Энергетическая зависимость средней энергии образования пары ионов в водороде. Г.А.Королёв 5 июня 2012 г.

План доклада. 1.Введение: определение терминa «средней энергии, затраченной на образование одной пары ионов» - величины W. 2.Существующие данные об энергетической зависимости величин W. 3.Использование ионизационного детектора ядер отдачи ИКАР для измерения величины W. 4.Результаты измерения с помощью ионизационной камеры величины W для альфа-частиц в газах (водород, дейтерий, He+H 2, Ar+CH 4 ). 5. Результаты измерения W для протонов отдачи в водороде (эксперимент в Серпухове на пучке π-мезонов с энергией 40 ГэВ). 6.Обсуждение полученных результатов.

Средняя энергия W, идущая на образование одной пары ионов W = E/N, Е – энергия ионизующей частицы N – полное число пар ионов Дифференциальное значение средней энергии W = dЕ/dN Энергетическая зависимость W : - ионизационные детекторы, - дозиметрия, - радиационная терапия, - астрофизика, планетология Обзор работ по W : 1. International Commission on Radiation Units and Measurements ICRU Report 31 (1979, 1993) 2. International Atomic Energy Agency IAEA-TECDOC-799 (1995) При высоких энергиях W постоянно, При низких энергиях W быстро растет. Данные разных авторов сильно различаются. Электроны в азоте 20%

Экспериментальные значения W в газах Альфа-частицы в метане Протоны в Ar Альфа-частицы в Ar Ионы малых энергий в метане

Ионизационный детектор ядер отдачи ИКАР Ионизационная камера ИКАР – классический образец активной мишени. Пучки: протоны, нейтроны, пи-мезоны, ионы Не,Li,Be,В,С Наполнение: H 2, CH 4, D 2, He + H 2. Всегда измеряется сечение dσ/dt. Шкала по –t измеряется 1) -t = 2mT R, m – масса ядра отдачи, T R – энергия ядра отдачи. 2) -t = p 2 θ 2, p - импульс налетающей частицы θ –угол рассеяния налетающей частицы T R определяется по ионизации в ионизационной камере, что требует энергетической калибровки. Упругое рассеяние пи- мезонов в Серпухове

Калибровка по энергии сигналов c ионизационной камеры Калибровка: 1) по альфа-линии 2) по углу рассеяния налетающей частицы T R = p 2 θ 2 / 2m. Связь амплитуды V R и энергии ядра отдачи T R : T R = k V R + T 0, где T 0 и k – параметры, зависящие от газа, давления и электрического поля. T 0 = 400 кэВ в СН 4 Если использовать обе калибровки, то где β = V R / V α при T R = E α Cледствия: 1) можно найти W = f ( E ) 2) для Н 2 было получено ( ЦЕРН, Серпухов, Гатчина ) Т 0 < 0 и β < 1 Эксперимент в Гатчине с набором α-источников (1980). Наполнение Н 2, D 2, He+10.9%H 2, Ar+4.6%СH 4 при разных давлениях и напряжениях. Результат: в водороде и дейтерии также получено значение Т 0 < 0. (Препринт ЛИЯФ-549) рр-рассеяние 991 МэВ 14.5 ат CH 4

Рекомбинация в газе ионизационной камеры На точность измерения амплитуды сигнала (заряда) могут повлиять: 1) рекомбинация 2) прилипание (примеси О 2, Н 2 О) 3)неэкранировка сетки При рабочих условиях ( 10 ат. Н 2, 15 кВ) f α = Можно полагать, что для протонов f p 1.0 Рекомбинация в CH 4 f α = 0.75 в Не f α = Сигнал от альфа-источника 241 Am, расположенного на сетке СН 4 V/V MAX

Эффективность сбора заряда на аноде в зависимости от места его возникновения в области катод - сетка - total efficiency of charge collection Неэкранировка V = V MAX (1 – δ Z/d) Прилипание V = V MAX (1 – η + η Z/d) Общее V = V MAX [1 – η – (δ – η) Z/d] Z – расстояние от катода до ц.т. трека η – доля потерянных электронов δ – неэффективность экранировки (~ 0.018) α-источники нанесены на катод и на сетку

Эксперимент с α-источниками Для нормировки использованы данные: Н 2 – ICRU Report (1979) Ar + CH 4 – H.Tawara et al. (1987) He + H 2 – T.Bortner and G.Hurst (1954) точность репера 1.7%, 0.75%, 0.75% изотоп ЭНЕРГИЯ. кэВ Ar + CH 4 H2H2 He + H 2 D2D2 213 Po (25) At (16) Fr (13) Ac (14) Am (12) U (14) Po репер (7) P = 7 at.

Выбор значения W для нормировки энергетической зависимости, полученной для смеси гелия и водорода. T.Bortner and G.Hurst, Phys.Rev.93, 1236 (1954).Точность абсолютных измерений 0.75%.

Результаты измерений W для альфа-частиц H2H2 He+18%H 2 Ar+CH % 1 %

Эксперимент в Серпухове: πНе - рассеяние pθ* = 2mE α σ θ = 0.17mrad 1%

Эксперимент в Серпухове: πp - рассеяние Для протонов в водороде калибровка T R = kV R + T 0 или, T R = V R (E α – T 0 ) / βV α + T 0 при T R * = E α β = V R * / V α β = ± T 0 = - (62.1± 6.6) кэВ Нормировка W p протонов в водороде по W α = эВ для альфа-частиц 234 U (E α = МэВ) При условии T R * = E α V R * / V α, = f p W α / f α W p W p = f p W α / f α β W p = 1.02 W α 1% 3 %

Результаты измерений W для протонов в водороде Рост W в интервале (1 – 5) МэВ составляет 5%, максимальный рост – 17.5%. Точность измерений немецкой работы – 1%, данной работы – 2%. Известно ли подобное поведение W в других газах? Существует ли теоретическое объяснение эффекта?

Энергетическая зависимость W для протонов Экспериментально положение минимума W для протонов в области кэВ обнаружено в CO 2, N 2 и в воздухе. TE gas: 64.4% CH % CO % N 2. Объяснение минимума – вклад электронов от зарядово-обменных процессов. A + + B A + B + A + B A + + B + e

Расчет величины W для протонов в азоте и водороде Аналитическая модель B.Grosswendt and W.Baek (1998). Для расчета задаются тормозная способность, сечение ионизации (включая перезарядку), вклад вторичных электронов. Не учтен вклад вторичных тяжелых частиц и возбужденных молекул. Н* + Н 2 Н е H2H2 (1 – 3) аналитическая модель ( 4 ) расчет по Монте-Карло без учета перезарядки без учета вклада вторичных электронов аналитическая модель N2N2

Величина W для протонов в воздухе и воде Расчет B.Grosswendt and W.Baek (2007). Величина W для паров воды на ~ 4 эВ больше Аir H2OH2O

W для α-частиц в газах ---- W = эВ в интервале 0.4 ÷ 5.37 МэВ M.Varma and J.Baum (1978) Расчеты W.Baek and B.Grosswendt (1995) для Ar и N 2. Плоский минимум в районе 300 кэВ 10%

Фактор Фано F и величина W Дисперсия σ N ² = FN, где F – фактор Fano. σ E ² = FNW² = FEW. Соотношение I.Bronič (1992): F = a (W / I) + b, где I – потенциал ионизации, а = 0.188, b = – 0.15 Для смеси газов (Penning mixtures) уменьшение W – эффект W.Jesse, уменьшение F – объяснение впервые дано в работе А.А.Воробьёв, А.П.Комар, В.А.Королёв, ДАН 137,54 (1961), затем G.D.Alkhazov, A.P.Komar, A.A.Vorobyov, Nucl.Instr.Meth.48,1 (1967)

Результаты работы 1) Измерена энергетическая зависимость величины W для протонов в водороде, которая хорошо согласуется с имеющимися данными при низких энергиях. Получен аномальный рост W в диапазоне 1 ÷ 3 МэВ. Существующая теория плохо описывает полученные экспериментальные данные. 2) С высокой точностью измерена энергетическая зависимость величины W для альфа-частиц в смеси аргона с метаном. Результаты согласуются с данными работ других авторов. Проведенные измерения для смесей гелия и водорода соответствуют общей тенденции уменьшения W c ростом энергии. Однако, в водороде величина W слабо возрастает в диапазоне от 4.8 до 8.4 МэВ. 3) Полученные экспериментальные данные для водорода могут способствовать дальнейшему развитию теории.