Тяжелые заряженные частицы, например, такие как альфа-частица, взаимодействуют с веществом в основном через кулоновские силы, возникающие между положительным зарядом частицы и отрицательным зарядом орбитальных электронов атомов поглотителя. Хотя взаимодействия частицы с ядрами (как в резерфордовском рассеянии или при реакциях инициированных альфа-излучением) также возможны, однако такое взаимодействие происходит довольно редко, и не является существенными при детектировании. Детекторы заряженных частиц должны основываться на результате взаимодействий с электронами.
После попадания в любую поглощающую среду заряженная частица начинает немедленно взаимодействовать одновременно со многими электронами. При любом таком столкновении электрон получает импульс «притягивающей» силы Кулона, поскольку частица проходит в поле этой силы. В зависимости от близости столкновения этот импульс может оказаться достаточным чтобы поднять электрон на выше лежащий энергетичский уровень в атоме поглотителя (возбуждение), или полностью оторвать электрон от атома (ионизация). Энергия, переданнная электрону, появляется за счет передачи энергии заряженной частицей, и, поэтому, ее скорость уменьшается в результате взаимодействия. Максимальная энергия, которая может быть передана от заряженной частицы с массой m ис кинетической энергией E электрону массы m0 при единичном соударении, выражается соотношением 4Em0/m, что соответствует примерно 1/500 энергии частицы на нуклон. Поскольку это - малая часть от полной энергии, то первично-налетающая частица должна потерять всю свою энергию во множестве таких взаимодействий по ходу ее прохождения через поглотитель. В каждый момент времени частица взаимодействует со многими электронами одновременно, таким образом, суммарное воздействие постоянно уменьшает ее скорость, пока частица не остановится.
|
|
Вид траеторий, тяжелых заряженных частиц при их замедлении, схематично представлен на рис. 2-1. Кроме того, как правило, в самом конце траектроии являются прямыми потому, что частица не отклоняется какими-либо столкновениями, и взаимодействия происходят во всех направлениях одновременно. Поэтому заряженные частицы принято характеризовать определенным пробегом в материале поглотителя. Чтобы понять что такое «пробег» более ясно, можно представляет расстояние, через границу которого не выйдут никакие частицы.
Продуктами этих столкновений в поглотителе являются - или возбужденные атомы или пары ионов. Каждая пара ионов состоит из свободного электрона и положительного иона атома поглотителя, из которого был вырван электрон. Пары ионов могут естественным образом повторно объединиться, и снова сформировать нейтральные атомы, но в некоторых типах детекторов такая рекомбинация подавлена таким образом, что пары ионов используются как основа появления сигнала с детектора.
|
|
Рис. 2-1 Вид траекторий альфа-частиц от моноэнергичного источника.
При очень близких столкновениях электрону может передаться достаточно большой импульс, чтобы при вырывании из атома, у него была бы достаточная кинетическая энергия для дальнейшей ионизации. Эти энергичные электроны иногда называют дельта-лучами, они могут представлять собой косвенный путь, по средствам которого энергия заряженной частицы передается поглощающей среде. При типичных условиях, в основном, энергетические потери заряженной частицы происходят через дельта-лучи. Пробеги дельта-лучей всегда очень малы по сравнению с пробегами налетающей заряженной частицы, и в большинстве ситуаций является несущественным, как именно передалась энергия - непосредственно налетающей частицей или вторичными дельта-лучами.