Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Впервые такие треки наблюдались с помощью электронного микроскопа в тонких кристаллах циркона (ZrSiO2), облученных осколками деления урана. Треки были видны, так как радиационные повреждения вызывали дифракцию электронов на треке. Следы осколков были обнаружены этим методом и в других материалах, но сама процедура их наблюдения была очень трудоемка и требовала приготовления очень тонких образцов (толщиной меньше, чем 3 • Ю-5 см). Так как в этом методе использовалось большое усиление, то найти трек было нелегко, а в поле зрения электронного микроскопа наблюдалась лишь часть трека.
В дальнейшем было найдено, что треки можно «проявлять», т. е. увеличивать, облегчая тем самым их наблюдение. Идея «проявления» состоит в том, что поврежденные области твердого тела разъедаются различными химическими соединениями гораздо быстрее, чем неповрежденные. Впервые это эффект был обнаружен на слюде. Если
288- образец слюды, содержащий следы частиц, поместить в раствор фтористоводородной кислоты, то кислота быстро проникает на всю глубину следа (трека), превращая поврежденную область в четко очерченную полую трубку диаметром около 50 А. При дальнейшем травлении диаметр следа увеличивается до такого значения, когда он становится больше длины волны видимого света и, следовательно, сама трубка становится видимой в оптическом микроскопе (в проходящем свете как темный объект на светлом фоне).
В некоторых материалах, таких, как слюда и циркон, скорость увеличения диаметра трубки много меньше скорости травления по глубине следа. Это обстоятельство обеспечивает сохранение цилиндрической формы растравливаемого следа. В материалах типа стекла скорость увеличения диаметра при травлении хотя и меньше скорости травления вглубь, но сравнима с ней. В этом случае протравленные следы имеют скорее коническую, чем цилиндрическую форму. В некоторых диэлектриках (кальците или LiF) возникают только мелкие углубления. Диаметр протравленного следа в стекле достигает 20—50 мкм, причем примерно до 20 мкм диаметр увеличивается линейно со временем травления.
Формы протравленных следов весьма различны и зависят от материала, травителя, времени и температуры при травлении. Можно утверждать лишь следующее: почти во всех изоляторах — минералах, стеклах, полимерах —¦ можно проявить следы заряженных частиц с достаточной плотностью ионизации.
Основной характеристикой вещества с точки зрения его пригодности как детектора следов является «трековая» чувствительность. Оказывается, что эта характеристика зависит только от одного параметра — минимального (критического) значения удельных потерь энергии dEidx заряженной частицы, при котором возникают повреждения, приводящие к образованию следа. Зная критическое значение dEidx, можно предсказать, какие частицы будут создавать следы и при каких энергиях. Расчетные зависимости dEidx для различных ядер от энергии ядра в слюде приведены на рис. 8.15. В области dEidx < 12-IO3 Мэв-г^1 -см2 не наблюдалось следов вообще, в области 12- IO3 Мэв-г^-см2 < dEidx < 14,5- IO3 Мэв-г^-см2 наблюдались не полностью развитые следы и, наконец, в области dEidx > > 14,5-103 Мэв-г^-см2 вероятность образования т^ека практически равна единице. Переходная область достаточно узкая. Видно, что в слюде ядра с зарядом и массой, меньшим или равным Z =
Рис. 8.15. Зависимость линейных потерь энергии для различных ядер в слюде от энергии ядра. Указаны границы значений dEidx, при которых треки образуются частично или с вероятностью, равной единице
10 Зак. 1079
289 = 14 и Л = 28 (кремний), не образуют следов ни при каких энергиях.
Пороговые значения удельных потерь энергии для ряда диэлектриков, используемых как детекторы следов заряженных частиц, приведены в табл. 8.5.
Таблиця 8.5
Пороговые значения удельных потерь энергии для образования следов
Материал Удельные потерн энергии, IO3 Мэв X X а"1 ¦ см2 Наиболее легкий ион, создающий след Материал Удельные потери энергии, IO3 Мэв X X г~1-см* Наиболее легкий ион, создающий след
Циокон 20 Ca Слюда 13 Si
Тектнтовое Смола 4 с
стекло 15 S Нитрат цел-
Кварц 15 S люлозы 2 Не; D
Так как при уменьшении энергии тяжелого иона из-за «подхвата» электронов его эффективный заряд начинает уменьшаться, а следовательно, падает и dEidx, то для данного иона можно ввести понятие пороговой энергии, начиная с которой будут образовываться годные для проявления следы в данном материале. При попадании иона алюминия в слюду эта пороговая энергия равна 10 Мэв. а для ионов серы в слюде — 30 Мэв.
Специфический для данного материала энергетический порог образования трека позволяет выбрать детектор, который будет регистрировать частицы с массой, большей некоторой наперед заданной. Набор таких детекторов позволяет оценить массовое распределение тяжелых заряженных частиц, например отделить продукты расщепления тяжелых ядер под действием частиц с большой энергией от продуктов деления. «Динамический диапазон» разделения по массам с помощью набора разных детекторов достаточно широк, так как в некоторых полимерах (нитрат целлюлозы, например) следы образуются даже под действием дейтонов.
