Теория Треков и Радиационные Эффекты. Дитлов В.А. Институт Теоретической и Экспериментальной Физики Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 20091
«No»«Yes» Д Сердцевина трека, электромагнитное взаимодействие ядро-ядро Z Ствол трека, cut Крона трека, cut < < max Переход регистрирующего элемента из состояния «Нет» в состояние «Да» является локальным откликом в точке нахождения этого регистрирующего элемента. Протяженную область радиационных повреждений, образующуюся при прохождении быстрого иона, можно рассматривать как дискретное множество локальных откликов.. Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 20092
Латентный трек ядра в твердотельном детекторе Z Проявленный трек в ядерной фотоэмульсии Z Выявление трека избирательным травлением 3Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Теория формирования треков с учетом многократного рассеяния -электронов. Рассматривая цепочку случайных событий в рамках многоударной модели получены общие аналитические выражения для вероятности появления локального отклика чувствительного микрообъема произвольной формы с учетом функции теории многократного рассеяния электронов (Spencer, 1955). Количество ударов l может быть произведено одним или несколькими электронами. Основные регистрационные параметры теории: 4Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
1. Сердцевина трека в детекторе может быть новой фазой вещества (Furuno, 1996; Didyk at al., 2005) но вокруг него латентный трек содержит пространственные распределения локального отклика в виде порванных межмолекулярных связей в результате действия потока -электронов, островки новой фазы или точечные дефекты (Komarov F.F.,1992). Многообразие механизмов появления локальных откликов 2. Тепловой клин (Fleisher et al, 1975; Komarov F. et Komarov A.,2003); 3. Ударные волны (Turovsky, Enge, 2001); 4. Кулоновский взрыв (Fleisher et al, 1975); 5. Возникновение аморфных областей в кристаллах и кристаллических микроструктур в аморфных материалах (Furuno, 1996); 6. Ряд других видов фазовых переходов, например (Galashin, 1967); 7. Образование длинных и узких зон разупорядочения материала вдоль трека (Komarov, 1997); 8. Выброс материала вещества материала с оси трека может привести к образованию полых полостей вдоль оси и точечные дефекты вокруг них (Furuno, 1996); 9. Большие (Hnatowicz, 2003) или малые (Mishra, 2005) молекулярные изменения в некоторых ограниченных областях сплошных детекторов; 10. Иногда может возникать конкуренция между различными механизмами, например, разрыв или сшивка межмолекулярных связей, но иногда они могут оказать совместное действие при формировании локального отклика. В этом случае необходимо развивать специальные комбинированные модели (Chadderton, 2003; Belyi et Komarov, 1998). 11. Возможно существование многих других вариантов механизма образования локальных откликов, например, таких как акустические эффекты (Beron and Hofstadier, 1969) и т.д. Нельзя построить теорию треков описывающую сразу все возможные механизмы появления локального отклика. Теория трековых детекторов и не предназначена для этого, но сформированные тем или иным механизмом появления локального отклика регистрационные параметры служат мостиком между ними и теорией детектирования! Если детектор не обладает своей дискретной микроструктурой, подобно фотоэмульсиям или биотканям, и является сплошным, то размер чувствительного микрообъема a 0 также определяется физикой локального отклика. Дискретность локального отклика в этом случае определяется дискретностью актов взаимодействия движущихся частиц с атомами материала. Все многообразие механизмов появления локальных откликов сводится к формированию регистрационных параметров теории треков ( a 0, (dE/ds) 0, cut ) - пороговое количество ударов; a 0 - радиус чувствительного микрообъема; (dE/ds) 0 - характеристические удельные потери иона; cut - энергия обрезания спектра дельта-электронов. 5Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Нельзя построить теорию треков описывающую сразу все возможные механизмы появления локального отклика, но, оказывается, можно найти минимальные пространственно-временные интервалы, внутри которых зарождаются любые радиационные эффекты, соответствующие данной тормозной силе (dE/ds) рассматриваемого материала, возникающей при пролете через него данного ядра или частицы! Для оценки минимальных пространственно-временнных интервалов можно использовать соотношения неопределенностей Гейзенберга, из которых легко выводятся соотношения для искомых интервалов: Протон β=0.5 Фотоэмульсия тип-Р2 Полимерный детектор CR-39 Δx min нм Δt min с 5.66 · · ΔE min эВ Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Во всех теоретических работах, посвященных перечисленным выше механизмам радиационных эффектов, не учитывается флуктуация взаимодействия радиации с веществом. Только в одной работе (Белый и Комаров 1986) делалась попытка описать ее с помощью учета колебаний эффективного заряда движущегося на единицу относительно равновесной величины. С этой целью использовалось сечение перезарядки, полученное Николаевым (1957): Здесь r B - радиус Бора, Z i - заряд движущегося иона, Z r - средний атомный номер мишени,. 7Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Рис.1. Зависимость минимальных пространственных и временных интервалов первичных взаимодействий протона от его скорости в фотоэмульсии тип-Р2 и пластике СR-39. Чем меньше ( dE/ds) 0, тем больше (dE/ds)/(dE/ds) 0 и выше чувствительность детектора, а следовательно и P( ). Может показаться, что если найти способ уменьшения (dE/ds) 0, то неограниченно поднимать чувствительность. Однако из существования x min следует существование максимальной частоты актов взаимодействия. Например, на 100 мкм она будет равна 100/ x min. Таким образом, существует ограничение на чувствительность сверху:. 8Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Рис. 2. Шесть видов частот для протона, движущегося через ядерную фотоэмульсию тип-Р2. 9Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Рис.3. Представление минимальных продольных и максимальных радиальных пространственных интервалов первичных взаимодействий быстрых ядер углерода и протона с материалом детектора CR-39 в виде минимакс-эллипсов как функции скорости ионов. 10Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Выводы: 1. Латентный трек в любом ядерном твердотельном детекторе состоит из протяженного множества локальных откликов. 2. В формировании локальных откликов могут участвовать различные конкурирующие или сотрудничающие различные радиационные эффекты. 3. Все многообразие механизмов появления локальных откликов сводится к формированию регистрационных параметров теории треков (, a 0, (dE/ds) 0, cut ) 4. Если детектор не обладает своей дискретной микроструктурой, подобно фотоэмульсиям или биотканям, и является сплошным, то дискретность локального отклика в этом случае определяется дискретностью актов взаимодействия движущихся частиц с атомами материала. Размер чувствительного микрообъема a 0 определяется их физической природой и процессами, формирующими локальный отклик. 5. Существуют минимальные интервалы в пространстве x min и времени t min, внутри которых зарождаются любые радиационные эффекты. Величины этих интервалов для радиационных эффектов, вызываемых прохождением заряженных частиц или ионов через вещество, можно найти и из соотношений неопределенности Гейзенберга. Именно интервалы x min определяют минимально возможные размеры локального отклика. 6. Для быстрых оценок предельно минимальные пространственно-временные интервалы могут быть переписаны следующим образом: 11 Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Спасибо за внимание ! Литература Belyi V. A., Komarov F. F Fluctuation mechanism for formation of discontinuous tracks by fast ions in crystals. Zh. Tekh. Fiz. 68, 42–45 (September) Beron B.L., Hofstadier R Discovery of acoustic effect with electron beam; IEEE Trans. Nucl. Sci., v.23, N4, p. 638 Blau M., Altenburger K., Uber einige Wirkungen von Strahlen II. Z. Physik, 12, p. 315 Bogomolov K.S., 1958 La theorie fluctuatoire de laction photographique des particules nucleares faiblement ionisantes. – In: Ergebnisse der Int. Konferenz f. Wiss. Photographe. Hellwich Koln, Bogomolov K.S., Photographic action of ionizing particles. Doctor thesis of physical and mathematics sciences. Moscow, p Chadderton L.T., Nuclear tracks in solids: registration physic and compound spike. Rad. Meas. 36, Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Didyk Yu, Adrzei Hofman, Valeriy V.Savin, et al. The behavior of amorphous alloys under swift heavy ion irradiation at room temperature, Nukleonika 2005, 50(4), Ditlov V.A., Theory of Spatial Calculation of Primary Action of electrons in track Detectors with account of multiple scattering. In Solid State Nucl. Track Detectors. (Eds H.Francois et al.) Pergamon Press. Oxford Ditlov V.A., Calculated Tracks in Plastics and Crystals. Radiation Measurements, 25, (1-4), Ditlov V.A., The evolution of track theory throughout the history of the international solid state detector conferences. Radiation Measurements. 34, Enge W., On the question of nuclear track formation in plastic material Radiation Meas. Vol.25, Nos. 1-4, Fleisher R.L, Price P.B., Walker R.M., Nuclear Tracks in Solids. Berkeley, Calif., University of California Press, 626 pp. Furuno S. et al., Tracks of high energy heavy ions in solids. Nucl. Instr. and. Meth. In Phys.Res., B 107, Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Galashin E.A., Tschibissov K.W., Zur Thermodynamischen Theorie des Photographishen Prozesses. Proceeding of International Congress of Photographie Science. Section1, Tokyo, 1-6. Hnatowicz V., Role of scission and cross-linking in latent track formation in polymers Nucl. Instr. and Meth. B 209, Katz R., Unified track theory. – In: 7th Intern. Colloq. On corpuscular Photography and visual solid detectors. Barcelona, Kapulsevich U.G., Choice of mathematical model of post-radiation reparation of yeast cells. Radiobiology, USSR, v.7, Komarov F.F., Track formation in crystals by high-energy ion beams. Soros Education Journal, n6, 1-4, Komarov F.F., Komarov A.A., Model of thermal picks in application to an appearance of track formation in A3B5 semiconductors under high-energy ionic implantation. Issue 8, Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009
Komarov F.F Damage and track formation in solids irradiated by super-high energy ions, Uspechi Phys. Nauk, tom 173, n Николаев В.С. Журнал эксп. и теор. физики, 1957, 33, 53, ЖЭТФ, 6, стр Mishra R et all., A study of the Activation energy of Thermal decomposition of Irradiated polymers. Rad. Meas., Vol.40, No.2-6, Spencer L.V., Theory of electron penetration. – Phys. Rev., v. 98, 6, Turovsky T., Enge W., Ionizing particles may create shockwaves Rad.Meas., v.34, Дитлов В.А. Сессия ЯФ АН, ИТЭФ, 2009