8. ПЛАСТМАССЫ И МЕТЕОРИТЫ

8.1. РАДИАЦИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ В ПЛАСТМАССАХ

Есть еще один способ, который позволяет космическим лучам, дать знать о своем существовании. Это производимые ими радиационные повреждения Если частица обладает достаточной ионизующей способностью, она оставляет непрерывный след радиационных повреждений. Широкий класс непроводящих твердых материалов может быть подвержен такому воздействию. Важная особенность состоит в том, что только выше определенной скорости ионизации, пороговой или критической скорости ионизации, производимые повреждения являются постоянными. Метод основан на том, что поврежденные материалы имеют более высокую химическую активность, и поэтому можно восстановить траекторию частицы путем травления, не растворяя весь материал полностью. Для хорошего детектора нужен материал, который бы повреждался налетающей частицей как можно сильнее. Практика показывает, что высшие полимеры лучше всего подходят для этой цели, и эмпирическая основа, подведенная под этот опыт, указывает, что высшие полимеры, являющиеся сложными молекулами, разрушаются и распадаются, образуя отдельные атомы, отдельные звенья молекулярных цепочек, свободные радикалы и др. Более детальное изложение этой темы и практические приложения даны в обзорах [1, 2].

Теории образования трека не существует, но повреждения можно смоделировать следующим образом. Ищется параметр, который измеряет плотность повреждений, как функцию заряда и скорости падающей частицы. Эмпирически установлено, что плотность радиационных повреждений удовлетворительно дается формулой, похожей на выражение для ионизационных потерь с соответствующими поправками при высоких энергиях. Обычно применяется выражение

Хотя можно использовать эту формулу эмпирически, не будем останавливаться на интерпретации ее членов. Константы подбираются к экспериментальным результатам и имеют очень малое отношение к величинам, употребляемым в классической теории ионизационных потерь. Это соотношение позволяет описывать чувствительность различных материалов к радиационным повреждениям (рис. 8.1).

На диаграмме приведены кривые для разнообразных материалов: минералы, обнаруженные в метеоритах, слюда, поликарбонат лексана, нитрат диацеллюлозы, которая является пока самым чувствительным веществом

Рис. 8.1. Плотность радиационных повреждений (или скорость ионизации как функция скорости для различных бомбардирующих ядер. Приблизительные пороги для треков, регистрируемых в различных твердых материалах, указаны пунктирными линиями [1].

из используемых. Все зависит от того, удастся ли сделать материал однородным, а это сейчас осуществимо даже для нитрата диацеллюлозы. На сегодняшний день чаще всего используется лексан. Ясно, что выбор материалов ограничен диапазоном химических элементов и энергий, которые могут регистрироваться. Лексан списобен детектировать лишь релятивистские ядра тяжелее йода, однако только ядра железа, имеющие скорости меньше чем 0,5 с, оставляют постоянные треки.

Как же эти материалы использовать в качестве детекторов? Метод заключается в измерении скорости травления как функции плотности радиационных повреждений. Найдено однозначное соотношение между скоростью травления и плотностью радиационных повреждений. Например, для поликарбоната лексана Поэтому, измеряя скорость травления, как функцию координаты вдоль трека, можно непосредственно измерять плотность радиационных повреждений и отсюда найти атомный номер частицы. На рис. 8.2 показано, как это осуществляется на практике. Несколько очень тонких слоев лексана собрано в стопку, и когда ионизующая частица попадает в эту стопку, она до тех пор не оставляет постоянного трека повреждений, пока не затормозится до критической скорости ионизации для данного материала. С этого момента она оставляет непрерывный след до полной остановки. Зависимость плотности повреждений

Рис. 8.2. Отождествление частиц по измерениям интенсивности травления в твердотельных трековых детекторах. Скорость ионизации для различных остаточных пробегов можно определить по измерениям либо (а) длины конуса травления либо (б) угла в, ли о диаметра от глубины проникновения частицы в вещество показана на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Плотность радиационных повреждений как функция остаточного пробега.

Затем слои разделяются и поверхность протравливается. Поскольку скорость травления растет вдоль трека, то образуется конус травления (рис. 8.2, б). При одной и той же продолжительности травления глубина травления вдоль трека есть которая и служит мерой средней скорости травления вдоль этого участка трека. Как отмечалось выше, она связана со средней скоростью радиационных повреждений в данной точке трека.

Как и для ядерных эмульсий, лучший способ представления результатов — построение зависимости скорости травления от остаточного пробега, т. е. от того, какой путь должна пройти частица до полной

(кликните для просмотра скана)

Рис. 8.5. Исследование с высоким разрешением сверхтяжелых ядер методом радиационных повреждений в пластмассах. Данные по усреднены по измерениям многих треков, полученных путем облучения в ускорителе. В данных по представлен разброс в процессе измерений примерно 50 остановившихся ядер. Точки для шести сверхтяжелых ядер дают значения интенсивности травления во многих точках вдоль траекторий этих ядер, регистрируемых в большой стопке лексана.

остановки. Как и в случае ионизационных потерь, пробег является функцией массы частицы, а значит, можно различать изотопы одного и того же элемента. На рис. 8.4,а показаны результаты лабораторных исследований на нитрате диацеллюлозы. Удается различать изотопы и что является значительным достижением. На рис. показаны возможности этого метода применительно к изотопам Такая чувствительность пока еще не достигнута в баллонных экспериментах, но есть надежда, что вскоре удастся изготовить большие и однородные листы нитрата диацеллюлозы.

На рис. 8.5 приведены результаты экспериментов на баллоне в 1969 г., на который были помещены толстые стопки пластмасс, эмульсий и т. п. Полет проходил на большой высоте в течение и в четверти стопки были обнаружены семь ядер с зарядом выше, чем железа. На рис. 8.5 показано шесть из них. Тот факт, что эти тяжелые ядра выдержали путешествие через космическое пространство, свидетельствует о времени,

Рис. 8.6. Зависимость максимального значения полной протравленной длины от заряда космических лучей для треков в пироксене; где критическая энергия ионизации [1].

которое им понадобилось, чтобы добраться сюда. Такая тяжелая частица, как ядро урана, была обнаружена очень надежно. Конечно, получено много другой информации об элементах с меньшими зарядами, но сверхтяжелые ядра представляют наибольший интерес.

Этот метод обеспечил наиболее надежной информацией о космических лучах с большими атомными номерами. Аналогичные результаты получены с помощью эмульсий и детекторов частиц, чувствительных частицам с зарядом, равным заряду железа и выше (например, на спутнике «Ари-эль-6»).

На космических кораблях серии «Аполлон» (вплоть до «Аполлона-15») пластиковые пленки использовались достаточно часто, они также были успешно экспонированы на поверхности Луны. Пленки из нитрата диацеллюлозы использовались только в более поздних полетах. Когда члены экипажа «Аполлона-12» доставили на Землю камеру с «Сервейора», который совершил посадку на Луну двумя годами раньше, на фильтрах камеры имелись треки, которые можно было изучать методом травления.

Другим полезным параметром является полная протравленная длина трека космической частицы. Поскольку повреждения возникают только при скорости ниже определенной, остаточная длина трека является однозначной функцией заряда частицы для данного вещества (за исключением небольших изменений, обусловленных различными изотопами). Значит, полная длина трека позволяет оценить заряд частицы космических лучей (рис. 8.6). Обратите внимание на удивительную изобретательность тех, кто придумал этот метод.