БЕТА-СПЕКТРОМЕТР

БЕТА-СПЕКТРОМЕТР прибор,
служащий для анализа бета-спектров (см. Бета-распад). Б.-с. применяют
также для исследования энергетич. спектра у-лучей по создаваемым ими в
веществе вторичным электронам (см. Гамма-спектрометр).

Основными характеристиками Б.-с.
являются светосила и разрешающая способность. Под светосилой понимают отношение
числа электронов (или позитронов), к-рое используется для анализа, к полному
числу частиц, испускаемых радиоактивным источником. Светосила Б.-с. зависит
от их конструкции и обычно составляет от неск. десятых процента до неск.
десятков процентов. Разрешающей способностью Б.-с. наз. наименьшее различие
в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, к-рое может быть замечено
прибором. Разрешающая способность прецизионных Б.-с. достигает 0,01%. Как
правило, приборы с лучшей разрешающей способностью обладают меньшей светосилой.

Различают Б.-с., измеряющие энергию
электронов по их воздействию на вещество, и Б.-с., действие к-рых основано
на пространственном разделении электронов и позитронов, имеющих различную
энергию. К приборам первого типа относятся Б.-с., основанные на ионизации,
возникающей в веществе при торможении электронов (см. Сцинтилляционный
спектрометр, Ионизационная камера); приборы этого типа обладают большой
светосилой, но не дают возможности измерять энергию электронов с точностью,
большей чем неск. процентов (или даже неск. десятков процентов). К приборам
второго типа принадлежат Б.-с., в к-рых используются магнитные или электрич.
(для медленных электронов) поля. Обычно под Б.-с. понимают приборы второго
типа.

Наиболее просты по устройству (и
дают наилучшее разрешение) Б.-с. с поперечным магнитным полем (предложены
польским физиком Я. Данышем в 1912). В этих Б.-с. траектории электронов
перпендикулярны силовым линиям поля. В однородном поперечном поле электроны
движутся по окружностям (рис. 1), радиусы к-рых растут с импульсом р
в
соответствии с формулой:



где рс - произведение импульса
электрона на скорость света с в эв; В - индукция магнитного
поля в гс; р - радиус окружности в см. При энергиях электронов
в неск. Мэв размеры Б.-с. невелики; он умещается на лабораторном
столе. Детектором электронов может служить фотопластинка (рис. 1).

Рис. 1. Траектория электронов в поперечном
магнитном поле. Силовые линии поля перпендикулярны плоскости рисунка. Радиус
окружности, которую описывает электрон, пропорционален его импульсу.

В этом случае одновременно регистрируется
целый участок энергетич. спектра. При использовании в качестве детекторов
различного вида счётчиков частиц (напр., Гейгера-Мюллера счётчика) магнитное
поле спектрометра плавно изменяют, подводя к детектору электроны с разными
импульсами р в соответствии с формулой (1) (рис. 2). Траектории
электронов в Б.-с. проходят внутри вакуумной камеры (вакуум порядка 10^-1
- 10^-3 мм рт. ст.).

Рис. 2. Траектория электронов в В-спектрометре
со счётчиком Гейгера -Мюллера. Плавно изменяя магнитное поле, к щели спектрометра
последовательно подводят частицы с разными значениями импульса р.

Существенным свойством Б.-с. с однородным
поперечным магнитным полем является их способность фокусировать частицы,
вылетевшие из источника в разных направлениях в нек-ром интервале углов.
После поворота на 180° траектории частиц, вылетевших из источника почти
перпендикулярно к линии, соединяющей источник и детектор, сходятся у детектора
(рис. 3).

Рис. 3. Фокусировка электронов в
однородном поперечном магнитном поле (полукруговая фокусировка). Траектории
электронов, вылетевших из источника под небольшими углами к оси у, сходятся
у детектора.

При движении электронов в однородном
магнитном поле составляющая их скорости, параллельная силовым линиям поля,
сохраняет свою величину. Если начальные скорости электронов не перпендикулярны
полю, их траектории - винтовые линии. Проекция траекторий на плоскость,
перпендикулярную силовым линиям, является окружностью. В формулу (1) в
этом случае входит составляющая импульса,

перпендикулярная полю. Т. о., в
однородном магнитном поле не происходит фокусировки в направлении поля.
Добиться двойной (пространственной) фокусировки частиц удаётся ценой отказа
от однородности поля. Для этой цели применяются Б.-с. (предложены Н. Свартхольмом
и К. Сигбаном, Швеция, 1946), у к-рых магнитная индукция В спадает
по радиусу т по формуле:

Угловое расстояние между источником
и детектором в Б.-с. с двойной фокусировкой равно не 180°, а 254°.

В Б.-с. с секторной фокусировкой
(рис. 4) отсутствует магнитное поле около источника и коллектора, что является
их достоинством, но они обладают малой светосилой.

Рис. 4. Схема устройства Э-спектрометра
с секторной фокусировкой. Силовые линии поля перпендикулярны плоскости
рисунка.

Б.-с. с продольным магнитным полем
обладают свойством пространственной фокусировки. В Б.-с. этого типа траектории
вытянуты вдоль магнитного поля. Винтовые линии, образуемые различными траекториями,
создают сложную пространственную картину. На рис. 5 изображена зависимость
расстояния от электрона до продольной оси спектрометра от пути, пройденного
вдоль оси, для двух электронов, вылетающих под разными углами относительно
оси прибора, т. е. относительно направления поля. Траектории проходят на
одном и том же расстоянии от оси в области кольцевого фокуса, в к-ром устанавливается
кольцевая диафрагма, пропускающая частицы с определённым значением импульса.

Рис. 5. Схема движения электронов
в продольном магнитном поле. Силовые линии поля параллельны оси прибора.

Траектории электронов, имеющих одинаковый
импульс р, проходят в области диафрагмы на одном и том же расстоянии от
оси прибора (кольцевая фокусировка).

Однородное продольное магнитное поле
создаётся соленоидом, окружающим прибор. По аналогии с оптикой такие соленоиды
наз. магнитными линзами (см. Электронная оптика). Описанный прибор
носит название Б.-с. сдлинной магнитной линзой. Нередко применяют также
приборы, у к-рых источник и детектор расположены вне соленоида (в направлении
его оси). Их наз. Б.-с. с короткой магнитной линзой. Широко распространены
Б.-с. типа "апельсин". Магнитное поле таких приборов можно себе представить
как наложение секторных магнитных полей, получающихся при вращении поля
(рис. 4) вокруг линии, соединяющей источник и детектор. Магнитные силовые
линии в этом случае - окружности, центры к-рых расположены на оси прибора.
Такие Б.-с. позволяют получить большую светосилу и хорошую разрешающую
способность.

Рис. 6. Спектр излучения ¹⁷⁷Lu.
По оси абсцисс отложен импульс электронов, измеренный в единицах Впо оси ординат - зарегистрированная детектором интенсивность, поделённая
на В. Пики на кривой обусловлены электронами,
которые возникают при внутренней конверсии y-лучей, испускаемых при высвечивании
дочернего ядра ¹⁷⁷Не. р-спектр ¹⁷⁷Lu образует пьедестал,
на котором возвышаются конверсионные пики.

Источники, применяемые в бета-спектроскопии,
изготовляют нанесением слоя радиоактивных веществ на тонкие подложки (слюда,
алюминий). Торможение электронов в источнике способно вызывать заметные
искажения спектра. Наилучшие источники получают испарением в вакууме. В
качестве детекторов применяют фотографич. пластинки, сцинтилля-ционные
счётчики, счётчики Гейгера -Мюллера. На рис. 6 приведён В-спектр излучения
радиоактивного изотопа ¹⁷⁷ Lu, снятый с помощью Б.-с.

Лит.: Альфа-,бета-и гамма-спектроскопия,
под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 1,М., 1969; Экспериментальная ядерная
физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ,, т. 3, М., 1961; Гроше в Л. В.
и Шапиро И. С., Спектроскопия атомных ядер, М., 1952.

Л. Л.Гольдин.