Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Однажды образованные повреждения сохраняются практически неограниченное время (сравнимое с возрастом Земли) и даже при нагревании до температур в сотни градусов (в соответствующих материалах — кварце, например) и при охлаждении до температур порядка десятков градусов по Кельвину. На образование и проявление повреждений не влияют ни давления до IO5 кгс/см2, ни очень большие дозы радиации.
Из общих соображений очевидно, что возникновение трека есть результат выделения энергии, теряемой заряженной частицей в малом объеме вдоль ее траектории, и нарушения вследствие этого кристаллической структуры. Заметим, что заряженная частица, движущаяся в твердом теле, почти всю свою энергию передает электро-
290- нам (энергия, переданная электронам, почти на два порядка больше энергии, переданной решетке). Ясно, что для возникновения трека должен существовать механизм, препятствующий быстрому «растеканию» выделенной частицей энергии. Было предложено несколько теорий, объясняющих образование треков. Лучше всего объясняет детали, а в особенности зависимость вероятности образования следа от электропроводности твердого тела (в изоляторах следы образуются, в металлах —нет), следующий механизм (рис. 8.16).
Вытянутая область повреждений вдоль пути прохождения заряженной частицы создается в результате кулоновского отталкивания положительных ионов, которые оставляются после срыва электро-
Рис. 8Л6. Возможный механизм образования области повреждений в диэлектрике прн прохождении заряженной частицы
нов проходящей заряженной частицей. Сразу же после прохождения заряженной частицы (через время примерно Ю-12 сек) создается область объемного заряда, поскольку электроны в результате взаимодействия с заряженной частицей получили импульс и удалились от ионов (см. рйс. 8.16, а). Кулоновское взаимодействие между оставшимися ионами приводит к тому, что ионы, отталкиваясь друг от друга, нарушают кристаллическую'решетку и внедряются в междоузлия (см. рис. 8.16, б). Кроме того, часть электронов, получивших малую энергию от заряженной частицы, может быть захвачена в потенциальную яму, образовавшуюся вследствие ухода быстрых электронов из области пролета первичной заряженной частицы. Эти электроны, не имея достаточной энергии, чтобы выбраться из ямы, отдадут свою энергию решетке. Таким образом, образуется вытянутая область повреждения, которая видна в электронный микроскоп. Нарушения, а следовательно, и диаметр следа тем больше,
чем большая доля атомов в решетке оказывается ионизованной*. _ %
* Поскольку диаметр первичного следа (непротравленного) зависит от dEidx, то возможно, измеряя диаметр, с помощью электронного микроскопа получить сведения о dE/dx частицы, образовавшей след.
10*
291 Этот механизм не срабатывает в металлах. Из-за большой плотности электронов проводимости в металлах энергия, переданная им заряженной частицей, быстро (за времена порядка Ю-15 сек) распределяется между электронами всего кристалла; энергия же, переданная решетке непосредственно заряженной частицей, оказывается недостаточной для возникновения нарушений.
При проявлении соответствующим реактивом диэлектрик в основном растворяется вдоль области нарушения кристаллической структуры. Если повреждения незначительны (малы удельные потери энергии частицы), то локального растворения не происходит и видимых следов не образуется. Образует или не образует частица след, который будет виден после проявления, зависит от угла входа частицы в диэлектрик. При скользящем падении (угол входа близок к 90°) повреждения создаются вблизи поверхности, и при последующем проявлении след не возникает. Критический угол зависит от многих переменных, таких, как dE/dx частицы, тип диэлектрика, технология проявления. При образовании следов осколками деления в стекле критический угол около 30—40°, а в слюде приближается к 90°.
В экспериментальной ядерной физике регистрация треков заряженных частиц в диэлектрических средах используется тогда, когда важными для успеха эксперимента становятся характерные особенности, присущие этим детекторам. Это, во-первых, сохранение редких следов нужных частиц при облучении детекторов существенно большими потоками фоновых частиц с dEidx < (dE/dx)ипн; во-вторых, возможность дискриминации частиц по массам.
Диэлектрические детекторы весьма неприхотливы (не боятся высоких и низких температур, больших потоков слабо ионизирующего излучения у-квантов, электронов и т. д.), в простейшем случае измерения числа треков требуют очень скромной аппаратуры. Конечно, визуальный подсчет числа треков — утомительная процедура, особенно когда проводятся массовые изменения, например распределения чисел деления в активной зоне ядерного реактора. Сравнительно легко осуществляется автоматизация процесса счета треков. Для этого можно использовать сложную технику, развитую для анализа следов в пузырьковых и искровых камерах и фотоэмульсиях. Но поскольку в диэлектрическом детекторе необходимо только считать следы, а не анализировать их форму, как в трековых приборах, устройство для подсчета следов можно сделать гораздо дешевле и проще.
