3. Залежність питомих іонізаційних втрат від залишкового пробігу у повітрі. Крива Брегга

При проходженні через речовину заряджена частинка втрачає енергію, і тому питомі іонізаційні втрати на різних ділянках її шляху будуть різними. Згідно формули (1) вони зростають пропорційно зменшенню швидкості і відповідно енергії. На рис. 3 зображена така залежність для двох різних джерел альфа-частинок: полонію та радію. Полоній – ізотоп – випромінює альфа-частинки з енергією 4,88 Мев, а радій С’(стара назва) – ізотоп – випромінює альфа-частинки з енергією 7,68 Мев. Початковий зріст кривої вказує збільшення питомих енергетичних втрат із глибиною у зв’язку з зменшенням енергії частинки. Однак, як тільки енергія частинки наближається до теплової енергії молекул чи атомів середовища, всупереч теорії, енергетичні втрати починають різко зменшуватися. Це пов’язано з тим, що при малих швидкостях зростає імовірність захоплення важкою частинкою електрона. При цьому додатній електричний заряд частинки зменшується та зменшуються і питомі втрати енергії. Однак, швидкість частинки при цьому ще досить велика і вона швидко втрачає цей електрон.

Рис. 3. Залежність питомих іонізаційних втрат енергії α–частинок від залишкового

пробігу у повітрі–крива Брегга. Питома іонізація дана у відносних одиницях.

Такі процеси – захоплення та втрата електрона багаторазово повторюються, поки один із електронів не залишиться, остаточно, навколо α–частинок (ядра). Потім перезарядка продовжується з другим електроном. Коли α-частинка приєднує до себе обидва електрони, перетворюється у нейтральний атом гелію, який вже не викликає іонізацію атомів та молекул речовини.

Експериментальна установка

Для реєстрації та визначення енергетичного спектру α–частинок використовується напівпровідниковий α-спектрометр блок-схема якого зображена на рис. 4. Основними елементами спектрометра є: напівпровідниковий детектор та пристрій для переміщення джерела α–частинок і фіксації його на точно визначених віддалях від детектора (НПД), зарядочутливий підсилювач (ЗПЧ) та джерело живлення детектора і підсилювача (ДЖ), багатоканальний амплітудний аналізатор (БКАА), одноканальний амплітудний аналізатор (БР–1).

Рис. 4. Блок-схема напівпровідникового α–спектрометра.

Важливішим елементом установки є напівпровідниковий детектор, який виготовлений з кремнієвої пластинки товщиною 2–3 мм та розміром 2х2 см. Чутливою областю детектора є, так звана, збіднена зона в районі р-n переходу. Між областями p- та n- провідності напівпровідникового матеріалу детектора створюється подвійний шар зв’язаних зарядів, який створює скачок потенціалу, що перешкоджає переміщенню носіїв заряду з однієї області в іншу, створюється так звана збіднена зона. Якщо до детектора прикласти зовнішню напругу зворотного зміщення (плюс на n-область, мінус - на р-область, то збільшується товщина збідненого шару. Саме збіднена область і є робочим об’ємом детектора.

У α-спектрометрі використовується поверхнево – бар’єрний детектор p–n перехід у такому детекторі створюється шляхом нанесення на лицьову поверхню напівпровідникового матеріалу n–типу (пластинка із кремнію) тонкого шару золота, товщиною приблизно (410^-5 г/см²). Електричним контактом, з другого, боку є шар алюмінію, який наносять на кремній n–типу. Відомо, що коли метал (шар золота) знаходиться у контакті з напівпровідником, то на їх межі фактично виникає p–n перехід, утворюється збіднена зона. При прикладенні зворотної напруги до межі метал-напівпровідник розширюється збіднена носіями зона. Схематичне зображення напівпровідникового детектору та схеми увімкнення його у електричне коло приведено на рис. 5.

Рис. 5.Схема увімкнення НПД з поверхневим бар’єром у електричне коло.

Принцип роботи такого детектора полягає в тому, що заряджена частинка, потрапляючи у чутливу (збіднену) зону, товщина якої досягає величини 5÷150 мкм. і більше, в результаті іонізації утворює багато пар носіїв заряду: електронів та „дірок”. Ці носії заряду під дією зовнішнього електричного поля збираються на відповідних „електродах”. Імпульси струму або напруги, які при цьому виникають і використовуються для реєстрації випромінювання. Число утворених пар носіїв практично залежить тільки від енергії, яку втратила в чутливому об’ємі іонізуюча частинка. Лінійний зв’язок між амплітудою сигналу та втраченою енергією частинки надає нам можливість спектрометрії α–частинок. Однак, при цьому всю свою енергію частинка повинна втрачати в чутливому об’ємі детектора. Отже, джерело альфа-частинок повинно знаходитись на мінімально можливій відстані від поверхні джерела (звичайно 1–2 мм.).

Послідовність електричних імпульсів (сигналів), амплітудний розподіл яких фактично визначає енергетичний спектр зареєстрованих частинок, з зарядочутливого підсилювача поступає на вхід багатоканального амплітудного аналізатора. У гратках пам’яті (каналах) аналізатора відбувається набір інформації – запис числа зареєстрованих імпульсів певної амплітуди. Номери каналів пропорційні амплітудам імпульсних сигналів, які у них зареєстровані. Якщо номери каналів прокалібрувати по енергії, то ми зможемо за допомогою апаратурного спектру відновлювати енергетичний спектр випромінювання. На рис.6 показано приклад апаратурного спектру альфа-частинок від джерела, що випромінює альфа-частинки з енергіями 5,477 МеВ, 5,435 МеВ та 5,375 МеВ. Найбільшу інтенсивність мають α–частинки із найбільшою енергією.

Рис. 6. Апаратурний спектр α-випромінювання.

Енергетичний спектр - це графік у якому по вісі абсцис відмічено значення енергії α–частинок Е; по вісі ординат відмічено n(Е) число зареєстрованих імпульсів (відліків) від α–частинок з енергією Е.

Основною характеристикою таких спектрів є положення піку N_макс (N_макс номер каналу у якому зареєстровано найбільше число імпульсів при вимірі з джерелом). Друга важлива характеристика є ширина піку на половині висоти ΔN. На основі цих двох характеристик можна визначити важливішу характеристику детектора і відповідно спектрометра у цілому – енергетичну роздільну здатність.

Енергетична роздільна здатність детектора - це відношення ширини піку на половині висоти ΔN до положення піку N_макс. ЕРЗ це безрозмірна величина, але звичайно її вказують у %. Для розрахунку ЕРЗ слід користуватись формулою (9):

% (9)

Енергетична роздільна здатність α–спектрометрів на базі напівпровідникових детекторів висока і складає від одиниць до долей проценту.