Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
Наиболее интенсивным источником излучения в пространстве вблизи нашей планеты является Солнце. Кроме видимого света и нейтрино от ядерных реакций синтеза во внутренних областях оно также испускает массивные частицы. Это в основном электроны и протоны, испускаемые с солнечной поверхности при вспышках. Достигая Земли, они вызывают северное сияние и магнитные бури. Солнечная компонента космических лучей («солнечный ветер») ответственна также и за существование радиационных поясов Земли.
Другим естественным источником излучения явилось открытое в 1896 г. Беккерелем в урановых рудах явление естественной радиоактивности. При этом испускается а, ? или у-излучение, т. е. ядра гелия, электроны или у-кванты с энергией до нескольких мегаэлектронвольт. Альфа-распад — это обычное явление для тяжелых ядер. Такие ядра могут испускать а-частицы, которые проникают сквозь кулоновский барьер за счет туннельного эффекта. Альфа-излучение
1.1. Область применения детекторов излучений
11
ядер является моноэнергетическим, а освобождающаяся при этом кинетическая энергия составляет от 2 до 10 МэВ. Бета-распад — это переход ядра zX с Z протонами и (Л - Z) нейтронами в дочернее ядро Z+ \Х посредством испускания электрона е~ и антинейтрино ve. Энергетический спектр этих электронов непрерывен и простирается от нуля до максимальной энергии Zs0, которая задается разницей масс материнского и дочернего ядер. Значение максимальной энергии Eo, или граничной энергии, лежит в области от долей мегаэлектронвольта до нескольких мегаэлектронвольт. Гамма-распадом называется электромагнитный переход возбужденного ядерного состояния ?Х* в состояние с меньшей энергией того же ядра zX. В этом процессе испускаются моноэнергетические у-кванты с энергиями до нескольких мегаэлектронвольт.
Естественная радиоактивность имеет решающее значение для энергетического баланса земных недр. Измерениям доступна только радиоактивность земной коры, которая изучена до глубины 5 км. Такие измерения дают информацию о месторождениях некоторых минералов и используются для поисков урановых руд и нефти.
Естественную радиоактивность можно также использовать для определения возраста минералов геологических месторождений, метеоритов или лунных образцов. С помощью этого метода установили, что возраст Земли составляет около 4,5•1O9 лет. Для органических веществ датировку можно осуществлять, измеряя ?-активность изотопа 14C В земной атмосфере концентрация 14C находится в равновесии, которое определяется скоростью его образования под действием космического излучения и распадом с периодом полураспада 5730 лет. Когда в результате смерти растения или животного обмен СОг с атмосферой прекращается, концентрация 14C экспоненциально уменьшается в соответствии с законом радиоактивного распада.
1.1.2. Единицы измерения
Энергия частиц E обычно измеряется в электронвольтах (эВ). Эта единица определяется как энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт. Кратными единицами являются 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ и 1 ТэВ = 1012 эВ. Эта единица связана с единицей энергии в системе СИ джоулем (Дж) соотношением
4н
1 эВ = 1,602-ИГ19 Дж
(Ы)
12
1. Физические основы регистрации излучений
Массу покоя частицы т можно тогда связать соотношением E = тс2 с единицами энергии. Эта единица массы (эВ/с2) связана с единицей массы в системе СИ килограммом (кг) соотношением
1 эВ/с2 = 1,78 •1O-36 кг.
(1.2)
Импульс частицы р также можно измерять в единицах, связанных с электронвольтом. Из выражения для полной энергии частицы E (E2 = P2C2 + т2с4) получаем, что единицей измерения импульса является эВ/с. Эта единица связана с единицей в системе СИ соотношением
1 эВ/с = 0,535-10"27 кг-м/с.
Поток частиц / определяется как
(1.3)
(Г
(1.4)
если п частиц за интервал времени t пересекают площадь /, расположенную перпендикулярно направлению движения частиц. Единица потока — число частиц/(м2-с).
Активность радиоактивного источника определяется как число распадов в единицу времени. Вплоть до 1986 г. единицей измерения служил кюри (Ки):
1 Ки = 3,7•1O10 распад/с. (1.5)
С 1986 г. введена новая единица — беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/с = 2,7•1O-11 Ки. (1.6)
Активность связана с постоянной распада X законом радиоак-
тивного распада:
(1.7)
Постоянная распада X измеряется в единицах с .
Среднее время жизни т радиоактивных ядер или нестабильных элементарных частиц определяется как интервал времени, после которого первоначальное число распадающихся ядер или частиц N0 уменьшается до величины No/e. Это время г связано с постоянной распада соотношением
(1-8)
1.1. Область применения детекторов излучений
13
В ядерной физике вместо среднего времени жизни т обычно используют период полураспада tm, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер:
tin = т In 2 = 0,693 т.
(1-9)
Воздействие излучения на вещество характеризуют следующие три величины.
а. Поглощенная доза D, которая определяется как энергия Wd9 поглощенная веществом в объеме v с плотностью q:
