ионизационные потери

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - потери энергии заряженной частицей при прохождении через вещество, связанные с возбуждением и ионизацией его атомов. Удельные И. п. (- dE/dx), где E - кинетич. энергия частицы, называют тормозной способностью вещества. Они определяются как ср. энергия, потерянная частицей на единице длины пути. И. п. являются частью (для частиц тяжелее электрона преобладающей) общих электромагнитных потерь энергии, включающих также радиационные потери, Черенкова - Вавилова излучение и переходное излучение .И. п. складываются из дискретных порций передач энергии атомам среды в отдельных столкновениях. В результате энергия частицы монотонно уменьшается, что приводит к её торможению, а при большой толщине вещества (или малой E)и к полной остановке. Различают полные, ограниченные и вероятные И. п. Полные И. п. отвечают любым передачам энергии в отдельных элементарных актах столкновений вплоть до максим, кинематически возможного предела T_макс. Полные удельные И. п. заряженных частиц тяжелее электрона (в г/см²) даются ф-лой Бете-Блоха:

Здесь A=0,1536 МэВ г^-1 см², z - заряд частицы в ед. заряда электрона, b~v/c (v - скорость частицы), g=(1- b²)^-1/2 - лоренц-фактор, Z и А - атомный номер

Рис. 1. Полные удельные ионизационные потери энергии быстрых заряженных частиц тяжелее электрона в воздухе, Аl, Рb.

и массовое число вещества, m - масса электрона, I - ср. ионизационный потенциал, U - поправка, учитывающая связь атомных К и L-электронов, существенная при малых b, d - поправка на поляризацию среды эл--магн. полем частицы при b''1 (т. н. эффект плотности). В случае электронов и позитронов формула (1) усложняется, так как учитывает тождественность налетающего и атомных электронов и др. При высоких энергиях полные удельные И. п. имеют минимум (при g=3-4) и далее испытывают логарифмический релятивистский подъём, к-рый замедляется (но не прекращается) начиная с (w_п - плазменная частота среды), где вступает в действие поправка на эффект плотности. Полные удельные И. п. слабо зависят от состава вещества и в минимуме И. п. близки к 2 МэВ г^-1 см² (рис. 1). Именно они определяют ионизационный пробег тяжёлых частиц в веществе:

Ограниченные удельные И. п. отвечают ограничению передач энергии в соударениях значением T₀<T_макс. Ограничение связано с условиями наблюдения, напр, с ограничением пробега электронов ионизации в трековом детекторе шириной следа. Ограниченные удельные И. п. для всех частиц описываются выражением, сходным с (1) с заменой T_макс на Т₀, а - 2b² на - b², к-рое

Рис. 2. Ограниченные удельные ионизационные потери энергии быстрых заряженных частиц в водороде при давлении 10 атм (T₀=0,12 МэВ).

справедливо при T₀дI_K, где I_К - ионизационный потенциал K-оболочки атома. При высоких энергиях релятивистский рост ограниченных удельных И. и. прекращается начиная с , и они выходят на т. н. плато Ферми (рис. 2). К ограниченным И. п. близко понятие линейной передачи энергии (ЛЭП), используемое в дозиметрии ионизирующих излучений. И. п. испытывают заметные флуктуации, к-рые складываются как из пуассоновых флуктуации числа столкновений заряженной частицы, так и разброса передач энергии в каждом отдельном соударении (рис. 3). Форма

Рис. 3. Распределение ионизационных потерь энергии пионов с энергией 65,3 МэВ в слое Si толщиной 2,16 мм (плавная кривая - распределение Ландау).

распределения И. п. зависит от толщины слоя вещества. Распределения И. п. в толстых слоях вещества были впервые рассчитаны Н. Бором, а в тонких Л. Д. Ландау и неоднократно уточнялись для слоев промежуточной и очень малой толщины. Максимум распределения И. п. отвечает т. н. вероятным И. п., к-рые обычно измеряют с помощью пропорциональных детекторов. Вероятные И. п. зависят от толщины слоя вещества и изменяются с энергией подобно ограниченным И. п. Измерения вероятных И. п. в многослойных пропорциональных камерах и дрейфовых камерах используются в физике высоких энергий для идентификации быстрых заряженных частиц. Лит.: Стародубцев С. В., Романов А. М., Прохождение заряженных частиц через вещество, Таш., 1962; Janni J. F., Proton range energy tables 1 keV -10 GeV, pt 1-2, "Atom. Data and Nucl.' Data Tables", 1982, v. 27, p. 147; Sternheimer R. M., Berger M. J., Seltzer S. M., там же, 1984, v. 30, p. 261; Ионизационные измерения в физике высоких энергий, М.. 1988. Г. И. Мерзон.