц в поглотителе по мере того, как они проходят сквозь него. Поскольку траектории в поглотителе довольно прямые, то общее количество частиц, которые достигают детектора, остается тем же самым. Уменьшение количества альфа-частиц не будет набдюдаться, пока толщина поглотителя не приблизится к длине самой короткой траектории в поглощающем веществе. Увеличение толщины в этом случае увеличивает количество остановленных альфа-частиц, и интенсивность регистрируемого пучка резко падает до нуля.
Пробег альфа-частиц в поглощающем веществе может быть определен по этой кривой несколькими способами. Средний пробег mean range определяется как толщина поглотителя, которая уменьшает количество альфа-частицы точно до половины от первоначально количества (в отсутствии поглотителя).
Рис. 2-5 Эксперимент передачи энергии альфа-частиц. I - зарегистрированное число альфа-частиц прошедших через толщину поглотителя t, I0 – количество альфа-частиц регистрируемое в отсутствии поглотителя. Средний пробег mean range обозначен Rm, extrapolated range экстраполируемый пробег - Re.
Рис. 2-6 График пробег-энергия для альфа-частиц в воздухе при температуре 15°C и давлении 760мм.рт.ст. (From Radiological Health Handbook, U.S. Department of Health, Education and Welfare, Washington, DC, 1970.)
Этот параметр обычно используется в таблицах с численными значениями пробега. Другой параметр, который часто встречается в литературе, это экстраполируемый пробег extrapolated range, который получают путем экстраполяции линейной области конца кривой до нуля.
Таким образом, пробеги заряженных частиц определенной энергии определяются однозначно для определенного поглотителя. Раньше эксперименты по радиационным измерениям, делались по графику на рис. 2-5, и широко использовались, чтобы определять энергию альфа-частиц косвенно, определяя толщину поглотителя, эквивалентную их среднему пробегу mean range. С возможностью исползования детекторов, которые дают выходный сигнал, непосредственно связанный с энергией альфа-частицы, такие косвенные измерения больше не являются необходимыми.
Некоторые кривые пробегов различных заряженных частиц в материалах, используемых в детекторах, приведены на рис. от 2-6 до 2-8. Само собой, у любого детектра, который должен измерять полную энергию налетающей заряженной частицы, активная толщина должна быть больше чем пробег регистрируемой частицы в материале детектора.
Рис. 2-7 кривые пробега-энергии для различных заряженных частиц в кремнии. Почти линейное поведение логарифмического по обеим осям графика в данном диапазоне энергий соответствует эмпирическому отношению вида R = aEb, где связанный с наклоном параметр b не отличается для различных частиц. (От Skyrme.3)