Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
В 1947 г. Кальман заменил экран из сернистого цинка прозрачным для собственного излучения кристаллом нафталина. Теперь свет шел не с поверхности, а из всего объема кристалла. Стало возможным регистрировать но только короткопробежные альфа-частицы, но и бета- и гамма-излучение. Правда, последнее плохо поглощалось в нафталине, слишком мала величина Z у этого вещества (Z = 6 для углерода). Но новые открытия не заставили себя ждать и уже в 1948 г. Хофштадтер обнаружил, что кристалл йодистого натрия NaI (эффективное Z = 50) с небольшими добавками таллия является прекрасным сцинтиллятором для гамма-излучения и дает очень сильную световую вспышку. За короткое время было разработано множество видов сцинтилляторов. Органические: кристаллы, жидкости, пластики. Неорганические — кристаллы. Появились специальные детекторы нейтронов. Сцинтилляционный метод нашел множество разнообразных применений. Сейчас он используется в геологии, медицине, сельском хозяйстве и т. д.
1.4. Как энергия частиц преобразуется в свет
Уже знакомая нам картина прохождения заряженной частицы через вещество — в ее следе возбужденные и ионизированные атомы. При переходе в основное состояние возбужденные атомы могут излучать кванты, а ионизированные — захватывать электроны (ре-комбинировать) и тоже излучать. Таким образом, часть энергии, потерянной частицей, преобразуется в свет. Для сцинтиллятора важно, чтобы эта часть была достаточно велика и чтобы свет не поглотился в веществе, а вышел за его пределы и попал на фотоумножитель. Процессы преобразования энергии частицы в свет сильно различаются для органических и неорганических сцинтилляторов. Они достаточно сложны, так что целый ряд
Є5
невыясненных деталей до сих пор привлекает внимание ученых.
Мы ограничимся описанием очень простой модели. Она относится к органическим сцинтилляторам, для которых важно, что происходит с отдельной молекулой. Другие молекулы слабо влияют на ее поведение. Качественно ничего не изменится, если рассмотреть всего
Средняя кривая /7 — потенциальная энергия возбужденной молекулы. В ней расстояние между атомами стало больше (гг ^> г0), потенциальная яма уже не так глубока. Ее нижний колебательный уровень а'Ъ'. Наконец, верхняя кривая /// соответствует такому возбуждению, при котором атомы могут разойтись на сколь угодно большое расстояние, и молекула распадается.
Набор энергий квантов, которые могут перевести молекулу из основного состояния в возбужденное, изображен полосой на рисунке (косая штриховка). Он определяется разностью ординат между кривыми ab и //. Если энергия фотона больше, и молекула попадает на высокие колебательные уровни, то через короткое время она отдаст часть энерги і прп соударениях с другими молекулами и окажется на уровне а'Ъ'.
Переход из возбужденного состояния а'Ъ' в основное (кривая /) определяет уже другой спектр фотонов (прямая
двухатомную молекугіу и постараться понять, каким образом излучаемые ею кванты сразу же не захватываются другими такими же молекулами.
Рис. 15. Уровни энергии двухатомной молекулы.
г
На рис. 15 представлена зависимость потенциальной энергии молекулы Il от расстояния г между атомами. Кривая I соответствует основному состоянию молекулы и имеет знакомый (вспомним задачу двух тел) вид. Поскольку атомы в молекуле совершают колебания, то нижний уровень полной энергии Е— нижний колебательный уровень (изображен отрезком ab).
S6
штриховка). Видно, что он мягче и только часть квантов обладает достаточной энергией, чтобы возбудить соседнюю молекулу. В таком случае говорят, что спектр излучения молекулы А сдвинут относительно ее спектра поглощения В (рис. 16).
Рис. 16. Спектр излучения и спектр поглощения сцинтиллятора
Отметим, что за счет сближения кривых I и Il существует вероятность, что молекула перейдет из возбужденного состояния в основное без излучения кванта. Избьг< (точная энергия перейдет в тепловое движение. Если ба спектры А и В полностью перекрывались, то погле ряд* испусканий и поглощений вся энергия перешла бы в тепло. Их несовпадение необходимо, чтобы использовать вещ&-ство в качестве сцинтиллятора.
Итак, часть энергии частицы E перешла в вн ргих» света AE, который может выйти за пределы сцинтиллятора. То, как велика эта часть, зависит от ряда факторов, в частности, от природы сцинтиллятора и вида частицы*). Для электронов и наиболее «эффективного» кристалла — йодистого натрия AEIE - около 10%, для кристалла антрацена (C14H10) — 4%. Большинство жидких к пластических сцинтилляторов дают AElE в пределах (1-ь2)%. Остальная энергия для регистрации теряется. Но то, что свет все-таки несет информацию об внергии, оставленной частицей, очень важно. Это позволяет прокалибровать счетчик источниками излучения с известнее ьнергией и затем определить энергию исследуемых частиц. Как это выглядит практически, мы поговорим позже.
Время испускания сциптиллятором квантов света после прохождения частицы достаточно малб. Для неорганических кристаллов основная часть квантов выле-
*) Иногда и от энергии частицы. Пока мы не будем касаться этой возможности.
