Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Относительное число частиц, пробеги которых не укладываются в камере, можно легко оценить, представляя участки поверхности сферической камеры плоскостью. Такое предположение будет тем справедливее, чем меньше пробеги частиц в сравнении с радиусом камеры г2. Если в единице объема камеры появляется 3/4 зх/і частиц с изотропным распределением по углам, то появившаяся в точке гъ — Л < г < г2 частица достигнет поверхности камеры, если ее угол вылета 0, отсчитываемый от радиального направления, будет меньше, чем arccos [(г2 — г)!Л]. Таким образом, чтобы получить долю частиц А, чей пробег оканчивается в стенках камеры, необходимо вычислить следующий интеграл:
r2 arccos[(r2—Г)\Л\
А»--- Г 4 nrdr Г 2я sin 0^0;?
16я2 г| J J
U-M о
«3^(1— 2J?/3r2)/4r,. (11.3)
Из этого выражения следует, что при JHr2 = 0,25 величина А « ~ 0,16-, иначе 16% частиц произведут импульсы, амплитуды которых будут иметь значения от 0 до УМакс- Это непрерывное распределение, помимо усложнения функции отклика прибора, приведет к ухудшению энергетического разрешения.
Очень хорошие результаты получают при изучении спектров а-частиц с помощью полупроводниковых счетчиков. С поверхностно-
342- барьерными счетчиками (Au — Si) достигнуто энергетическое разрешение около 0,2% для а-частиц с энергией 6 Мэв. В этом случае энергетическое разрешение ограничено в основном тепловыми шумами полупроводника [см. (6.22)]. Нижний предел измеряемых энергий ограничен собственными шумами полупроводника (см. гл. 6) и шумами измерительной аппаратуры. Этот предел около 15 кэв. Верхний предел измеряемых энергий ограничен глубиной чувствительного слоя. Для поверхностно-барьерных счетчиков он составляет около 40 Мэв для а-частиц и примерно 10 Мэв для протонов. Значительно большие энергии можно измерить в литийдрейфовых полупроводниковых детекторах (до 200—300 Мэв для а-частиц).
При спектрометрии тяжелых заряженных частиц с очень большой плотностью ионизации (осколки деления, медленные ионы) в полупроводниковых счетчиках происходит ряд явлений, ухудшающих их спектрометрические свойства. Эти явления связаны, во-первых, с большой вероятностью рекомбинации, и поэтому осколки с одинаковой энергией и различными массами производят импульсы с разными амплитудами. Рекомбинационный эффект можно уменьшить, увеличивая напряжение смещения. Однако с ростом напряжения смещения может проявляться внутреннее усиление в детекторах. Во-вторых, для заряженных частиц с большой массой более существен эффект рассеяния на ядрах, при которых часть энергии осколков деления передается кристаллической решетке детектора, причем тем большая, чем больше масса осколка. Указанные процессы приводят к ухудшению энергетического разрешения, нелинейной связи импульса с энергией осколка и появлению низкоэнергетического «хвоста» в амплитудном распределении импульсов. Все это вызывает необходимость в градуировке полупроводниковых спектрометров, т. е. изучения их функции отклика в зависимости от массы и энергии тяжелых заряженных частиц.
Измерение энергий электронов. Ионизационные камеры мало пригодны для исследований ?-спектров, поскольку пробеги электронов в воздухе при нормальных условиях значительны. Экстраполированный пробег электрона с энергией 0,1 Мэв равен примерно 12 см. В то же время измерить энергию электронов менее 0,05 Мэв невозможно из-за плохого энергетического разрешения, обусловленного в основном шумами. Представляют интерес пропорциональные счетчики высокого давления (до 10 ата аргона), с помощью которых удается исследовать спектры электронов до нескольких сот килоэлектронвольт. Нижняя граница исследуемых энергий лежит в пределах 1—5 кэв. Наилучшие результаты были получены при использовании длинных пропорциональных счетчиков (20—40 см), которые помещались внутрь соленоида, создающего однородное магнитное поле напряженностью около 3000 э вдоль оси счетчика. Электроны в счетчике в однородном магнитном поле движутся по спиралеобразным траекториям. Это увеличивает их путь в счетчике и тем самым уменьшает стеночный эффект. С помощью такого устройства можно измерять энергии электронов до 0,6—0,8 Мэв. Влияние маг-
343- питного поля показано на рис. 11.2, где приведены спектры конверсионных электронов 80Br, измеренные с полем и без него.
Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков определяется флуктуацией в числе первичных пар ионов и флуктуациями коэффициента газового усиления. Так, для конверсионных электронов, образующихся при распаде 137Cs (энергия электронов 625 кэв), энергетическое разрешение равно 6%, а при энергиях электронов 50 кэв — около 9%. Расчеты показывают, что с пропорциональными счетчиками можно получить лучшие результаты. Уместно напомнить, что энергетическое разрешение пропорционального счетчика
во многом зависит от тщательности его изготовления и чистоты наполняющего его газа.
Сцинтилляционные счетчики с кристаллами NaI (Tl), антрацена, стильбена позволяют измерять энергетические распределения электронов в более широком диапазоне энергий. Нижний предел измеряемых энергий электронов ограничен шумами фотоумножителей и составляет несколько килоэлектронвольт; верхний предел лимитируется размерами кристаллов. Например, в кристаллах Nal (Tl) размерами 100 X 100 мм можно уверенно измерять энергию электронов до 15—20 Мэв. Энергетическое разрешение сцинтилляционных бета-спектрометров в первом приближении обратно пропорционально корню квадратному из энергии электронов. Лучшие значения, полученные с кристаллом NaI (Tl) при энергии 0,66 Мэв, равны 6%. Так что в области энергий электронов около 10 кэв энергетическое разрешение в лучшем случае составит около 50%. К сожалению, обратное рассеяние электронов велико и тем больше, чем больше атомный номер кристалла. Около 10% электронов, которые падают на плоскую поверхность органического кристалла, расположенного вблизи источника, выходят из кристалла в результате рассеяния, не успев потерять в нем всей своей энергии. Это будет искажать измеренный спектр электронов. Еще большие потери в результате рассеяния при аналогичных условиях будут происходить при использовании кристалла Nal (Tl).
