10.8. Испускание рентгеновского излучения, возбуждаемого протонами и ионами гелия (PIXE)

Ионизация внутренних оболочек вызывается зависящим от времени электрическим полем, которое возникает при прохождении заряда вблизи атома. В классическом понимании поле протона является точно таким же (кроме знака), как и поле электрона той же скорости. Если выразить скорость через кинетическую энергию, то эта эквивалентность имеет место при энергиях иона , где — массы иона и электрона соответственно. Е — кинетическая энергия электрона. Таким образом, чтобы иметь равенство скоростей, требуются протоны с энергией 1836 Е, что соответствует мегаэлектронвольтному диапазону энергий протонов при килоэлектронвольтных энергиях Е электронов.

Зависимость сечения ионизации -оболочки протонами от энергии показана на рис. 10.11 в логарифмическом масштабе. По оси абсцисс отложено

Рис. 10.11. Масштабированная зависимость сечения ионизации -оболочки при соударении с протоном. — отношение энергии налетающей частицы к энергии связи -оболочки. — отношение массы налетающей частицы к массе протона. Сплошной линией приведен расчет методом бинарных столкновений.

Рис. 10.12. Зависимость сечения возбуждения рентгеновского излучения от энергии Е протонов [3].

отношение энергии иона к энергии связи -оболочки По оси ординат отложена величина представляющая собой произведение квадрата энергии связи -оболочки и приведенного сечения ионизации масштабирование позволяет построить универсальную зависимость для сечения ионизации. На рис. 10.11 отношение представляет собой масштабирование для тяжелых частиц. Для протонов для ионов гелия и т. д. Зависимость сечения возбуждения рентгеновского излучения от энергии протонов в явном виде показана на рис. 10.12. Сечение возбуждения рентгеновского излучения связано с сечением ионизации а (рис. 10.11) соотношением где — выход флюоресценции. Выход флюоресценции представляет собой вероятность радиационных переходов по отношению ко всем возможным переходам (излучательным и неизлучательным). Максимальная величина сечения убывает с ростом атомного номера или энергии связи. Далее, сечение ионизации для более тяжелых элементов достигает максимума при более высоких энергиях, что отвечает принципу согласования скоростей, подобного тому, который имеет место для электронов, где максимум наблюдается при энергиях, в три-четыре раза превышающих энергию связи .

Рентгеновское излучение, возбуждаемое частицами (PIXE) (от англ. Particle Induced X-ray Emission), использовалось для решения ряда задач при анализе материалов с использованием ускорителей мегаэлектронвольтных энергий. Главным преимуществом этого метода по сравнению с электронным является уменьшение фона, которое приводит к повышению чувствительности при исследовании ничтожно малых концентраций элементов. Фон в рентгеновском спектре при электронном микроанализе возникает за счет тормозного излучения электронов (см. разд. 6.11). Тормозное излучение имеет непрерывное спектральное распределение, связанное с замедлением электрона по мере продвижения в твердом теле. Квантовое

рассмотрение процесса тормозного излучения показывает, что вероятность испускания фотона быстро уменьшается с возрастанием массы налетающей заряженной частицы. Таким образом, протоны и электроны, обладающие одной и той же скоростью, имеют приблизительно одну и ту же вероятность возбуждения характеристического рентгеновского излучения, но огромное различие в величине фона, обусловленного тормозным излучением. Метод возбуждения рентгеновского излучения частицами можно сочетать с формированием микрометровых пучков (порядка 10 мкм) для получения высокоточных карт горизонтального расположения ничтожно малых концентраций элементов. Такие пучки могут быть использованы для исследования на воздухе биологических и деградирующих в вакууме образцов [3].