Energy-loss Straggling and Experimental Investigation of Bragg’s Rule for 241Am Alpha Particles in Air and its Constituents

Abstract

물질 내 하전 입자의 에너지 손실 및 에너지 손실 스트래글링 (straggling)은 반도체 도핑, 전자 제품의 방사선 테스트 및 방사선 치료와 같은 다양한 응용 분야에서 매우 중요합니다. 에너지 손실 및 에너지 손실 스트래글링 이론은 원자 물질에 대해 정의되며 Bragg의 규칙은 그 결과를 화합물 및 혼합물로 확장하는 도구로서 사용됩니다. Bragg의 규칙은 원소 물질에 대한 결과의 원자 비율에 따라 화합물과 혼합물에 대해 동일한 결과를 얻기 위해 선형 가산성을 제안합니다. 물질 내 하전 입자의 에너지 손실은 주로 원자의 전자와의 상호 작용을 통해 이루어지기 때문에 원소 물질 및 위상 효과와 비교하여 화합물의 전자 결합 효과, 즉 화합물의 물질 위상이 구성 성분과 다를 때 편차가 발생합니다. 또한 에너지 손실 및 에너지 손실 스트래글링 이론은 매우 낮은 상대론적 에너지에서 관찰되는 2차 효과로 인해 특정 에너지에서 특정 정확도로 관심의 양 (quantity)을 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 낮은 에너지에서 입자의 전하는 통계적으로 변동하므로 상호 작용하는 입자의 일정한 전하가 분해되기 시작하고 제한된 정확도를 제공한다고 가정하는 에너지 손실 이론입니다. 이러한 에너지에서 이론이 제공하는 제한된 정확도는 결합 및 위상 효과가 무시할 수 있는 경우에도 Bragg의 규칙의 선형 가산성까지 확장됩니다. 두 요인이 충분히 고려되면 상황이 악화됩니다. 2차 효과가 존재하는 에너지에서 실험 데이터는 기존 이론을 검증하고 새로운 이론을 공식화하는 방법입니다. 그렇기 때문에 기본 물리학을 더 잘 이해하고 이러한 에너지에 대한 유망한 이론을 공식화하려면 고해상도 에너지 손실 및 에너지 손실 스트래글링 데이터가 중요합니다. 하전 입자가 고체인 매질과 상호 작용하는 경우, 에너지 손실 및 에너지 손실 스트래글링 데이터를 측정하는 것은 어려운 작업입니다. 박막의 두께 변화와 텍스처 효과는 고해상도 기기를 사용하더라도 데이터의 정확성을 제한하고 문제를 일으킵니다. 그러나 가스에는 이러한 제한이 없습니다. 또한 기체 혼합물의 경우 결합 및 위상 효과가 없기 때문에 Bragg의 규칙이 더 나은 추정치를 제공할 것으로 기대됩니다. 본 연구는 전하 교환이 존재하는 충분히 낮은 범위의 에너지에서 고분해능 알파 분광법을 사용하여 기체 혼합물에서 241Am 알파 입자의 에너지 손실 스트래글링을 측정하는 실험 및 데이터를 보여줍니다. 기존 이론의 검증과 새로운 이론의 공식화에 필수적인 공헌을 할 수 있는 공기 중 5.486 MeV 알파 입자의 고분해능 에너지 손실 스트래글링 데이터는 본 연구의 주요 기여 항목 중 하나입니다. 2차 효과로 인한 오차가 Bragg의 규칙 추정치에 전파되는 것을 처리하기 위해 에너지 손실 스트래글링의 실험 데이터와 함께 Bragg의 규칙을 사용하는 첫 번째 조사가 본 연구의 두 번째 주요 기여 항목으로서 논문에서 제시됩니다.; Energy loss and energy-loss straggling of charged particles in matter is of paramount importance for various applications such as semiconductor doping, radiation testing of electronics and radiation therapy. Energy loss and energy-loss straggling theories are defined for atomic matter and Bragg’s rule is used as a tool to extend the results to compounds and mixtures. Bragg’s rule proposes linear additivity, according to their atomic proportions, of the results for elemental matter to obtain the same for compounds and mixtures. Since energy loss of charged particles in matter is primarily through interaction with atomic electrons, deviations occur due to effects of bonding of electrons in the compound as compared to elemental matter and phase effects i.e. when the material phase of compound is different from constituents. Also, energy loss and energy-loss straggling theories can predict the quantities of interest with a certain accuracy at certain energies due to second order effects, which are observed at low and relativistic energies. For example, at low energies, charge of the particle fluctuates statistically and hence energy loss theories which assumes a constant charge of the interacting particle start breaking down and offer limited accuracy. At these energies, limited accuracy offered by theories propagate to the linear additivity of Bragg’s rule, even if bonding and phase effects are negligible. Situation gets worse if both the factors are sufficiently considerable. At energies where second order effects are present, experimental data is a way to validate existing theories and to formulate new ones. That is why high-resolution energy loss and energy loss straggling data is crucial to better understand the underlying physics and formulating promising theories at these energies. Measuring the energy loss and energy-loss straggling data, however, is a challenging task in case of charged particle interaction with solids. Thickness variation of the thin films and texture effects pose a challenge and limit the accuracy of the data obtained, even if high-resolution instruments are used. Gases, however, are free of such a limitation. Further, in the case of gaseous mixtures Bragg’s rule is expected to provide promising estimates owing to the absence of bonding and phase effects. This research reports the experiments and data to measure the energy-loss straggling of 241Am alpha particles in a gaseous mixture namely air, and its constituents using high-resolution alpha spectroscopy, at energies in the range low enough where charge-exchange is present. This high-resolution energy-loss straggling data of 5.486 MeV alpha particles in air and its constituents, which can make essential contribution to the validation of existing empirical formulation and formulation of new theories is one of the contributions of this work. To handle the propagation of error caused by second order effects to the estimate of Bragg’s rule, first investigations of using Bragg’s rule with the experimental data of energy-loss straggling are presented in this dissertation, which is the second major contribution of this work.