- •Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Изучение процессов, возникающих при прохождении
- •Прохождение тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц и протонов) через вещество
- •Таким образом, вплоть до некоторой определенной толщины поглощающего слоя вещества через него проникают
- •Скорость, с которой энергия тяжелой частицы теря- ется при столкновениях с электронами вещества,
- •Вэксперименте измеряют массу поглотителя M и
- •На рисунке пока-
- •При энергиях выше ионизационного минимума поте-
- •Экспериментально установлено, что независимо от
- •Расчетным путем и последующей эксперименталь-
- •Защита от альфа-частиц
- •Защита от протонов
- •Например, пробег протона с энергией 40 МэВ в воздухе по формуле (51.8) составит
- •Прохождение легких заряженных частиц (электронов) через вещество
- •Распределения по энергиям и по углам в пучке
- •Т.к. траектория электрона не яв-
- •Потери энергии на излучение пропорциональны ква-
- •Сравнивая эту формулу с формулой (51.2), можно
- •Защита от бета-излучения
- •Прохождение гамма-квантов через вещество
- •Ослабление пучка гамма-квантов в веществе идет, в
- •Фотоэффект
- •При энергии фото-
- •Эффект Комптона
- •Элементарная теория осно-
- •В результате компто-
- •Образование электронно-позитронных пар
- •Другой особенностью этого процесса является то, что он не может происходить в пустоте,
- •Сечение образования электрон-позитронных пар имеет энергетический порог, равный 2mec2, и растет с увеличением
- •Полное сечение поглощения и рассеяния фотонов при прохождении через вещество
- •Защита от гамма-излучения
- •Применение нейтронов
- •Источники нейтронов
- •Прохождение нейтронов через вещество
- •Защита от нейтронов
- •После замедления до тепловых скоростей нейтроны можно эффективно поглотить. Известны 2 эффек- тивных
- •Защита от нейтронов
- •Схема лабораторной
Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
51.(1). Прохождение заряженных частиц, гамма-квантов и нейтронов через вещество. Защита от радиоактивных излучений.
Изучение процессов, возникающих при прохождении
ядерных частиц через вещество, имеет важное
значение как для самой ядерной физики, так и для ее приложений в других областях науки и техники. Без знания этих процессов нельзя понять методов регистрации ядерных частиц. Нельзя понять при- чины и последствия воздействия излучений на структуру и прочность конструкций и деталей ме- ханизмов. Невозможно понять причины вредного воздействия излучений на живые организмы и рас-
считать параметры защитных сооружений для бе-
зопасной работы с ядерно-техническими установ- ками и источниками радиоактивных излучений.
Прохождение тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц и протонов) через вещество
Основным механизмом взаимодействия в этом слу-
чае являются столкновения тяжелой частицы со связанными атомными электронами вещества, че-
рез которое пролетает частица. С ядрами сталки-
ваются только 0.1% от всех частиц. При каждом столкновении происходит ионизация атома, при
этом частица теряет энергию, равную энергии ио-
низации, ее скорость уменьшается, и, потеряв всю энергию, частица останавливается. Кроме потери энергии при столкновении с электроном немного меняется направление движения частицы, но из-за большой разницы масс этим отклонением можно пренебречь, и считать траекторию тяжелой части-
цы прямолинейной до момента остановки.
Таким образом, вплоть до некоторой определенной толщины поглощающего слоя вещества через него проникают практически все частицы пучка. При большей толщине поглощающего слоя отдельные частицы останавливаются, и N(x) начинает умень- шаться. До толщины R0, называемой средней дли- ной пробега, доходит ровно половина частиц в пу- чке. Зависимость числа прошедших через слой ча- стиц от толщины слоя показана на рисунке.
Скорость, с которой энергия тяжелой частицы теря- ется при столкновениях с электронами вещества,
была вычислена в классической теории Н.Бором:
|
dT |
|
4 n Z 2e4 |
|
m v2 |
|
(51.1) |
||
dx |
e |
2 |
ln |
I |
e |
|
|||
|
|
m v |
|
|
ion |
|
|
||
|
|
|
e |
|
|
|
Вдальнейшем релятивистские поправки в эту фор- мулу внесли Бете и Блох. Окончательная формула Бора-Бете-Блоха имеет вид:
|
dT |
|
4 ne Z 2e4 |
|
2mev2 |
|
|
|
v2 |
|
(51.2) |
|||
|
|
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
||||||
|
dx |
|
mev |
|
|
Iion 1 v |
|
/ c |
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где dT - кинетическая энергия, теряемая частицей на
длине dx; Ze и v - заряд и скорость этой частицы; ne и
Iion - число электронов в единице объема и потенци- ал ионизации атома тормозящего вещества; me и e -
масса и заряд электрона.
Вэксперименте измеряют массу поглотителя M и
площадь поперечного сечения мишени S, поэтому
при анализе экспериментов толщину поглотителя обычно измеряют не в единицах длины, а в "мас- совой толщине", т.е. виде произведения ρx - произ- ведения плотности вещества поглотителя на его толщину, которое получается в результате деле-
ния M на S. Эту величину удобно выражать в г/см2 или в мг/см2.
Втаблицах и на графиках обычно приводят значе-
ния так называемых удельных потерь энергии:
dT |
|
1 |
dT |
(51.3) |
|
|
|
||
d x |
|
dx |
На рисунке пока-
зана зависимость
удельных потерь энергии протонов
в водороде и в
свинце от началь- ной кинетической
энергии протонов,
рассчитанная по формуле (51.2).
Удельные потери энергии пропорциональны числу электронов поглотителя и квадрату заряда частицы.
При некоторой энергии (для протонов это ок. 1ГэВ)
наблюдается ионизационный минимум, ниже которо- го удельные потери пропорциональны 1/v2.
При энергиях выше ионизационного минимума поте-
ри растут, но незначительно, поэтому приближен-
но их можно считать постоянными, одинаковыми для любого вещества и равными
|
dT |
минимум 2МэВ / г см 2 |
(51.4) |
|
d x |
||||
|
|
|
Из формулы (51.2) следует, что удельные потери энергии не зависят от массы проходящей через ве- щество частицы (при условии, что эта частица зна- чительно тяжелее электрона), но существенно зави- сят от заряда и скорости частицы. Поэтому графики потерь на предыдущем слайде можно использовать не только для протонов, но и для других тяжелых за- ряженных частиц при соответствующем изменении масштаба энергии.
Экспериментально установлено, что независимо от
сорта и энергии частицы в одном акте ионизации
эта частица теряет примерно 35 эВ своей энергии. Например, если начальная энергия альфа-части- цы равна 7 МэВ, то она полностью затормозится после того, как ионизирует 2·105 атомов.
Выражение для длины пробега частицы в данном веществе можно получить, проинтегрировав фор-
мулу (51.3): |
0 |
|
|
|
dT |
0 |
|
dx |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
dT |
(51.5) |
||||
|
|
dT / dx |
|
|
dT |
|||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
T |
|
|
|
T |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
где T0 - начальное значение кинетической энергии
частицы.
Расчетным путем и последующей эксперименталь-
ной проверкой получены следующие формулы для
пробега альфа-частиц от обычных лабораторных источников:
Пробег альфа-частиц в воздухе при нормальных ус-
ловиях:
R возд = 0.318 (Т )3/2 (см); 4 < Т < 7 МэВ, (51.6)
где Т - кинетическая энергия альфа-частиц (в МэВ).
Пробег альфа-частиц в веществе можно вычислить
по формуле: |
|
R = 0.178·(T )3/2·A1/3 (мг/см2); |
4 < Т < 7 МэВ, (51.7) |
где Т - кинетическая энергия альфа-частиц (в МэВ), A - массовое число тормозящего вещества.