ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ

Cząstki przechodząc przez materię mogą oddziaływać z nią na różne sposoby oddając przy tym swoją energię. Cząstki naładowane mogą jonizować ośrodek bądź wzbudzać jego atomy (cząsteczki), z kolei kwanty gamma oddziałują z ośrodkiem poprzez procesy takie jak zjawisko fotoelektryczne, rozpraszanie kulombowskie, czy też poprzez kreację par elektron pozyton. Ze względu na ilość traconej energii podczas przejścia cząstki przez ośrodek materialny oraz na zmianę ilości cząstek wchodzących do ośrodka w postaci skolimowanej wiązki monoenergetycznej można wyróżnić dwa typy oddziaływań:

• Oddziaływania, w których w każdym pojedynczym akcie oddziaływania cząstka traci niewielką część swojej energii i jej kierunek ulega niewielkiej zmianie (np.: procesy jonizacji atomów).

• Oddziaływania, w których w pojedynczym akcie oddziaływania energia i kierunek cząstki ulegają istotnej zmianie tak, że cząstka jest usuwana z wiązki początkowej (np.: promieniowanie hamowania).   (13)

        Poniżej omówiono procesy jonizacji i procesy wzbudzenia atomów (cząsteczek) ośrodka, gdyż właśnie te procesy są powszechnie wykorzystywane przy detekcji cząstek.

Jonizacja ośrodka – zjawisko to polega na odrywaniu elektronów od atomów ośrodka, w wyniku czego z obojętnego elektrycznie atomu powstaje dodatnio naładowany jon oraz swobodne elektrony. Jonizacja jest możliwa tylko wówczas, gdy energia padającej cząstki jest większa od energii jonizacji atomów bądź cząsteczek danego ośrodka. W gazach jest ona rzędu kilkudziesięciu eV. Elektrony powstałe w wyniku jonizacji mogą mieć wystarczającą energię do wywołania dalszej jonizacji (tzw. jonizacji wtórnej). W następstwie tego całkowita liczba par elektron – jon dodatni jest 3-4 krotnie większa niż jonizacja pierwotna i jest proporcjonalna do straty energii cząstki pierwotnej. Średnie jonizacyjne straty energii cząstki naładowanej opisuje wzór Bethego i Blocha:

^,

gdzie m – masa elektronu,

         e, z – ładunek cząstki,

         Z, A – to liczba atomowa i masowa atomów ośrodka,

         N_A – to liczba Avogadra,

         - prędkość cząstki (),

         dx – element długości drogi przebytej w ośrodku, wyrażony w g/,

         I – stała jonizacji dla danego ośrodka (przybliżona wartość I=11,5Z eV).

Z powyższego wzoru wynika, iż średnie straty energii cząstki dE/dx są proporcjonalne do kwadratu jej ładunku i nie zależą od jej masy M. Zależność dE/dx od rodzaju ośrodka jest bardzo słaba, ponieważ stosunek Z do A wynosi w przybliżeniu 0,5 dla prawie wszystkich jąder z wyjątkiem wodoru i pierwiastków najcięższych. Wartość dE/dx zmienia się jak dla prędkości nierelatywistycznych i osiąga minimum dla E (3,2), dalej rośnie logarytmicznie z =.   (12), (13)

Wzbudzenia atomów (cząsteczek) ośrodka – są to procesy niejonizacyjne wywołane przechodzeniem naładowanych cząstek przez ośrodek. Do tych procesów zaliczamy: powstawanie błysków scyntylacyjnych, kreację par dziura-elektron, emisja promieniowania Czerenkowa oraz emisję promieniowania hamowania.

• Powstawanie błysków scyntylacyjnych (scyntylacji) – w niektórych substancjach zwanych scyntylatorami (niektóre kryształy nieorganiczne, plastyki, ciecze organiczne) następuje emisja fotonów wywołana wzbudzeniem cząsteczek ośrodka przez przechodzącą cząstkę naładowaną.

• Kreacja par dziura-elektron – zjawisko zachodzące w półprzewodnikach na skutek wzbudzenia elektronów i przeniesienia ich do pasma przewodnictwa.

• Promieniowanie Czerenkowa – promieniowanie emitowane przez naładowane cząstki przechodzące przez ośrodek z prędkością większą od prędkości światła w tym ośrodku. Promieniowanie Czerenkowa jest falą uderzeniową tworzącą się w polu elektromagnetycznym - analogiczny efekt do dźwiękowej fali uderzeniowej powstającej wtedy, gdy ciało porusza się z prędkością naddźwiękową. Zjawisko to wykorzystywane jest w licznikach Czerenkowskich do identyfikacji szybko poruszających się cząstek. Dla każdej cząstki w danym ośrodku istnieje wartość progowa energii, przy której wystąpi zjawisko Czerenkowa.

• Promieniowanie hamowania – towarzyszy przechodzeniu naładowanych cząstek przez ośrodek materialny podczas ich hamowania. Intensywność emisji promieniowania hamowania jest proporcjonalna do liczby atomowej Z atomów ośrodka i odwrotnie proporcjonalna do masy cząstki (występuje tylko w przypadku elektronów, gdyż inne naładowane cząstki są zbyt ciężkie). Straty radiacyjne rosną wraz z energią padających elektronów. Gdy energia osiągnie wartość krytyczną, wówczas straty radiacyjne stają się równe stratom jonizacyjnym. Straty energii elektronów na emisję promieniowania hamowania można w przybliżeniu opisać za pomocą równania:

^,

gdzie E₀ – początkowa energia elektronów,

         X₀ – długość radiacyjna,

         dx – element długości drogi przebytej w ośrodku.

Po przebyciu drogi równej X₀ energia elektronów maleje o czynnik e w stosunku do energii początkowej.   (12), (13)