Потери энергии на фотоядерные взаимодействия - Курсовая работа

В настоящее время они получили широкое распространение как счетчики числа частиц и как приборы для измерения энергии частиц (спектрометры) с высокой разрешающей способностью. Их использование имеет наиболее перспективное значение: - для создания малодозовых медицинских цифровых томографов, маммографов, дентальных аппаратов, систем диагностики раковых опухолей, рентгенодиагностики заболеваний костей; в области высокоэффективных систем таможенного досмотра и систем контроля перемещения опасных грузов, малодозовых систем безопасности в аэропортах, вокзалах, на транспортных магистралях, способных снизить вероятность террористических акций в местах большого скопления людей; Принцип работы полупроводникового детектора основан на том, что при прохождении через счетчик, ионизующие частицы взаимодействуют с атомами полупроводникового материала, генерируя заряды, которые собираются на внешних электродах. По сравнению с другими детекторами, работающими на том же принципе, например, с ионизационной камерой, полупроводниковый детектор обладает большими преимуществами.Частицы и излучение могут быть зарегистрированы непосредственно лишь через взаимодействие с веществом. Взаимодействие частиц с веществом зависит от таких характеристик материала как его атомный номер, масса, энергия, плотность и средний ионизационный потенциал. На современных ускорителях получают пучки ?-частиц с энергией от нескольких до сотен МЭВ. Проходя через вещество, заряженная частица за счет кулоновского взаимодействия упруго рассеивается на электронах и ядрах атомов и неупруго на электронах, передавая им часть своей энергии, которая расходуется в основном на ионизацию атомов. Зная энергию ?-частицы и число пар ионов, образованных ею на протяжении всего пути, можно определить среднюю энергию, затрачиваемую ?-частицей на создание одной пары ионов.Заряженные частицы, проходящие через вещество, претерпевают многократное рассеяние. Если заряженная частица движется в плотной среде, то, проходя мимо различных ядер этой среды, она будет рассеиваться каждым из них на некоторый угол, среднее значение которого тем больше, чем меньше масса движущейся частицы и чем меньше ее энергия. Упругим рассеянием называется такой процесс взаимодействия двух частиц, при котором суммарная кинетическая энергия обеих частиц сохраняется и только перераспределяется между частицами, а сами частицы изменяют направление своего движения. Проходя через вещество, а-частицы почти не рассеиваются на электронах среды изза своей большой массы (= 7350 ). Упругое рассеяние заряженной частицы на тяжелом ядре описывается формулой Резерфорда: , (5) где N(j) - число частиц, рассеянных в единице телесного угла под углом j;Тормозное излучение - это электромагнитное излучение заряженной частицы, которое возникает в результате ее торможения при взаимодействии с электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов. При возникновении излучения при кулоновском взаимодействии заряженных частиц с ядрами и электронами среды оно называется тормозным излучением и является причиной радиационных потерь энергии заряженной частицей. Быстрые заряженные частицы кроме ионизационных потерь теряют энергию на взаимодействие с кулоновским полем ядер среды, через которую они движутся. При замедлении в кулоновском поле ядра часть их энергии испускается в виде фотонов. Различие между ионизационными потерями и потерями энергии на тормозное излучение в том, что энергия, которая затрачивается на ионизацию, передается атомным электронам малыми порциями и быстро расходуется на тепловое движение атомов вещества, иными словами происходит нагрев вещества.Помимо потерь на тормозное излучение существуют дополнительные механизмы потерь энергии.Заряженные частицы могут неупруго взаимодействовать через виртуальные частицы-переносчики (в данном случае фотоны) с ядрами поглотителя, и при этом терять энергию (ядерные взаимодействия).Полупроводниковые детекторы являются твердотельным аналогом газовых ионизационных камер, в которых рабочая среда - газ заменена конденсированной средой - твердым телом. Принцип их работы сводится к измерению импульсов напряжения, возникающих в результате возрастания проводимости кристалла под действием поступающих в него частиц или фотонного излучения. Прохождение ионизирующего излучения вызывает в диэлектрике образование разноименных носителей зарядов (электронов и дырок). Для того чтобы такая камера с твердым наполнителем работала долго, а сигнал, получаемый на ее выходе, был пропорционален энергии, потерянной заряженной частицей в чувствительном объеме камеры, и, наконец, протяженность сигнала во времени была небольшой, наполнитель должен характеризоваться: - малой величиной средней энергии, расходуемой заряженной частицей для создания одной пары носителей заряда; Попав в чувствительную область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки.

Содержание

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Механизмы взаимодействие альфа-частиц с веществом

1.1.1 Упругое рассеяние

1.1.2 Тормозное излучение

1.1.3 Прямое рождение электрон-позитронных пар

1.1.4 Потери энергии на фотоядерные взаимодействия

1.2 Полупроводниковый детектор

1.2.1 Энергетическое разрешение полупроводникового детектора

1.2.2 Спектрометрические детекторы

1.2.3 Нейтронные детекторы

1.3 Сравнение характеристик детекторов на основе GAAS и Si

2. Расчет пробега частиц

2.1 Метод Монте-Карло

2.2 Программа GEANT4

2.3 Моделирование прохождения элементарных частиц через вещество с использованием методов Монте-Карло

3. Экспериментальная часть

3.1 Исходные данные

3.2 Результаты моделирования

Выводы

Список использованной литературы

Появление первых полупроводниковых детекторов в 60-х годах было важным шагов в развитии экспериментальной ядерной физики. Их применение для регистрации тяжелых заряженных частиц сразу привело к успехам в изучении ядерных реакций. В настоящее время они получили широкое распространение как счетчики числа частиц и как приборы для измерения энергии частиц (спектрометры) с высокой разрешающей способностью.

Исследуемые детекторы находят свое применение в разных областях науки и техники. Их использование имеет наиболее перспективное значение: - для создания малодозовых медицинских цифровых томографов, маммографов, дентальных аппаратов, систем диагностики раковых опухолей, рентгенодиагностики заболеваний костей;

- в области высокоэффективных систем таможенного досмотра и систем контроля перемещения опасных грузов, малодозовых систем безопасности в аэропортах, вокзалах, на транспортных магистралях, способных снизить вероятность террористических акций в местах большого скопления людей;

- в физике космоса при определении условий безотказной работы аппаратуры и безопасности полетов, а также в экспериментах с релятивистскими частицами сверхвысоких энергий;

- при регистрации быстрых нейтронов в качестве индивидуального дозиметра нейтронов.

Принцип работы полупроводникового детектора основан на том, что при прохождении через счетчик, ионизующие частицы взаимодействуют с атомами полупроводникового материала, генерируя заряды, которые собираются на внешних электродах. По сравнению с другими детекторами, работающими на том же принципе, например, с ионизационной камерой, полупроводниковый детектор обладает большими преимуществами. Прежде всего, на образование одной пары носителей заряда в полупроводниковом счетчике требуется в ~10 раз меньше энергии, чем в газах. Кроме того, высокая плотность вещества счетчика (в ~103 раз выше, чем плотность газов) позволяет получить существенно больший заряд на единице пути частицы в счетчике.

Вследствие этих причин точность измерения ионизации, создаваемой частицей в полупроводниковом счетчике, значительно выше, чем в ионизационной камере.

Кроме того, благодаря большой плотности и высокой тормозной способности в полупроводниковом счетчике могут полностью затормозиться не только ?-частицы, но даже сравнительно такие длиннопробежные частицы как - электроны, протоны с умеренной энергией. В этом случае детектор позволяет измерить их энергию, т.е. работает как спектрометр полного поглощения.

Наконец, важной особенностью полупроводниковых детекторов являются их малые габариты. Это сильно расширило возможности применения таких детекторов не только в области физического эксперимента, но и в технике - в приборах технологического контроля и в медицине. В атомной физике полупроводниковые счетчики применяются, например, в исследованиях по термоядерному синтезу для изучения рентгеновского излучения плазмы.