Бета-спектрометр

Бета-спектрометр, прибор, служащий для анализа бета-спектров (см. Бета-распад). Б.-с. применяют также для исследования энергетического спектра g-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), которое используется для анализа, к полному числу частиц, испускаемых радиоактивным источником. Светосила Б.-с. зависит от их конструкции и обычно составляет от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов. Разрешающей способностью Б.-с. называется наименьшее различие в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, которое 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 которых 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 несколько процентов (или даже несколько десятков процентов). К приборам второго типа принадлежат Б.-с., в которых используются магнитные или электрические (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 которых растут с импульсом р в соответствии с формулой: pc = 300 Br,? (1)
где рс - произведение импульса электрона на скорость света с в эв; В - индукция магнитного поля в гс;r - радиус окружности в см. При энергиях электронов в несколько Мэв размеры Б.-с. невелики; он умещается на лабораторном столе. Детектором электронов может служить фотопластинка (рис. 1). В этом случае одновременно регистрируется целый участок энергетического спектра. При использовании в качестве детекторов различного вида счётчиков частиц (например, 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.).
Существенным свойством Б.-с. с однородным поперечным магнитным полем является их способность фокусировать частицы, вылетевшие из источника в разных направлениях в некотором интервале углов. После поворота на 180? траектории частиц, вылетевших из источника почти перпендикулярно к линии, соединяющей источник и детектор, сходятся у детектора (рис. 3).
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 которых магнитная индукция В спадает по радиусу r 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.
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 котором устанавливается кольцевая диафрагма, пропускающая частицы с определённым значением импульса. Однородное продольное магнитное поле создаётся соленоидом, окружающим прибор. По аналогии с оптикой такие соленоиды называют магнитным и линзами (см. Электронная оптика). Описанный прибор носит название Б.-с. с длинной магнитной линзой. Нередко применяют также приборы, у которых источник и детектор расположены вне соленоида (в направлении его оси). Их называют 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 которых расположены на оси прибора. Такие Б.-с. позволяют получить большую светосилу и хорошую разрешающую способность.
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 фотографические пластинки, сцинтилляционные счётчики, счётчики Гейгера - Мюллера. На рис. 6 приведён b-спектр излучения радиоактивного изотопа ¹⁷⁷Lu, 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; Грошев Л. В. и Шапиро И. С., Спектроскопия атомных ядер, М., 1952.
? Л. Л. Гольдин.