бета-спектрометр

БЕТА-СПЕКТРОМЕТР магнитный - прибор для измерения энергетич. спектра электронов и позитронов, в частности-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 .Составляющая импульса р частицы, перпендикулярная В, и радиус кривизны сё траектории связаны соотношением:

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 производится по ф-ле: (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,

Рис. 1. Траектории электронов в поперечном однородном магнитном поле В: S - источник -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 , где величина 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 . Принимают, что разрешимыми являются линии, разделённые интервалом. С разрешением связана дисперсия D,

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

к-рая характеризует смещение dx положения электронной линии при малом изменения энергии частиц:

Светосилой I наз. доля электронов, вылетевших из моноэнергетич. источника, регистрируемых детектором: , где - телесный угол, в к-ром вылетевшие из источника электроны достигают детектора, а - эффективность детектора (в %). Светимость - элемент 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 с радиусом, определяющимся ф-лой (1) при . Частицы, испущенные из точки S (рис. 1) с угловой апертурой (траектории 1, 1', 1''), наиболее близко сходятся через ¹/₂ оборота ("полукруговая" фокусировка в однородном поле). Ширина линии при точечном источнике (углы малы), Если учесть конечные размеры источника S, ширину детекторной щели W и угловую расходимость частиц в направлении В (угол вертикальной апертуры), то:

T. о., в однородном магн. поле частицы, вылетавшие из источника под углами , 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 [К. Зигбан (К. Siegbahn) и H. Свартхольм (N. Svartholm), 1946], она лежит в основе наиб. совершенных Б--с. . В нек-рых из них поле аксиально симметрично и спадает с расстоянием r, как . В приборах этого типа достигнуто R~ (1-2)*10^-4 при =(1,5-6)*10^-3.

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

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 закону (-полярные координаты точки). При движении частиц в таком поле в медианной плоскости 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 =0 при нок-ром значении , 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, ~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-

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 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.).

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 к оси Z, по к-рой направлено поле В, - спираль, навитая на цилиндр радиусом (рис. 5). Частица снова пересекает ось z на расстоянии . Выделив с помощью кольцевой диафрагмы частицы, вылетевшие в интервале углов от до , ограничим этим длину "изображения" точечного источника моноэнергетич. электронов , отсюда .

Рис. 5. Движение электронов в однородном продольном поле ; - диаметр окружности, описываемой электроном, вылетевшим из точки О под углом , 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~ и , 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:

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

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	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 -ray spectroscopy, В., 1976; Detectors in nuclear science, "Nucl. Instr. and Meth.", 1979, v. 162, Mi 1 - 3.

Б. Г. Ерозолимский.

   <<      Предметный указатель      >>