гамма-спектроскопия

ГАММА-СПЕКТРОСКОПИЯ - раздел ядерной физики, посвящённый исследованиям энергетич. спектров гамма-излучения. К этой же области принято относить исследования разл. ядерных и атомных процессов, связанных с испусканием, поглощением и рассеянием -квантов. На основании измерения таких характеристик, как относительные интенсивности наблюдаемых -линий, угл. распределения -квантов, угл. корреляции последовательно испускаемых -квантов, поляризации -лучей, коэф. конверсии внутренней, вероятности кулоновского возбуждения ядер заряж. частицами, сечения резонансного поглощения -лучей и т. д., удаётся получать информацию о спинах и четностях основных и возбуждённых состояний ядер, ширинах возбуждённых уровней, магн. дипольных и электрич. квадрупольных моментах ядер в разл. состояниях, мультипольностях переходов между ядерными уровнями. Спектры -лучей дают основные сведения, необходимые для построения схем энергетических уровней ядер. О методах регистрации и измерения энергии -квантов см. в ст. Гамма-спектрометр.

Для получения данных о спинах уровней ядер, мультипольностях переходов, электрич. и магн. моментах возбуждённых ядер используется метод исследования угл. корреляций -квантов, последовательно испускаемых в каскаде следующих друг за другом переходов между ядерными уровнями. С помощью двух или большего числа спектрометрич. детекторов, включённых в схему отбора совпадающих во времени актов регистрации -квантов, измеряется зависимость числа таких событий от угла между направлениями вылета соответствующих -квантов из источника (см. Совпадений метод). Если при этом разрешающее время схемы совпадений значительно больше ср. времени жизни ядер в промежуточном состоянии, то измеренная угл. корреляция наз. интегральной по времени. В этом случае детектор, регистрирующий 2-й -квант, не различает акты -распада возбуждённых ядер по их времени жизни и все они суммируются. Соответствующая корреляционная функция для угл. - -корреляции имеет вид:

Здесь - угол между направлениями вылета -квантов, - k-й полином Лежандра, A_k - коэф., зависящие от спинов I состояний, между к-рыми происходят ядерные переходы, и от т. н. параметров смешивания мультиполей в каждом из переходов, под к-рыми понимаются отношения амплитуд электрич. мультиполя порядка L : E (L)и магн. мультиполя порядка L-1 : M(L-1). В частности, при спинах промежуточных состояний ядер, равных 0 или ¹/₂, угл. корреляция отсутствует, т. е. (см. Угловые распределения и угловые корреляции). Однако по угл. -корреляции нельзя отличить чисто электрич. переход от магнитного. Чтобы сделать это, надо знать чётности состояний, между к-рыми происходит переход.

Если исследуемые ядра находятся в магн. или неоднородном электрич. полях, то корреляционная картина искажается; происходит возмущение интегральной угл. корреляции. В случае магн. поля, перпендикулярного плоскости распространения наблюдаемых -квантов, это возмущение проявляется в повороте корреляционной картины на угол

Здесь - магн. момент ядра, I- спин в возбуждённом состоянии, H - напряжённость магн. поля. Ф-ла (2) справедлива для . Поворот сопровождается ослаблением анизотропии этой картины. Действие неоднородного электрич. поля сказывается лишь в ослаблении анизотропии корреляц. картины без её поворота. Степень этого ослабления зависит от произведения квадруполъного электрического момента ядра на градиент напряжённости электрич. поля. Аналогичные эффекты могут наблюдаться и при исследованиях возмущённых угл. распределений резонансно рассеянных -квантов и -квантов, испускаемых ядрами после кулоновского возбуждения.

Если время жизни ядер в промежуточном возбуждённом состоянии больше разрешающего времени схемы совпадений, то может быть измерена дифференц. по времени угл. -корреляция. Соответствующий эксперимент состоит в измерении числа -совпадений при фиксированном угле разлёта -квантов в зависимости от промежутка времени между регистрацией первого и второго квантов [1].

Хотя исследование невозмущённых угл. корреляций даёт возможность измерять параметры смешивания мультиполей в ядерных переходах, однако чаще для изучения мультипольности -переходов используют процесс внутр. конверсии гамма-лучей (см. Конверсия внутренняя). Измеряя абс. величины коэф. внутренней конверсии или (что в ряде случаев может быть проще) отношения коэф. внутренней конверсии -лучей на разных электронных оболочках и подоболочках атомов, можно определить мультипольности соответствующих переходов, сравнивая измеренные величины с теоретически вычисленными табулированными значениями [2].

Чётности состояний ядер определяют по зависимости степени линейной поляризации -лучей от угла между направлениями их вылета [1]. Для измерения линейной поляризации можно использовать зависимость дифференц. сечения комптоновского рассеяния -квантов от угла между плоскостью рассеяния и плоскостью поляризации первичного пучка -квантов [3]. Комптоновские поляриметры обычно состоят из двух детекторов, в первом из к-рых происходит акт комптоновского рассеяния, а во втором (включённом в схему совпадений с первым) регистрируется рассеянный -квант. Азимутальная анизотропия рассеянного -излучения определяется поляризацией исходного излучения.

Простейший комптоновский поляриметр [4] представляет собой полупроводниковый детектор в виде тонкой плоскопараллельной пластинки (рис.). Пучок исследуемых -лучей направляется на узкую грань пластинки. Если плоскость пластинки перпендикулярна плоскости поляризации -лучей (в плоскости поляризации лежит электрич. вектор E электромагн. волны), то число отсчётов в пике полного поглощения будет максимально возможным, т. к. сечение комптоновского рассеяния максимально для направления, перпендикулярного плоскости поляризации первичных -лучей, и при данном расположении пластинки вероятность поглощения рассеянного кванта в веществе детектора гораздо больше, чем в случае, когда пластинка повёрнута на 90° относительно рассматриваемого положения. В последнем случае комптоновски рассеянные -кванты будут с большой вероятностью вылетать из детектора через широкую грань. Такой детектор особенно удобен для качественных опытов по определению положения плоскости поляризации.

Схема действия полупроводникового-поляриметра: S-источник линейно поляризованных -лучей; ОО'- ось пучка -квантов. Стрелками обозначена плоскость поляризации (E). Первичный -квант попадает в детектор вблизи точки В и испытывает комптоновское рассеяние в точке А. Наиболее вероятное положение плоскости рассеяния, в которой движется рассеянный квант , перпендикулярно плоскости поляризации первичных фотонов. Поглощение рассеянного кванта в детекторе наиболее вероятно, когда пластинка находится в положении I, и наименее вероятно в положении II.

Для измерения циркулярной поляризации -лучей в большинстве случаев применяются два метода: исследуемое -излучение пропускается сквозь намагниченный ферромагнитный фильтр и измеряется зависимость интенсивности прошедшего излучения от направления намагниченности фильтра; изучается зависимость интенсивности комптоновского рассеяния -лучей намагниченным ферромагнитным веществом от направления намагниченности рассеивателя [5]. С помощью измерений угл. -корреляций при одновременном определении циркулярной поляризации -лучей выполнено большое число работ по изучению несохранения пространственной чётности в слабых взаимодействиях [5]. Опыты по измерению циркулярной поляризации -лучей, испускаемых возбуждёнными неполяризованными ядрами [6], подтвердили полученные ранее др. методами выводы о существовании малой примеси несохраняющего пространственную чётность потенциала к ядерным взаимодействиям.

Ширины Г ядерных уровней связаны со ср. временами т жизни ядер в возбуждённых состояниях. Наиб. распространёнными способами определения ширин являются измерение полных сечений процессов кулоновского возбуждения ядер ускоренными протонами, He⁺ или многозарядными ионами более тяжёлых элементов [7], а также измерение полных сечений резонансного поглощения и резонансного рассеяния -лучей [8]. С этими сечениями ширины уровней связаны сравнительно простыми соотношениями. Cp. время жизни ядер в возбуждённом состоянии можно определить, непосредственно измеряя временной ход высвечивания возбуждённых ядер. Для этого применяются два включённых в схему совпадений детектора, один из к-рых регистрирует излучение, предшествующее образованию исследуемого возбуждённого состояния (, или -излучение или электрон внутр. конверсии -лучей), а второй - -квант (или конверсионный электрон), посредством испускания к-рого происходит распад возбуждённого состояния. Измеряется зависимость числа совпадений от времени задержки между приходом сигналов от первого и второго детекторов. Эта зависимость даётся экспоненциальным законом:

(I₀ - число совпадений в единицу времени при нулевой задержке). Сравнение ф-лы (3) с экспериментом позволяет найти , а значит, и Г.

Лит.: 1)Фрауэнфельдер Г., Стеффен Р., Угловые корреляции, в кн.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., в. 3, M., 1969; 2) Слив Л. А., Банд И. M., Таблицы коэффициентов внутренней конверсии g-излучения на К- и L-оболочках, в кн.: Гамма-лучи, M.- Л., 1961; [То же на М-оболочке], там же, с. 464; 3) Методы определения основных характеристик атомных ядер и элементарных частиц, сост--ред. Л--К--Л. Юан, By Цзянь-сюн, пер. с англ., M., 1965, с. 165-70; 4) Owen G. E., Lее J. К., Gamma ray polarimeters with Ge-Li-detectors, ''Nucl. Instr. and Meth'', 1970, v. 82, p. 173; 5) Schopper H., Measurement of circular polarization of g-rays, "Nucl. Instr.", 1958, v. 3, p. 158; 6) Абов Ю. Г., Крупчицкий П. А., Нарушение пространственной четности в ядерных взаимодействиях, "УФН", 1976, т. 118, с. 141; 7) Изучение структуры ядра при кулоновском возбуждении ионами, в кн.: Деформация атомных ядер, пер. с англ., M., 1958; 8) Джелепов Б. С., Резонансное рассеяние g-лучей на ядрах, "УФН", 1957, т. 62, с. 3; 9) Эстулин И. В., Петушков А. А., Круговая поляризация g-квантов, испускаемых атомными ядрами вслед за b-распадом, там же, 1964, т. 82, с. 253. А. В. Давыдов.

   <<      Предметный указатель      >>