Детектори іонізуючих випромінювань, дозиметричні і радіометричні прилади

Сонячний вітер складається головним чином з електронів і протонів. Приблизно 5% сонячного вітру складають альфа-частинки. Коли швидкість частинок і їх концентрація максимальні, альфа-частинки складають біля 25% всіх частинок. Характеристики сонячного вітру можуть змінюватись в 10 – 100 разів в залежності від процесів, що відбуваються на Сонці.

 

 

Процес поглинання енергії космічних частинок відбувається у два етапи: енергія первинних частинок спочатку затрачається на створення великої кількості вторинних частинок, а потім кінетична енергія останніх затрачається на іонізацію частинок атмосфери.

Вторинне космічне випромінювання складається з андронів  (піонів, протонів, нейтронів), м’юонів, електронів і фотонів. У відповідності до цього розрізняють ядерно-активну (андронну), жорстку (мюонну) і м’яку (електронно-фотонну) компоненти.

Андрони – відносно тяжкі елементарні частинки: нуклони і π-мезони (піони). Розрізняють 3 види π-мезонів: π+-мезон (має електричний заряд +е) π –-мезон (має заояд –е) π0-мезон (не має електричного заряду). π-мезони мають масу, проміжну між масами електронів і нуклонів –  ,  . Піони- нестабільні частинки. Час життя  ,  .

Розпад більшості заряджених піонів відбувається за схемою

 ,                                         (7.6.)

де  -позитивний або негативний  -мезон (мюон) і  ,  -мюонні нейтріно або антинейтріно. Дуже мала кількість заряджених піонів ( 2,5 на мільйон) розпадаються за схемою (3). Нейтральні π0-мезони розпадаються з утворенням гама-фотонів

 .                                                       (7.7.)

Піони взаємодіють з нуклонами і ядрами, ця взаємодія є сильною взаємодією (для заряджених піонів характерна також електромагнітна і слабка взаємодії).

Мюони – елементарні частинки:  -мезон має заряд  ,  -мезон –  ,  . Мюони – нестабільні частинки, їх час життя  . Вони розпадаються за схемою

 ,  .        (7.8.)

Таким чином, при розпаді мюонів утворюються електрони, позитрони і 2 види нейтріно (антинейтріно)-електронні  ,   і мюонні  ,  .

Для мюонів характерні електромагнітна і слабка взаємодія (зв’язана з розпадними процесами). Тому при русі в речовині мюони можуть викликати іонізацію.

Розглянемо, як відбувається генерація різних компонент космічного випромінювання. При проходженні високоенергетичних андронів через товсті шари речовини головну роль відіграють зіткнення з атомними ядрами, при яких виникають сили сильної взаємодії. При таких зіткненнях народжуються нові елементарні частинки. У відповідності з цим головною з точки зору генерації вторинного космічного випромінювання є ядерно-активна компонента.

Зіткнення первинного ( ) протона з атомним ядром характеризується наступними особливостями.

1. Протон при зіткненні втрачає приблизно половину своєї енергії.

2. Основна частина втраченої енергії іде на багатократне народження релятивістських частинок.

3. Не втрачена на народження вторинних частинок енергія первинного протона затрачається на вибивання дельта-нуклонів і збудження кінцевого ядра.

Дельта-нуклонами називають нуклони з енергією  , які вилітають з ядра при зіткненні. При розпаді кінцевого ядра випускаються протони, нейтрони і альфа-частинки.

4. Довжина вільного пробігу високоенергетичного протона або піона в атмосфері дорівнює   (повна товщина атмосфери  ).

При русі первинного протона високої енергії утворюється багато ядерно-активних і інших частинок. Ці частинки називаються зливними частинками, бо 

один первинний протон може викликати цілу зливу вторинних частинок. Як вже було сказано раніше, такими ядерно-активними частинками є піони, хоч в 15 – 20% випадків зустрічаються і інші ядерно-активні частинки – каони. Про кількість зливних частинок можна судити по тому, що первинний протон з енергією   породжує в одному зіткненні в середньому 10 ядерно-активних частинок.

Характер взаємодії первинної частинки з атомами повітря буде суттєво залежати від 

енергії цієї частинки. При енергіях порідку   виникнення зливи частинок можна представити у вигляді рис.2. Піони, які при цьому виникають, мають порівняно малі енергії і швидкості, тому вони не встигають народити нові зливи, а розпадаються з утворенням мюонів. Злива частинок народжується по ходу основної частинки і складається, в основному, з мюонів.

Суттєво інший характер має взаємодія при енергіях первинної частинки  . Піони, які народжуються при зіткненні первинної частинки з ядрами, можуть мати настільки велику енергію ( ) і швидкість, що за час життя пройдуть шлях  , рівний довжині вільного пробігу в 

атмосфері і вони будуть поряд з первинними протонами приймати участь в розмноженні андронів (піонів) – рис.3.

Первинний протон, проходячи через атмосферу, може зтикатись з ядрами більше десятка разів і кожне зіткнення буде супроводжуватись народженням піонів, аж поки енергія протона стане недостатньою для протікання даного процесу ( ). 

Залишкова енергія протона може бути затрачена, як випливає з попереднього, на вибивання з ядер дельта-нуклонів. Дельта-протони і інші малоенергетичні заряджені частинки внаслідок іонізаційних втрат швидко сповільнюються і поглинаються. Дельта-нейтрони аж до самих низьких енергій приймають участь в дальшому розмноженні ядерно-активних частинок.

Рисунки 2 і 3 відображають не всі процеси,