Взаимодействие бета-частиц с веществом (стр. 2 из 8)

Типичный бета-спектр показан на рис. 1. Бета-распад ³²Р происходит на основное состояние ³²S 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; Zзаряд 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 Zсоставляют:

(5)

где

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

Так как отношение Z/Aдля разных веществ приблизительно постоянно, то величина (dE/dx) в формуле (5.5) практически зависит лишь от плотности вещества

. Очень слабая зависимость от Zпроявляется 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 /см²или мг/см².

При взаимодействии

-частиц с ядрамипроисходят 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 Z² и увеличиваются с энергией линейно, в то время как потери на ионизацию пропорциональны Zи 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.