Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Водород, как альтернативное топливо.
Как известно наша планета богата энергоносителями, которые, вот уже не одну сотню лет, исправно служат человеку, делая его жизнь более комфортной. Но так же известно, что запасы полезных ископаемых, из которых получают эти энергоносители, с каждым годом всё уменьшаются, а их стоимость в связи с этим растёт, не говоря уже о загрязнении окружающей среды путём выброса в атмосферу продуктов сгорания. Далее...

Бета спектрометр

бета-спектрометр

БЕТА-СПЕКТРОМЕТР магнитный - прибор для измерения энергетич. спектра электронов и позитронов, в частности1119910-520.jpg-частиц, с помощью магн. поля. Принцип действия Б--с. состоит в пространственном разделении траекторий заряж. частиц в магн. поле в зависимости от их импульсов. На заряд, движущийся в магн. поле В, действует Лоренца сила .Составляющая1119910-521.jpg импульса р частицы, перпендикулярная В, и радиус кривизны 1119910-522.jpg сё траектории связаны соотношением:

1119910-523.jpg

где е - заряд электрона (в CGSE). Из ф-лы (1) видно, что магн. полю пропорциональна не энергия электрона, а его импульс. Переход от импульса электрона к его энергии 1119910-524.jpg производится по ф-ле:1119910-525.jpg (m0 -масса покоя электрона).

Магн. поле, обусловливая спектральную чувствительность, обладает и фокусирующими свойствами, т.е. обеспечивает собирание частиц с одинаковыми импульсами, вылетающих из источника по разным направлениям. Электроны, вылетающие из источника, движутся в вакуумной камере, помещённой в магн. поле,

1119910-526.jpg

Рис. 1. Траектории электронов в поперечном однородном магнитном поле В: S - источник 1119910-527.jpg-частиц; D-диафрагма.

и, пройдя через диафрагмы, регистрируются детектором. В бета-спектрографах магн. поле неизменно, и энергия частиц определяется по координатам х точки их регистрации в протяжённом детекторе (обычно ядерные фотографические эмульсии, рис. 1). В Б--с. изменяется величина магн. поля (без нарушения его конфигурации), детектор же имеет узкую входную щель, позволяющую регистрировать частицы определ. энергии.

Основные характеристики В--с. Энергетич. разрешение 1119910-528.jpg , где величина 1119910-529.jpg связана с тем, что электроны одной и той же энергии, вылетающие из разл. точек источника и под разными углами, несмотря на фокусирующее действие магн. поля, собираются не в точку на детекторе, а образуют протяжённое "изображение" источника. Форма распределения интенсивности "изображения" обычно близка к трапеции с основанием 1119910-530.jpg. Принимают, что разрешимыми являются линии, разделённые интервалом1119910-531.jpg1119910-532.jpg. С разрешением связана дисперсия D,

1119910-533.jpg

Рис. 2. а - схематическое изображение трохоидального бета-спектрометра: S-источник; Дет - детектор; D - диафрагма. Трохоидальные траектории вылетевших в угол j собираются в пятно 1119910-534.jpg; б - неоднородное магнитное поле спадает с расстоянием r по закону1119910-535.jpg.

к-рая характеризует смещение dx положения электронной линии при малом изменения энергии частиц: 1119910-536.jpg

Светосилой I наз. доля электронов, вылетевших из моноэнергетич. источника, регистрируемых детектором: 1119910-537.jpg , где 1119910-538.jpg - телесный угол, в к-ром вылетевшие из источника электроны достигают детектора, а 1119910-539.jpg - эффективность детектора (в %). Светимость - 1119910-540.jpgэлемент площади S поверхности источника. Обычно I мало изменяется вдоль поверхности, поэтому L=IS. Стремление к высокому разрешению приводит к ограничениям светосилы и светимости, и наоборот. Фактором качества наз. отношение U/R или LIR.

Классификация Б--с. Существующие Б--с. можно разделить на 2 класса: Б--с. с поперечным полем ("плоские"), в к-рых траектории электронов лежат вблизи плоскости, перпендикулярной В; Б--с. с продольным полем ("винтовые"), где частицы движутся по винтовым траекториям, ось к-рых параллельна В.

Б--с. с полукруглой фокусировкой. В 1912 Л. Даниш (L. Danysz) показал, что в однородном магн. поле В имеет место фокусировка моноэнергетич. электронов, вылетающих под разными углами из одной точки, в плоскости, перпендикулярной В. Траектория частицы, обладающей импульсом p,- окружность в плоскости 1119910-541.jpg с радиусом1119910-542.jpg, определяющимся ф-лой (1) при 1119910-543.jpg . Частицы, испущенные из точки S (рис. 1) с угловой апертурой 1119910-544.jpg (траектории 1, 1', 1''), наиболее близко сходятся через 1/2 оборота ("полукруговая" фокусировка в однородном поле). Ширина линии при точечном источнике 1119910-545.jpg (углы 1119910-546.jpg малы),1119910-547.jpg Если учесть конечные размеры источника S, ширину детекторной щели W и угловую расходимость частиц в направлении В (угол вертикальной апертуры1119910-548.jpg), то:

1119910-549.jpg

T. о., в однородном магн. поле частицы, вылетавшие из источника под углами 1119910-550.jpg , сходятся в пятно размером, пропорциональным j2. Это наз. фокусировкой в первом порядке. Достигнутое разрешение R~10-3 при I=2,5*10-4.

Попытки найти такую конфигурацию магн. поля, в к-ром осуществлялась бы фокусировка в более высоком порядке по j, привели к неоднородным магн. полям. Плодотворной оказалась идея двойной фокусировки как в плоскости орбиты по углу ф, так и в направлении поля В по углу 1119910-551.jpg [К. Зигбан (К. Siegbahn) и H. Свартхольм (N. Svartholm), 1946], она лежит в основе наиб. совершенных Б--с. 1119910-552.jpg . В нек-рых из них поле аксиально симметрично и спадает с расстоянием r, как 1119910-553.jpg. В приборах этого типа достигнуто R~ (1-2)*10-4 при 1119910-554.jpg=(1,5-6)*10-3.

Азимутальная вариация магн. поля (небольшие отклонения от осевой симметрии) позволила достичь фокусировки ещё в более высоком порядке по углам 1119910-555.jpg . В 1967 К. Бьёрквист (К. Bjorkwist) с сотрудниками осуществили фокусировку до 6-го порядка R~1*10-5 при 1119910-556.jpg =10-3. С помощью такого Б--с. Бьёрквисту удалось в сер. 1970-х гг. исследовать верх. границу 1119910-557.jpg-спектра трития и получить оценку массы нейтрино <60эВ (см. Бета-распад).1119910-558.jpg

Трохоидальные Б--с. Частицы в них движутся не по окружностям, а по сложным траекториям, близким к трохоидам (рис. 2). Использование трохоидальных траекторий предложено Ж. Тибо (J. Тhibaud) в 1933 для разделения электронов и позитронов (дрейф трохоиды для них происходит в разные стороны). В дальнейшем P. Бальцером (Balzer, 1964) oсуществлён Б--с., где поле изменялось с расстоянием по закону1119910-559.jpg (1119910-560.jpg-полярные координаты точки). При движении частиц в таком поле в медианной плоскости1119910-561.jpg после одного периода трохоиды имеет место полная фокусировка по азимутальному углу. Движение частиц в направлении оси поля происходит по спиралевидным траекториям так, что осевая компонента скорости 1119910-562.jpg=0 при нок-ром значении 1119910-563.jpg, т. е. частица "отражается" от нарастающего по мере приближения к полюсу поля, как в системе с "магн. пробками". В результате траектория электрона колеблется относительно медианной плоскости и имеет место двойная фокусировка в тем более высоком порядке, чем больше периодов трохоиды используется. Расчетные значения параметров Б--с. Бальцера: R~5*10-4, 1119910-564.jpg~0,02.

Секторные В--с. В нек-рых,, Б--с. для отклонения частиц используется лишь сектор магн. поля с фокусировкой частиц вне поля, В Б--с. Броуна, Бюхнера (С. P. Brown, W. W. Buchner) отклонение частиц осу-

1119910-565.jpg

Рис. 3. Схематическое изображение тороидального бета-спектрометра.

ществлялось в клиновидном зазоре между двумя наклонными друг к другу плоскими магн. полюсами. В дальнейшем для увеличения светосилы использовались магниты с неск. зазорами; в Б--с. типа "апельсин" полюсы и зазоры располагаются "ломтями" вокруг оси, соединяющей источник с детектором. В безжелезном Б--с. (В. В. Владимирский) с магн. полем тороидальной формы, образованным витками с током, частицы проходят через много промежутков между витками по всему тору (рис. 3). В таких Б--с. при 1119910-566.jpg 0,1-0,15 достигается R~1-3*10-3, что позволило осуществить эксперимент по оценке массы нейтрино (E. Ф. Третьяков и др., 1981).

Идея секторного отклоняющего поля привела к созданию Б--с. аналогичного оптическому призменному спектрометру (В. M. Кельман, Б. П. Перегуд и др.).

1119910-567.jpg

Рис. 4. Траектории электронов в призменном бетаспектрометре: а - в плоскости, перпендикулярной полю В; б-в плоскости, параллельной В.

Источник и щель детектора располагаются в фокусах магн. линз (тонких катушек с продольным магн. полем), с помощью к-рых пучок электронов от источника превращается в параллельный и собирается после отклонения в магн. призме на щели детектора (рис.4). Б--с.

призменного типа компактны и по параметрам могут конкурировать с приборами с двойной фокусировкой. Б--о. с продольным полем. Среди них различают Б--с. с длинной и короткой линзами. Предельным случаем "длинной линзы" является однородное продольное магн. поле. Траектория электронов, испущенных точечным источником S под углом 1119910-568.jpg к оси Z, по к-рой направлено поле В, - спираль, навитая на цилиндр радиусом1119910-569.jpg (рис. 5). Частица снова пересекает ось z на расстоянии 1119910-570.jpg. Выделив с помощью кольцевой диафрагмы частицы, вылетевшие в интервале углов от 1119910-571.jpg до 1119910-572.jpg, ограничим этим длину "изображения" точечного источника моноэнергетич. электронов1119910-573.jpg 1119910-574.jpg, отсюда 1119910-575.jpg.

1119910-576.jpg

Рис. 5. Движение электронов в однородном продольном поле 1119910-577.jpg ; 1119910-578.jpg - диаметр окружности, описываемой электроном, вылетевшим из точки О под углом 1119910-579.jpg , r- расстояние до оси Z при движении частицы по спирали.

Фокусировка может быть улучшена, если использовать промежуточный "кольцевой фокус" (рис. 5), установив там 2-ю узкую кольцевую диафрагму, а детектор расположить на оси Z так, чтобы улавливать все прошедшие через неё частицы. Тогда R~1119910-580.jpg и 1119910-581.jpg, что позволяет использовать большую светосилу при том же разрешении. Др. варианты Б--с. с продольным полем разрабатывались с целью уменьшения сферич. аберраций и улучшения фокусировки. К. Зигбан и X. Слэтис показали, что наилучшие условия фокусировки в протяжённом продольном поле достигаются, если поле спадает и потом снова нарастает в промежутке между источником и детектором. Подбором формы спада поля посередине можно сузить промежуточный кольцевой фокус.

Наибольшее распространение получили приборы "короткой линзой", в к-рых магн. поле образуется тонкой катушкой с током 1 (рис. 6). Действие такого поля аналогично действию тонкой оптич. линзы. Фокусное расстояние тонкой магн. линзы даётся ф-лой:

1119910-582.jpg

где а - полуширина распределения поля линзы. Поскольку f пропорционально р2, то частицы с разными

1119910-583.jpg

Рис. 6. Схема бета-спектрометра с короткой магнитной линзой: 1-катушка с током; 2 -диафрагмы.

значениями импульса фокусируются на разных расстояниях от линзы. Б--с. с тонкой магн. линзой не являются прецизионным (R~1%), но они обладают большой светосилой (порядка неск. %).

Наиболее высокое разрешение [R~(5-7)*10-5] до стигается в Б--с. с неоднородным аксиально-симметрич. полем, а также в призменных спектрометрах (табл.).

Тип бета-спектрометра

Rмакс

1119910-584.jpg при предельном R, %

С аксиальным неоднородным полем

10-4- 10-3

0,1-0,5

Прирменные

"

0, 1

С длинной линзой

5*10-4- 5*10-3

1-10

С короткой линзой

5*10-3


Лит : Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., в. 1, M , 1069; Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич E. С., Основы экспериментальных методов ядерной физики, 2 изд., M., 1977; Призменные бета-спектрометры и их применение, Вильнюс, 1971; Mladjenoviс M., Development of magnetic 1119910-585.jpg-ray spectroscopy, В., 1976; Detectors in nuclear science, "Nucl. Instr. and Meth.", 1979, v. 162, Mi 1 - 3.

Б. Г. Ерозолимский.

  Предметный указатель