3.10. Пробеги ионов Н и Не

При анализе распределения водорода по глубине образца методом спектрометрии атомов отдачи (разд. 3.9) необходимо применять пленки из майлара, поглощающие рассеянные ионы гелия, но пропускающие ионы водорода к детектору (рис. 3.12, а). Пленки из майлара используются также в радиационном экспресс-анализе, проводимом методом ядерных реакций

(гл. 12), для предотвращения попадания в детектор упруго рассеянных частиц (рис. 12.11). В этом разделе мы обсудим пробеги ионов гелия и водорода в твердых телах.

Проникновение -частиц и протонов в вещество вызывало большой интерес в 1930-х годах. Энергии этих заряженных частиц можно определять по величине их поглощения в веществе, например в воздухе. Такие измерения поглощения в воздухе были проведены с помощью коллимированного источника -излучения, расположенного на подвижной платформе, расстояние от которой до детектора частиц можно было изменять [14]. При увеличении расстояния между источником и детектором вплоть до некоторой величины R число регистрируемых а-частиц практически не менялось, а затем резко падало до нуля. Расстояние R и является пробегом частиц. Можно установить зависимость R от начальной энергии частиц; например, средний пробег в воздухе а-частиц с энергией 5,3 МэВ (источник ) равен около 3,8 см, а с энергией 8,78 МэВ (источник ) — около 6,9 см. Более подробное обсуждение зависимости пробега в воздухе от энергии можно найти в стандартных учебниках по атомной [3] или ядерной [4] физике. Поскольку воздух имеет плотность примерно в 104 раз меньше, чем твердные тела, следует ожидать, что сантиметровые пробеги в воздухе соответствуют микрометровым в твердых телах.

В этом разделе мы рассмотрим торможение заряженных частиц (протонов, нейтронов и а-частиц) с энергией 1—5 МэВ в пленках. При этом будем использовать многие из приближений, применяющихся при вычислении пробегов а-частиц в воздухе. Пробег R частицы задается выражением

где — начальная кинетическая энергия, — потери энергии на единицу пути. В случае рассматриваемых быстрых нерелятивистских частиц преобладающими являются электронные потери энергии, а скорость потерь определяется выражением (3.10).

Для наших целей пробеги частиц можно иайти в работах [6] или [8]. Используя скорость как параметр скейлинга, представим пробег в виде

где — функция скорости. Это выражение не учитывает явления нейтрализации в конце пробега и не содержит ряд других поправок; но во многих случаях, включая случай очень малых энергий, оно является достаточно точным. Из формулы (3.36) следует, что при одинаковых начальных скоростях ионов выполняется равенство (см. задачу 3.1).

На рис. 3.13, а представлена зависимость от энергии пробега а-частиц и протонов (Н) в майларе и кремнии. Из графиков видно, что пробег

Рис. 3.13. а — пробег протонов и ионов гелия в майларе (сплошная линия) и кремний (штриховая линия); б — потери энергии протонов и ионов гелия в майларе.

ионов с энергией свыше 4 МэВ совпадает с пробегом протонов при той же скорости и, следовательно, при энергии Скейлинг имеет место только в области энергий, расположенных справа от максимума функции (рис. 3.13, б). При одинаковых скоростях значения ведут себя как , так что кривая для Н получается из кривой для сжатием в 4 раза по обеим осям.

Пленка из майлара толщиной 10 мкм полностью задерживает ионы Не с энергией 2,5 МэВ. Для протонов той же энергии можно оценить потери в этой пленке, пользуясь зависимостью пробега от энергии. Пробег в майларе протона с энергией 2,5 МэВ составляет 80 мкм, а пробег 70 мкм имеют протоны с энергией 2,3 МэВ; поэтому на толщине 10 мкм протон с энергией 2,5 МэВ теряет около 0,2 МэВ. Эту оценку можно получить также из рис. 3.13, б, заметив, что протон с энергией 2,5 МэВ теряет в майларе 18 кэВ/мкм.

Почти полное совпадение графиков зависимости пробега от энергии в майларе и кремнии является случайным. В общем случае потери энергии в соединениях определяются средневзвешенными сечениями торможения (разд. 3.4)