Бета-спектрометр, прибор, служащий для анализа бета-спектров (см. Бета-распад). Бета-спектрометр применяют также для исследования энергетического спектра g-лучей по создаваемым ими в веществе вторичным электронам (см. Гамма-спектрометр).

Основными характеристиками Бета-спектрометр 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 Бета-спектрометр зависит от их конструкции и обычно составляет от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов. Разрешающей способностью Бета-спектрометр называется наименьшее различие в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, которое может быть замечено прибором. Разрешающая способность прецизионных Бета-спектрометр достигает 0,01%. Как правило, приборы с лучшей разрешающей способностью обладают меньшей светосилой.

  Различают Бета-спектрометр, измеряющие энергию электронов по их воздействию на вещество, и Бета-спектрометр, действие которых основано на пространственном разделении электронов и позитронов, имеющих различную энергию. К приборам первого типа относятся Бета-спектрометр, 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 Бета-спектрометр, в которых используются магнитные или электрические (для медленных электронов) поля. Обычно под Бета-спектрометр понимают приборы второго типа.

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

  Наиболее просты по устройству (и дают наилучшее разрешение) Бета-спектрометр с поперечным магнитным полем (предложены польским физиком Я. Данышем в 1912). В этих Бета-спектрометр 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)

Схема устройства b-спектрометра с секторной фокусировкой. Силовые линии поля перпендикулярны плоскости рисунка.

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 Бета-спектрометр 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 Бета-спектрометр проходят внутри вакуумной камеры (вакуум порядка 10^-1 — 10^-3 мм рт. ст.).

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

Существенным свойством Бета-спектрометр 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 Бета-спектрометр (предложены Н. Свартхольмом и К. Сигбаном, Швеция, 1946), у которых магнитная индукция В спадает по радиусу r по формуле:

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

 

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

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

  Бета-спектрометр с продольным магнитным полем обладают свойством пространственной фокусировки. В Бета-спектрометр 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 Бета-спектрометр с длинной магнитной линзой. Нередко применяют также приборы, у которых источник и детектор расположены вне соленоида (в направлении его оси). Их называют Бета-спектрометр с короткой магнитной линзой.

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).

  Широко распространены Бета-спектрометр 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 Бета-спектрометр 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 Бета-спектрометр

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

 

Лит.: Альфа-, бетаи 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.