Взаимодействие бета-частиц с веществом (стр. 4 из 8)

Связь между толщиной слоя алюминия, ослабляющего излучение в

раз, и верхней границей бета-спектра была тщательно исследована. На с. 94 приводится номограмма, связывающая толщину слоя половинного поглощения с граничной энергией — спектра.

Обратное рассеяние электронов

При попадании потока электронов на поверхность какого-либо материала часть частиц может отклониться от своего первоначального направления на угол, превышающий 90°. Этот эффект называется обратным рассеянием электронов. Обратное рассеяние электронов используется для решения ряда прикладных задач, например для определения толщины покрытий. Этот же эффект может быть и источником методических погрешностей. Его следует учитывать при проведении физических экспериментов с электронными пучками. Например, при вылете бета-частиц из радиоактивного источника распределение бета-частиц искажается из-за их рассеяния в материале подложки, в результате чего увеличивается число частиц, вылетающих в сторону счетчика и, следовательно, увеличивается скорость счета. Другой пример:

при измерении бета-спектров полупроводниковыми или сцинтилляционными детекторами из-за эффекта обратного рассеяния на поверхности детектора происходит обогащение низкоэнергетической части спектра.

Коэффициент обратного рассеяния

Введем величину, характеризующую явление обратного рассеяния коэффициент обратного рассеяния

(12)

где

— число частиц, падающих нормально на поверхность материала;

— число частиц, рассеянных материалом на угол

>90°. Коэффициент обратного рассеяния является функцией атомного номера Z отражателя, толщины отражателя d и энергии падающих электронов Е (а в случае непрерывного спектра бета-частиц — функцией максимальной энергии Е_макс), т. е.

(13)

На рис. 32 приведена типичная экспериментальная зависимость q(Z) в случае отражения бета-частиц, испущенных радиоактивным препаратом ³²Р. Толщины материалов взяты заведомо больше, чем толщины обратного насыщения (см. далее).

Экспериментальная кривая, показанная на рис. 32, удовлетворяет аналитической зависимости

, где В — коэффициент, зависящий от геометрических условий опыта, в частности от телесного угла окна счетчика. Здесь следует отметить, что обратно рассеянное излучение неизотропно — его максимальная интенсивность наблюдается в направлении, перпендикулярном плоскости отражателя. Максимальная энергия и максимальный пробег отраженных электронов также зависит от Z. Например, в случае излучателя ³²Р

= 0,247

МэВ ,

= 48 мг/см² .

Если увеличивать толщину отражателя и измерять интенсивность потока обратно рассеянных электронов, то сначала q будет возрастать почти линейно (рис. 33). затем рост замедлится и далее достигнет некоторого предельного значения

Рис. 6. Зависимость коэффициента обратного рассеяния qот атомного номера 2 отражателя

Рис. 7. Зависимость коэффициента обратного рассеяния от толщины отражателя

Рис. 8. Зависимость коэффициента обратного рассеяния от толщины отражателя из различных металлов. Излучатель

Толщина слоя вещества, начиная с которой qне зависит от толщины отражателя, называется толщиной насыщения обратного рассеяния d_H.Эта толщина равна примерно 1/5 от максимального пробега бета-частиц данной энергии в данном веществе. Величина q зависит от атомного номера Zи слабо зависит от плотности электронов в веществе. Из рис. 8 видно, что

меньше , хотя плотность электронов в платине больше, чем в свинце. Это свидетельствует о том, что рассеяние происходит в основном на атомных ядрах, а не на электронных оболочках атомов.

На рис. 10 схематически изображено обратное рассеяние бета-частиц при разных толщинах рассеивателя. Следует отметить, что обратное рассеяние бета-частиц в отличие от оптического отражения происходит не только на поверхности рассеивателя, но и в его глубине. На схеме действительная картина обратного рассеяния сильно упрощена: показано рассеяние на один и тот же угол и не учтено поглощение бета-частиц веществом.

Рис. 10. Отражение бета-частиц в зависимости от толщины образца

При небольшой толщине рассеивателя

большинство электронов проходит сквозь вещество, и лишь небольшое их число рассеивается в обратном направлении. По мере увеличения толщины число обратно рассеянных электронов увеличивается (б, в). Наконец, при d> d_Hчастицы, глубоко проникшие в рассеиватель, уже не выйдут наружу из-за поглощения в нем (г). При дальнейшем увеличении толщины рассеивателя число вышедших из него обратно рассеянных электронов остается постоянным.

Коэффициент обратного рассеяния растет с ростом граничной энергии бета-спектра до энергии 0,6 МэВ, а далее остается практически неизменным. Зависимость коэффициента обратного рассеяния qот максимальной энергии показана на рис. 11.

Явление обратного рассеяния электронов может быть использовано для решения многих прикладных задач:

а)Для определения толщины материалов. В этом случае выгоднее применять источники мягкого бета-излучения. Зависимость коэффициента обратного рассеяния от толщины алюминиевого отражателя для разных бета-источников показана на рис. 12.

б)Для определения толщины покрытий. Эффект обратного рассеяния позволяет измерять толщины покрытия без разрушения изделий и покрытий. Не разрушает изделие микрометрический метод, но он требует жесткого постоянства толщины основания, а также магнитный, но в этом случае покрытие должно обладать магнитными свойствами. Оптическими методами можно определить толщины только прозрачных покрытий. Химический метод связан с разрушением изделия и его точность не превышает 15%. В случае применения эффекта обратного рассеяния атомные номера вещества покрытия и подложки должны различаться, по крайней мере, на две единицы.

Рис.11. Зависимость коэффициента обратного рассеяния от максимальной энергии бета-спектра

Эффект обратного рассеяния позволяет измерять толщины никелевых и хромовых покрытий, покрытий на проволоке и бумаге, светочувствительных слоев и т. д., составов на пленке, лаковых покрытий на металлах, покрытий из драгоценных металлов. При этом все измерения делают бесконтактно, без разрушения изделий и непрерывно.

Обратно-рассеянное бета-излучение чувствительно к составу раствора ионов с высокими атомными номерами (рис. 12). Возможно измерение концентрации одного металла в сплаве с другим. Здесь также необходимо иметь набор эталонов с различной концентрацией компонентов. Поток обратно-рассеянных бета-частиц от смеси веществ

и равен

(14)

где

и — весовые концентрации компонентов, + =1.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ СО СРЕДОЙ

Ионизационное торможение заряженных частиц. При электромагнитном взаимодействии быстрых заряженных частиц с электронами вещества последние переходят в возбужденное состояние; когда они остаются внутри атома, происходит возбуждение атома, и спектрэтих состояний имеет дискретный характер; в тех случаях, когда электроны вырываются из атома, их энергия может иметь любые значения, а атом при этом ионизуется. Увеличение энергии электрона происходит за счет кинетической энергии падающей частицы. В обоих случаях для краткости принято говорить, что энергия летящей частицы убывает вследствие ионизационных потерь.

Рассмотрим взаимодействие тяжелой заряженной частицы с электроном. Такая частица ничтожно отклоняется со своего прямолинейного пути и этим отклонением можно пренебречь. Допустим, что частица с зарядом Ze, массой М и скоростью vпролетает на расстоянии bот электрона, где b— прицельный параметр, или параметр удара (рис. 13). Взаимодействие частицы с электроном приведет к тому, что электрон получит импульс в направлении, перпендикулярном к линии полета частицы