При прохождении через вещество, заряженные частицы посредством своего кулоновского поля взаимодействуют с атомами среды. Осуществляется и чисто ядерное взаимодействие с атомными ядрами, но, в силу короткодействующего характера ядерных сил, доля таких взаимодействий в большинстве случаев ничтожно мала.

Электромагнитное взаимодействие заряженной частицы с веществом приводит к ее многочисленным упругим и неупругим столкновениям с атомами среды. Скорость потерь энергии при этом удобно характеризовать средней энергией, потерянной частицей при прохождении единичного участка пути. Эта величина носит название (линейной) тормозной способности вещества или удельных потерь энергии и обозначается единым символом ¹. Тормозная способность имеет размерность (энергия/длина) и довольно часто в качестве единицы ее измерения выбирается МэВ/см.

Помимо тормозной способности вещества рассматривают также тормозную способность, отнесенную к плотности вещества. Такую величину называют массовой или удельной тормозной способностью вещества ² либо же массовыми удельными потерями энергии и обозначают как , где – плотность вещества.

Все частицы с массой, много большей массы электрона обладают общими специфическими особенностями взаимодействия с веществом, отличными от особенностей, характерных для налетающих частиц, массы которых равны массе электрона. Именно по этой причине в теории прохождения заряженных частиц через вещество падающие частицы разделяются на две группы: легкие и тяжелые. К легким частицам относят электрон и позитрон. Частицу считают тяжелой, если ее масса много больше массы электрона. Формально тяжелыми частицами являются все заряженные частицы, кроме электрона и позитрона. Однако в случае многозарядных ионов необходимо учитывать ряд относящихся только к ним особых физических процессов³. Поэтому обычно под тяжелыми заряженными частицами подразумевают протон, дейтрон,-частицу, ядра других легчайших элементов, мюоны, заряженные мезоны и барионы.

Для тяжелых заряженных частиц в достаточно широком диапазоне средних и релятивистских энергий⁴ определяющий вклад в тормозную способность вещества вносят кулоновские неупругие столкновения с атомами среды, когда энергия частицы расходуется на возбуждение и ионизацию атомов. Для быстрых заряженных частиц, т.е. частиц, скорости которых больше средней скорости атомных электронов⁵, процессы ионизации в неупругих столкновениях со средними и тяжелыми атомами более существенны, чем процессы возбуждения. По этой причине, с учетом наиболее часто используемых на практике мишеней и энергий пучков, потери энергии на возбуждение и ионизацию атомов называют просто ионизационными потерями, а соответствующую тормозную способность вещества, т.е. средние ионизационные потери энергии заряженной частицы на единичном участке ее пути в веществе – удельными ионизационными потерями. Происходящее за счет ионизационных потерь энергии торможение частиц называется ионизационным торможением.

Неупругое кулоновское столкновение заряженной частицы с атомом приводит к изменению его электронной конфигурации. Более того, при больших передаваемых импульсах неупругое рассеяние на атоме сводится к упругому рассеянию на его свободных электронах. Выделяя потери энергии тяжелой заряженной частицы при ее рассеянии только на электронах атома (связанных или свободных), вводят так называемую электронную часть потерь энергии или electronic energy loss. Поскольку электронная часть потерь энергии быстрой частицы в значительной степени обусловлена ее ионизационным торможением, довольно часто в англоязычной литературе под термином electronic energy loss подразумеваются потери энергии таких частиц на возбуждение и ионизацию. При этом термин electronic stopping power (электронная часть тормозной способности вещества) используется для наименования тормозной способности вещества за счет ионизационных потерь вместо термина specific ionisation loss (удельные ионизационные потери)⁶.

При переходе к более низким и более высоким энергиям относительно указанного выше диапазона ионизационное торможение уже не является доминирующим. Учет вклада удельных ионизационных потерь в общую тормозную способность вещества обязателен до тех пор, пока его относительная величина не становится исчезающе малой в рамках заданной точности.

>>Теоретическая часть. Удельные ионизационные потери энергии быстрой тяжелой заряженной частицы в веществе

Оглавление <<

1. В англоязычной литературе для наименования средней потери энергии на единичном участке пути заряженной частицы в веществе чаще всего используется термин (linear) stopping power с обозначениями и .
2. В англоязычном варианте – Mass stopping power.
3. Речь идет прежде всего о так называемой перезарядке, динамический характер которой (сочетание перехвата электронов от атомов среды и, наоборот, потеря ионом какой-то части своих электронов) приводит к целому набору разных зарядовых состояний иона по мере его прохождения через вещество.
4. Это энергии, при которых уже можно пренебречь вкладом в удельные потери от упругих столкновений, но еще можно не учитывать составляющую, обусловленную тормозным излучением.
5. Кинетическая энергия таких частиц также должна быть много больше средней потенциальной энергии их взаимодействия с атомами среды. Как правило, оба указанных условия дают одинаковые ограничения на кинетические энергии быстрых частиц.
6. Ионизационные потери энергии и удельные ионизационные потери также могут подразумеваться под терминами, соответственно, столкновительные потери энергии (collisional energy loss) и столкновительная тормозная способность вещества (collision stopping power). Строго говоря, столкновительные потери энергии определяются как потери энергии заряженной частицей при ее движении в веществе на кулоновские упругие и неупругие столкновения с атомами среды. Для тяжелых заряженных частиц определяющий вклад ионизационных потерь энергии в столкновительные потери имеет место только для быстрых частиц. Тем не менее в англоязычной литературе часто можно встретить использование термина collisional energy loss для наименования потерь энергии тяжелых заряженных частиц на возбуждение и ионизацию атомов. Более того, иногда collision stopping power определяется как cредние потери энергии на единичном участке пути заряженной частицы в веществе на возбуждение и ионизацию.