Реакции с участием ускоренных заряженных частиц

Альфа частицы – единственные тяжелые частицы с низким Z легко получаемые от радиоизотопов в результате реакций с участием протонов, дейтронов и т.д., которые ускоряются искусственным путем. Две наиболее распространенные реакции такого типа для генерирования нейтронов:

D-D реакция Q=+3.26 МэВ

D-T реакция Q=+17.6 МэВ

Так как кулоновский барьер между налетающим ядром дейтрона и легкими ядрами мишени относительно мал, дейтроны не обязательно ускорять до очень больших энергий, чтобы получить значительный выход нейтронов. Эти реакции широко используют в «нейтронных генераторах», в которых ионы дейтерия ускоряются разностью потенциалов 100-300 КэВ. Так как энергия падающей частицы мала по сравнению с энергетическим выходом обеих реакций, то все образованные нейтроны обладают примерно той же энергией (около 3 МэВ для D-D реакции и 14 МэВ для D-T реакции). Пучок дейтронов в 1 мА образует примерно 10⁹ нейтронов в секунду, если используется толстая дейтериевая мишень, и около 10¹¹ нейтронов в секунду, если тритиевая мишень. Несколько меньший выход нейтронов можно получить от компактных нейтронных генераторов, состоящих из запаянной трубы, содержащей ионный источник и мишень, и портативного высоковольтного генератора.

Ряд других реакций с участием заряженных частиц, которые имеют отрицательный энергетический выход, или в которых материал мишени обладает более высоким атомным номером, также используются в качестве нейтронных генераторов. Наиболее распространенными являются ⁹Ве (d; n), ⁷Li (p; n) и ³H (p; n). В этих случаях требуется большая энергия частицы, поэтому для генерирования падающего пучка частиц необходимы соответствующие ускоряющие приспособления, такие как циклотроны или ускорители Ван де Графа.

Задачи

1.1 Существует две основные категории энергетических спектров: одни состоят из одной или более дискретных энергий (линейчатые спектры), а другие представляют собой расширенное распределение энергий (непрерывный спектр). Для каждого из представленных источников излучения определите вид спектра:

а. Альфа частицы

б. Бета частицы

в. Гамма излучение

г. Характеристическое рентгеновское излучение

д. Конверсионные электроны

е. Оже-электроны

ж. Осколки деления

з. Тормозное излучение

и. Аннигиляционное излучение

Что имеет большую энергию: конверсионный электрон с L-оболочки или конверсионный электрон с М-оболочки, если оба процесса происходят при одинаковом возбуждении ядра?

[1] Следует понять что (1.1) представляет только долю распада, и общее значение dN/dt может измениться благодаря другим механизмам, связанным с образованием или полным распадом ядер. Например, изотоп может образоваться как дочерний продукт распада исходного элемента, причем этот исходный элемент также представлен в образце. Время рождения дочернего ядра пропорционально произведению скорости распада на долю тех распадов, которые приводят к его образованию. Если период полураспада исходного ядра очень велик, число дочерних ядер возрастает до тех пор, пока их активность не достигнет равновесного значения (по прошествии многих периодов полураспада дочернего ядра). Это произойдет когда число образовавшихся ядер будет равно числу распавшихся, и dN/dt=0 для ряда дочерних ядер.

[2] Редкое исключение может возникнуть, если излученные ядра имеют большую скорость. Разброс по энергии, который объясняется эффектом Доплера, может быть значительным в детекторах с превосходным энергетическим разрешением. Пример будет приведен в этой главе позже, в нем гамма излучение исходит от ядер, которые движутся даже после того как приняли участие в реакции.

[3] Этот шаг осуществим как напрямую, так и через промежуточные стадии, на которых позитрон и электрон формируют квазиустойчивую комбинацию, известную как позитроний, она может появляться на несколько наносекунд.

[4] Электронный захват может приводить к такому непрерывному электромагнитному излучению, которое известно как внутреннее тормозное излучение. В процессе распада, орбитальный электрон захватывается ядром, и поэтому он должен подвергаться некоторому ускорению. Из классической теории, ускоренно двигающийся заряд должен генерировать электромагнитное излучение. Т.к. ускорение может варьироваться в широком диапазоне в зависимости от особенностей процесса захвата, то спектр результирующего излучения непрерывный, вплоть до максимальной энергии, которую могут иметь фотоны, она определяется Q-значением процесса электронного захвата (максимально возможная энергия при ядерных переходах). Поэтому внутреннее тормозное излучение добавляет в общий спектр ожидаемых видов излучения спектр электромагнитного излучения, образованного в результате электронного захвата, хотя во многих случаях интенсивность этого электромагнитного излучения ничтожно мала.

[5] Особый бета распад с самым длительным периодом полураспада приводит к образованию возбужденного состояния. Релаксация реализуется с излучением нейтрона

Т.к период полураспада ⁸⁷Br только 55 с, то он не используется как лабораторный источник нейтронов.