Материал: Теория радиационного действия - Курсовая работа


Теория   радиационного  действия

Важными видами излучений, воздействующими на металлы и полупроводники, являются нейтроны и заряженные тяжёлые частицы. Остальные виды излучений, как фотоны, гамма-лучи и электроны, производят очень малое действие, за исключением изоляторов и химических соединений. Мезоны пока недоступны в достаточном количестве, чтобы производимое ими действие представляло собой практический интерес, хотя оно вероятно будет промежуточным между действием протонов и электронов.

Нейтрон почти не действует на атом, пока он не приблизится к ядру настолько, что вступают в действие ядерные силы. Сила взаимодействия между магнитным дипольным моментом нейтрона и магнитными полями, имеющимися в веществе, имеет значение для диффракции и рассеяния нейтронов, но она слишком мала для радиационных нарушений. Следовательно, поперечное сечение нейтрона при столкновении с атомом очень мало и нейтрон может проходить через значительные толщи вещества, испытав только несколько прямых столкновений с атомами, находящимися на значительных расстояниях друг от друга. Эти столкновения можно рассматривать как независимые события. Теория этих столкновении очень проста и хорошо понятна. Здесь могут быть, во-первых, упругие столкновения. Они являются единственно важным типом столкновений с быстрыми нейтронами и имеют значение для любых радиационных нарушений. При таких соударениях нейтрон передаёт значительную долю своей энергии атому, участвующему в соударении. Эта доля энергии тем выше, чем ближе масса нейтрона к массе атома, испытывающего соударение (т. е. чем легче этот атом). Отскочивший нейтрон двигается дальше до следующего столкновения, когда он отдаёт примерно такую же долю энергии (меньшую поэтому по абсолютной величине), и так далее, до полного замедления. В тепловом диапазоне скоростей может быть велика вероятность ядерных реакций, а если участвующий в соударении атом может расщепляться, го существует и вероятность расщепления ядра.

Действие нейтрона при столкновении заключается либо в образовании атома отдачи с большой энергией (часто десятки или сотни тысяч вольт), либо атома-осколка, возникшего при ядерном превращении или расщеплении. Атомы отдачи в большинстве случаев будут иметь заряд, так как часть их электронов теряется при столкновении. Поэтому мы можем начать изучение радиационных действий с рассмотрения действия, производимого атомом отдачи, т.е. тяжёлой заряженной частицей. В таком случае воздействие нейтронной радиации принципиально не отличается от действий, непосредственно производимых тяжёлыми заряженными частицами: протонами, дейтронами, альфа-частицами из циклотронов или осколками ядер.

По-видимому, наиболее полное изучение этой проблемы было осуществлено и продолжает осуществляться Бором и его школой. Эта работа в значительно большей степени относится к действию быстрых частиц на газы (например, в камере Вильсона), чем на твёрдые тела, но многие, если не все, рассматриваемые явления будут одинаковы как в газе, так и в твёрдом теле, и сводятся к взаимодействию падающих частиц с отдельными атомами, не зависящему от агрегатного состояния. Рассмотрим поведение быстрых частиц, проходящих через газ: В начале быстрые частицы сами, вероятно, несут заряд, который очень велик для быстрых частиц (подобно осколкам ядер в начале их пробега), но по мере замедления частицы уменьшается. Быстрые частицы получают этот заряд совершенно независимо от того, имели ли они его в начале или нет. Довольно очевидно, что если очень быстрая частица, например атом, проходит через слой вещества, то внешние, наиболее легко отделимые электроны при этом отрываются.

Простое и довольно точное правило указывает, какие электроны будут удалены и какие нет: отрываются те электроны, орбитальная скорость которых меньше скорости атома. Электроны, имеющие  большую  орбитальную   скорость,   остаются   связанными с атомом. Так как внешние электроны имеют малые орбитальные скорости, а внутренние — большие, то это значит, что внешние электроны будут отрываться. При этом образуется положительный ион, у которого число удалённых электронов уменьшается по мере его замедления. Это уменьшение заряда обусловлено тем, что атом при своём движении через вещество легче приобретает электроны, чем их теряет. Частица находится в равновесии, определяемом тем, что электроны на границе между отрывом и захватом имеют орбитальную скорость, почти равную скорости частицы. Такое равновесие между ионизацией и захватом было известно ещё на заре ядерной физики в приложении к потере и захвату электронов альфа-частицами при прохождении последних через вещество.

Быстрый ион, проходящий через вещество, может действовать двояким образом на атомы, с которыми он сталкивается. Во-первых, он может испытать упругое соударение и передать атому отдачи кинетическую энергию. Этот тип столкновений в принципе мало отличается от упругих соударений нейтронов с атомами, которые мы уже рассматривали. Некоторые результаты будут те же самые; например, тем большая доля энергии падающего атома передаётся ударяемому атому, чем более близки их массы. Но здесь, вследствие заряженности иона, появляется другой процесс, сравнимый по важности с предыдущим: ударяющая частица может ионизовать или возбудить электроны ударяемого атома, что приводит к неупругому столкновению, при котором большая часть энергии падающей частицы переходит к отрываемым электронам, а не к атому отдачи. Можно показать, что вероятность ионизации, кроме других величин, зависит от квадрата заряда ударяющей частицы. Поэтому ясно, что когда падающая частица теряет энергию и поэтому теряет заряд (точнее говоря, приобретает электроны – примечание переводчика), то ионизация быстро уменьшается.

Если принять во внимание это уменьшение ионизации с уменьшением энергии, то окажется, что вся энергия быстрой частицы (кроме нескольких процентов рассеянной энергии) расходуется на ионизацию, в то время как при низких энергиях ионизация не имеет значения, и остающаяся энергия передаётся почти целиком атомам отдачи. Как будет показано дальше, именно эти атомы отдачи производят радиационные разрушения. Поэтому наибольшие разрушения будут производиться очень быстрой частицей в конце её пробега, когда она замедляется до сравнительно небольшой скорости, хотя суммарное разрушение, произведённое в ранней стадии движения, может быть также значительным. Граничная энергия, при которой имеет место переход доминирующей роли от процесса ионизации к упругим соударениям (например, когда расходование энергии частицы может быть отнесено наполовину за счёт одного процесса и   наполовину   за счёт другого) зависит  от сорта падающей частицы и для лёгкой частицы будет меньше, чем для тяжёлой. Причиной этого является то, что в действительности эта граница ставится не энергией, а скоростью падающей частицы, соответствующая же кинетическая энергия пропорциональна массе частицы. Эта граничная энергия для протона меньше 10000 эв, для атома среднего веса (например, атома углерода) — около 100000 эв, в то время как для таких тяжёлых атомов, как осколки деления ядер, она может быть больше миллиона электрон-вольт. Отметим, что эти цифры согласуются с соответствующими данными для электрона, который в 1800 раз легче протона. Неупругие столкновения электрона с возбуждением и ионизацией имеют место при всех энергиях, превышающих несколько электрон-вольт, тогда как упругие соударения с передачей энергии ядрам отдачи происходят при более низких энергиях.

Мы можем теперь принять разумную гипотезу, что только энергия, передаваемая ядрам отдачи и приводящая к смещению атомов, вызывает радиационные нарушения. Позже мы вернёмся к этой гипотезе. Из неё сразу можно сделать некоторые выводы о нарушениях, производимых различными типами частиц. Возьмём сначала нейтрон. Быстрый нейтрон производит на своём пути изолированные атомы отдачи с энергией в десятки тысяч и сотни тысяч электрон-вольт. Эти атомы отдачи имеют промежуточную массу (за исключением очень лёгких или очень тяжёлых элементов) и поэтому сами участвуют в дальнейших столкновениях, при которых они будут расходовать половину своей энергии на ионизацию, а другую половину при упругих столкновениях, создавая вторичные атомы отдачи. Эти вторичные атомы отдачи будут иметь значительно меньшую энергию, настолько малую, что они почти не будут ионизовать, но будут производить третичные и так далее атомы отдачи со всё меньшей и меньшей энергией. Другими словами, значительная доля энергии каждого нейтрона (по крайней мере половина) будет израсходована на атомные смещения. Мы рассмотрим ниже, сколько действительно нарушений произойдёт при этом. Нарушения, произведённые отдельным нейтроном, состоят из некоторого числа изолированных областей, каждая из которых происходит от одного столкновения нейтрона с атомом. Потенциально возможна затрата значительной доли всей энергии нейтрона на образование радиационных нарушений.

Рассмотрим теперь осколок деления ядер. Он является тяжёлым атомом с начальной энергией порядка сотни миллионов электрон-вольт. Округлённо первые 97\% энергии рассеиваются на ионизацию и только один или два процента всей энергии идёт на образование нарушений, что имеет место, когда энергия атома уменьшится до порядка миллиона электрон-вольт. Когда остающаяся энергия достигает этой величины, она будет передаваться атомам отдачи, которые в свою очередь будут производить вторичные и третичные атомы отдачи так же, как и в случае нейтрона, так что полное потенциальное разрушение, производимое осколком деления, сравнимо с нарушением, производимым нейтроном, имеющим энергию в один или два миллиона электрон-вольт. Эффекты нарушения, однако, очень различны потому, что в случае тяжёлого иона они много более концентрированы. Поперечное сечение для столкновения иона с атомом в области упругого рассеяния много больше поперечного сечения для столкновения нейтрона с тем же самым атомом. Причиной этого является то, что ион может действовать на атом электростатическими силами и обычными межатомными силами отталкивания. Эти силы действуют на много больших расстояниях, чем ядерные силы, являющиеся единственными силами взаимодействия между нейтроном и атомом. Таким образом, осколок деления вместо нескольких упругих столкновений с изолированными атомами и образования отдельных областей нарушений на расстояниях до нескольких сантиметров, как это имеет место в случае нейтрона, будет производить атомы отдачи на очень близких расстояниях, образуя практически непрерывный след нарушений, протяжённость которого в твёрдом веществе может быть порядка нескольких сотых долей миллиметра. Разница между этими двумя явлениями обнаруживается в камере Вильсона и на фотопластинках при регистрации следов быстрых частиц. Первый метод является прямым экспериментальным средством исследования радиационных нарушений в газе, второй — в твёрдом теле.

Ускоренные в циклотроне лёгкие атомы (как, например, протон, дейтрон или альфа-частица) имеют начальную энергию в десять или двадцать миллионов электрон-вольт и, как мы уже видели, рассеивают большую часть своей энергии на ионизацию до тех пор, пока их энергия не достигнет порядка 10 000 эв. Соответственно, только около одной тысячной начальной энергии будет израсходовано на образование радиационных нарушений. Атомы отдачи от первичных столкновений будут иметь довольно малые энергии, значительно меньшие, чем атомы отдачи от нейтронов или от осколков деления ядер, и, следовательно, здесь вторичные и третичные атомы отдачи производят меньшие разрушения. Пробег такой ускоренной лёгкой частицы подобен пробегу осколка деления ядер и имеет порядок нескольких сотых долей миллиметра. Доля энергии, расходуемая такой лёгкой частицей на ионизацию, которая, по нашей гипотезе, не вызывает радиационных нарушений, оказывается даже больше, чем в случае осколка деления ядер. Надо вспомнить в связи с этим, что хотя ионизация не влечёт за собой разрушений, она приводит к нагреву образца, и при любом эксперименте по исследованию радиационных нарушений необходимо это тепло удалять.

Разовьём изложенные соображения в нескольких направлениях. Сначала дадим критику современной теории,  приложения которой были нами изложены, и рассмотрим пути улучшения этой теории, а также экспериментальные методы для прямой проверки теории. Далее обсудим относительные свойства и сравним различные виды излучений с точки зрения познания природы радиационных нарушений, принимая во внимание действительно доступные источники излучений. Затем перейдём к более подробному изучению радиационных нарушений в твёрдых телах, отличающихся от нарушений в газах и изолированных атомах и подтверждающих предположение, что только энергия атомов отдачи, а не энергия ионизации обусловливает появление нарушений. В заключение рассмотрим различные типы твёрдых тел и сравним ожидаемые в них нарушения с имеющимися экспериментальными данными.