WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 2 03;04;09 Обратное рассеяние электромагнитной волны на облаке радиоактивных элементов в воздухе, испускающих альфа-частицы © В.А. Полянский Военно-морской институт радиоэлектроники, 198903 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 19 августа 1998 г.) Предложена трековая модель рассеяния электромагнитной волны на облаке радиоактивных элементов в воздухе. Получены соотношения, позволяющие оценить эффективную площадь рассеяния облака радиоактивных элементов, испускающих альфа-частицы, как функцию активности облака и длины электромагнитной волны. Приведено значение оценки активности облака, которое может быть обнаружено типовым радиолокатором.

Введение и ионов). Если энергия, которую при своем движении альфа-частица передает электронам, достаточно больВыброс облака радиоактивных элементов в воздух шая, то такие электроны (называемые -электронами) в сопровождается их радиоактивным распадом, что в свою свою очередь также ионизируют и возбуждают молекулы очередь приводит к появлению альфа-, бета- или гамма- воздуха до тех пор, пока их энергия не упадет ниже излучений. Соотношение интенсивностей этих излуче- некоторой величины E. В результате в окрестности ний зависит от состава радиоактивных элементов в траектории альфа-частицы образуется область, содероблаке, но каждое из них вызывает ионизацию воздуха, жащая электроны с энергией больше тепловой энерчто приводит к изменению диэлектрических свойств гии, но меньше энергии E, необходимой для ионизавоздуха в облаке. Последнее обстоятельство создает ции воздуха. При этом в указанную область входят предпосылки обнаружения облака радиоактивных эле- как первичные электроны, образованные в результате ментов в воздухе, например, по изменению характе- воздействия на молекулы воздуха альфа-частицы, так и ристик отраженных от облака или проходящих через вторичные электроны, образованные в результате вознего электромагнитных волн. В данной работе решается действия -электронов. Первичные электроны составлязадача оценки возможности обнаружения отраженной от ют от общего количества электронов, образованных при облака радиоактивных элементов в воздухе электромаг- альфа-излучении, приблизительно одну треть [3]. Таким нитной волны (радиолокационное обнаружение) только образом, в окрестности траектории движения альфапо альфа-излучению. В литературе достаточно подробно частицы возникают свободные (так называемые горячие) рассмотрена задача радиолокационного обнаружения ио- носители заряда, энергия которых меньше энергии ионинизированных областей в атмосфере [1,2], при этом рас- зации, но больше тепловой, и связанные возбужденные сматривается сплошная ионизированная область. Обла- состояния. Затем горячие носители термализируются, ко радиоактивных элементов отличается от сплошной т. е. снижают свою температуру до тепловой. Область в среды тем, что оно представляет собой совокупность окрестности траектории движения альфа-частицы, вклюдискретных упорядоченных структур — треков. В связи чающая первичные и вторичные заряды, называется ее с этим в работе предложена модель рассеяния электро- треком [4]. Время от образования трека до момента магнитной волны на облаке радиоактивных элементов в термализации будем считать временем существования воздухе как рассеяние на множестве треков. Затем на трека [4].

основе этой модели поставленная в данной работе задача Итак, трек аьфа-частиц можно рассматривать как сводится к рассмотрению возможности радиолокацион- цилиндр, состоящий из пар первичных и вторичных ного обнаружения совокупности множества плазменных свободных зарядов (электронов и ионов). При этом цилиндров. радиус цилиндра будет определяться длиной пробега -электронов, которая зависит от их энергии и плотности воздуха. Радиус трека r полагают равным 0.84R, где Модель облака радиоактивных R — максимальный пробег -электрона [3]. Длина элементов в воздухе, испускающих цилиндра (трека) зависит от энергии альфа-частицы, лежащей в интервале 4–10 MeV [4], определяемой видом альфа-частицы радиоактивного элемента. В воздухе при нормальных При альфа-излучении радиоактивные элементы ис- условиях длина трека альфа-частицы находится в препускают альфа-частицы, движение которых в воздухе делах 3-8cm [5].

приводит к образованию на их пути возбужденных и за- Количество пар N свободных зарядов на единицу ряженных частиц (пар свободных зарядов — электронов длины трека, образуемых при радиоактивном излучении, 134 В.А. Полянский называется удельной ионизацией. В воздухе при нор- Оценка эффективной площади мальных условиях треки альфа-частиц характеризуются рассеяни облака радиоактивных величиной N, равной 5·104-105 cm-1 [5]. В дальнейшем элементов в воздухе будем использовать нижнее значение N.

по их альфа-излучению Как было уже отмечено, радиус трека определяется длиной максимального пробега -электрона, которая заРассмотрим сначала эффективную площадь рассеяния висит от его энергии. Энергия -электрона E определя- (ЭПР) одного трека как плазменного цилиндра. Опредеется выражением EE0 cos2, где E0 — максимальная ление характеристик рассеянной плазменным цилиндром энергия -электрона, — угол между направлением электромагнитной волны существенно упрощается, если вылета -электрона из трека и направлением движения его можно считать проводником [7]. Будем, как обычно, альфа-частицы. Величина E0 зависит от энергии альфа- считать цилиндр проводником в переменном поле часточастицы. При изменении энергии альфа-частицы от 4 ты f, если выполняется неравенство = /2 f 1, где — удельная электропроводность цилиндра, — до 10 MeV значение энергии E0 меняется от 2.2 до диэлектрическая проницаемость цилиндра. Для плазмы 5.3 KeV [5]. При этом, поскольку на образование одной с учетом столковений в ней частиц [7] после преобразопары зарядов затрачивается энергия 35 eV [6], -электрон вания получаем образует 30–70 пар.

Ионизация и возбуждение молекул воздуха -элек2p троном происходит в цилиндре, радиус которого (ра =, (2 + 2 - 2p) диус захвата) увеличивается с увеличением энергии -электрона. Принимая, что в радиусе захвата [6] где p = 2 81N — плазменная частота, — среднее происходит 3–7 актов ионизации, будем полагать, что число соударений электрона с нейтральными молекула-электрону требуется в соответствующее число раз ми и ионами в единицу времени, 2 f.

меньшее количество столкновений с атомами воздуха При определении для трека альфа-частицы будем для их ионизации. Тогда -электрон пробегает расстояучитывать только столкновения электрона с нейтральние R, равное десяти длинам свободного пробега. Поными молекулами, поскольку удельная плотность поскольку длина свободного пробега электрона в газах следних N0 = 2.7 · 1019 cm-3 много больше удельной при нормальных условиях составляет 10-5 cm [4], то плотности ионов N+ 2 · 1012 cm-3. Тогда, принимая во R = 10-4 cm и r = 0.84 · 10-4 cm.

внимание только упругое рассеяние электронов, можно Плотность зарядов в треке может быть определена определить величину по формуле [1] по формуле = 8.3 · 105a2 TN0, N =.

rгде a —радиус молекулы (cm), T — температура воздуха (K).

Следовательно, в треке альфа-частицы плотность заряПолагая a 10-8 cm [4] при нормальных условиях дов составляет величину не менее 2 · 1012 cm-3. Если в получаем 1011 s-1. Величина p в нашем случае треке выполняется условие [4] 6.9 T/N < 1, где T — равна p 8 · 1010 s-1. Принимая f = 3 · 109 Hz, температура воздуха в K, то в нем образуется плазма.

получим 15 1т. е. при f 3 · 109 Hz трек (плазЛегко видеть, что при нормальных условиях в треке менный цилиндр) можно считать проводником. Поэтому альфа-частицы указанное условие выполняется, т. е. в в дальнейшем при f 3 · 109 Hz будем приближенно треке образуется плазма.

оценивать значение ЭПР трека как ЭПР проводящего Таким образом, трек альфа-частицы представляет социлиндра, радиус которого r, где — длина бой плазменный цилиндр длиной в несколько сантимеоблучающей электромагнитной волны, длина цилиндра тров (3–8 cm) с радиусом 10-4 cm. Будем полагать L сравнима с, а r L. Тогда среднее значение ЭПР ориентацию в пространстве этого цилиндра случайной.

1 случайно ориентированного проводящего цилиндра Как было указано выше, время жизни трека равпри обратном рассеянии (при одинаковых поляризацино времени термализации электронов. В газах это ях приемной и передающей антенн) будет составлять время составляет в среднем 4 · 107 с [4]. Бу-приближенно (0.02–0.2)2 в зависимости от L [8]. Надем полагать, что в течение этого времени плотпример, нижнее значение 1 при = 10 cm составляет ность зарядов в треке постоянна и равна 2 · 1012 cm-3.

1 = 2cm2 = 2 · 10-4 m2.

Итак, облако радиоактивных элементов в воздухе, из- При активности облака радиоактивных элементов по лучающих альфа-частицы, представляет собой совокуп- альфа-излучению Q (Ku) образуется 3.7 · 1010Q треков в ность плазменных цилиндров, хаотически ориентирован- секунду. В этом случае с учетом времени жизни трека в ных в пространстве и имеющих ограниченное время облаке в среднем постоянно присутствует 1.5 · 104Q жизни. треков. Тогда ЭПР облака радиоактивных элементов Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Обратное рассеяние электромагнитной волны на облике радиоактивных элементов в воздухе... при активности альфа-излучения Q (Ku) будет составлять = 1.5·104Q1. Например, при активности альфаизлучения облака 10-3 Ku его ЭПР при = 10 cm составляет величину около 3·10-3 m2. Радиолокационная цель с такой ЭПР может быть обнаружена типовым радиолокатором (полагается, что объем выброса не выходит за объем элемента разрешения радиолокатора) [9].

Заключение В работе предложена модель рассеяния электромагнитной волны на облаке радиоактивных элементов в воздухе, испускающих альфа-частицы. Проведенная на основе этой модели оценка ЭПР облака радиоактивных элементов показывает практическую возможность его радиолокационного обнаружения по альфа-излучению при активности последнего по крайней мере в тысячные доли кюри.

Список литературы [1] Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 683 с.

[2] Боярчук К.А., Ляхов Г.А., Суязов Н.В. // ЖТФ. 1997. Т. 67.

Вып. 2. С. 76–82.

[3] Калашникова В.И., Козодоев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука, 1966. 408 с.

[4] Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. М.:

Энергоатомиздат, 1987. 404 с.

[5] Глесстон С. Атом, атомное ядро, атомная энергия. М.: ИЛ, 1961. 648 с.

[6] Медведев М.Н. Сцинтиляционные детекторы. М.: Атомиздат, 1977. 136 с.

[7] Radar Cross Section Handbook / Ed. G.T. Ruck. New York, 1970. Vol. 1,2. 949 p.

[8] Van Vleck J.H., Blanch F., Hamermech M. // J. Appl. Phys.

1947. Vol. 18. P. 274–294.

[9] Радиолокационное устройство / Под ред. В.В. ГригоринаРябова. М.: Сов. радио, 1970. 370 с.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.