Определение энергии заряженных частиц по пробегу и плотности ионизации

Пробеги заряженных частиц являются функцией энергии. Точность определения энергии частицы по ее пробегу в среде лимитируется, в конечном счете, дисперсией в величинах пробегов и точностью, с какой известно соотношение между энергией и пробегом. Разброс в величинах пробегов связан с флуктуациями потерь энергии в каждом взаимодействии и многократным рассеянием заряженных частиц. Флуктуации пробегов тяжелых заряженных частиц в средах с малыми атомными весами лежат в пределах (0,5…2)%. При достаточно точном измерении средней величины пробега погрешность в определении энергии может быть в несколько раз меньше, чем флуктуации пробегов, если, конечно, с необходимой точностью известна связь между энергией и пробегом частицы. Для легких заряженных частиц флуктуации пробегов значительно больше, и поэтому их энергию по пробегам можно определить с меньшей точностью.

Энергии заряженных частиц по пробегам находят обычно относительно пробегов частиц с известными энергиями. Абсолютные значения энергии заряженных частиц можно установить по пробегу с невысокой точностью. Это связано с тем, что для расчета пробега необходимо знать средний ионизационный потенциал и потери энергии частицами при низких энергиях. Последние величины не поддаются точному вычислению.

Пробеги заряженных частиц измеряют в трековых приборах. В этих случаях ошибка в измеренной величине пробега обусловлена не только флуктуациями потерь энергии, но и некоторыми специфическими погрешностями (искажения при фотографировании треков, движение газа и жидкости в камерах, деформация ядерных эмульсий при проявлении и т.д.).

Величины пробегов заряженных частиц с небольшой энергией с достаточной точностью измеряют, используя метод пропускания. Параллельный пучок заряженных частиц направляется на какой-нибудь детектор и измеряется скорость счета этого детектора в зависимости от толщины поглотителя, расположенного на пути пучка. Полученная зависимость позволяет после дифференцирования получить величину пробега заряженной частицы. Существуют и дифференциальные методы измерения пробега. Эти методы особенно удобны, когда необходимо разделить две или более групп α-частиц или выделить малоинтенсивные α-частицы на фоне других с большей энергией. В таких случаях используют так называемые дифференциальные камеры, которые состоят из двух камер с общим центральным электродом. Переднюю по отношению к источнику стенку камеры (рис. 11.1) и общий электрод камер изготовляют из очень тонкой золотой фольги толщиной примерно 1 мг/см².

Рис. 11.1. Зависимость скорости счета импульсов дифференциальной камеры от расположения источника. В верхней части рисунка показаны схема включения камеры и расположение α‑источника

Расстояния между электродами камер порядка 1…2 мм. Если напряжение на камеру подано так, как показано на рисунке, то импульсы с центрального электрода будут иметь максимальное значение, когда пробег α-частицы заканчивается в центральном электроде. Если же частица проходит через обе камеры, то амплитуда импульса будет значительно меньше. С помощью дискриминатора амплитуд можно отбирать лишь такие импульсы, которые созданы α-частицами, пробег которых оканчивается в первой камере. Измерения таким прибо­ром сводятся к регистрации числа импульсов в функции расстоя­ния источника от камеры. Типичное измеренное распределение для двух групп длиннопробежных α-частиц показано на рис. 11.1. Видно, что ширина распределения на полувысоте составляет около 0,4 см, что соответствует энергетическому разрешению примерно 3%.

Методы измерения пробегов заряженных частиц по пропусканию очень просты и не требуют сложной измерительной аппаратуры. Измерение энергии этим методом возможно с точностью не лучшей, чем около 100 кэв.