Глава 8. Кристалл-дифракционные спектрометры

Первые исследования ядерного -излучения прямым методом дифракции на кристалле принадлежат Резерфорду и Андраде. Они измеряли длину волны -излучения RaB и RaC, используя тонкую пластинку кристалла в положении пропускания. Схема опыта приведена на рис. 8.1. Наименьшая длина волны, измерения ими, была около 70 нм. Эти ранние попытки измерения коротких длин волн, были сделаны с малой разрешающей способностью и низкой точностью. Измерения при малых углах дифракции проводились на относительно большом фоне прямого и диффузно рассеянного излучения. Кроме того, из-за малого пропускания и слабых источников, имеющихся в наличии, экспозиция фотографирования часто была чрезмерно велика.

Рис. 8.1. Метод Резерфорда и Андраде

Улучшенную геометрию предложила Кошуа. Она регистрировала рентгеновское излучение, испускаемое протяженными источниками различных радиоактивных изотопов, дифрагированное после прохождения через изогнутый кристалл. На спектрометре Кошуа дифрагированные лучи фокусировались на фотопластинку.

Основной успех в измерении -излучения кристалл-дифракционным методом был сделан в 1947 г. в связи с постройкой спектрометра Дюмонда с двухметровым радиусом изгиба применяемого кристалла. В этом спектрометре источник -излучения помещается на фокальной окружности изогнутого кристалла и излучение после дифракции кристаллом регистрируется широким детектором. Этот спектрометр является скорее монохроматором для различных длин волн, нежели спектрометром, так как наблюдение в отдельном измерении производятся лишь при одной длине волны. Источник перемещается по фокальной окружности в последовательные положения, соответствующие различным длинам волн, а интенсивность дифрагированного после прохождения через кристалл излучения регистрируется как функция этого положения. Абсолютная эффективность этого спектрометра значительно больше соответствующей величины для спектрометра Кошуа. Кроме того, геометрия измерения очень хорошо пригодна для конструирования коллиматора, представляющего эффективную систему пластин (щели Соллера), который при малых дифракционных углах защищает детектор -излучения от прямой и рассеянной радиации.

Теория кристалл-дифракционных спектрометров

Используется много типов кристаллических спектрометров, каждый для соответствующего вида измерения. Тем не менее, все они имеют общие характеристики. Кристалл-дифракционная спектроскопия имеет дело с дифракцией излучения от отдельных кристаллов и определением энергий и интенсивностей падающих - и рентгеновского излучений в зависимости от углового распределения дифрагированного излучения. Представляет интерес только то падающее на кристалл излучение, которое подвергается упругому рассеянию электронным облаком, окружающим каждое ядро. Можно показать, что плоская волна электромагнитного излучения, упруго рассеянная отдельной, атомной плоскостью, сохраняет фазу, если угол падения равен углу рассеяния (отражения). Однако излучение, отраженное рядом параллельных атомных плоскостей с межплоскостным расстоянием d_H, сохраняет фазу только при определенных углах падения 90-_Б, где _Б определяется условием Брэгга:

п = 2d_H sin_Б. (8.1)

Здесь  – длина волны излучения, п – порядок дифракции, d_H – межплоскостное расстояние.

Дифракционный угол Брэгга соответствует в первом приближении направлению максимальной интенсивности дифракционной линии. Обычно, однако, угол рассеяния, вычисленный из уравнения (8.1), не обязательно совпадает с пиком линии. Длина волны излучения слегка изменяется при входе в кристалл. Это ведет к тому, что направление распространения лучей внутри кристалла изменяется и до известной степени зависит от угла падения. Выражение (8.1) связывает длину волны излучения и дифракционный угол внутри кристалла. Если -излучение пропущено и дифрагировано кристаллической пластинкой с отражающими плоскостями, перпендикулярными входной и выходной поверхностям, преломление на поверхности кристалла таково, что выражение применимо к длинам волн и соответствующим дифракционным углам как внутри, так и вне кристалла. Почти во всех кристаллических спектрометрах, работающих на пропускание, используют кристаллические пластины с вышеуказанным расположением плоскостей. Для них уравнение (8.1) связывает длину волны -излучения  и брэгговский угол дифракции с точностью, большей 110^–5.

Относительное сравнение длин волн производится при помощи условия (1). Для определения абсолютной длины волн необходимо, кроме того, знать расстояние между плоскостями кристалла d_Н .

Испущенные возбужденными ядрами -кванты как ядерные переходы лучше классифицируются в энергетических единицах, чем в единицах длин волн. Абсолютное значение длины волны  и энергия Е связаны соотношением

Е=(12,39804  0,00012) МэвмА^. (8.2)

Для энергий -излучения больше 100 кэв дифракционный угол _Б мал (обычно меньше 3^). Для таких малых углов энергия -излучения почти обратно пропорциональна дифракционному углу. Поэтому с помощью выражений (8.1) и (8.2), даже не зная переводного коэффициента в выражении (8.2), можно с большой точностью сравнивать -излучения.

а) б) в)

Рис. 8.2. Способы увеличения эффективности пропускания спектрометров

Хорошая разрешающая способность спектрометра означает наличие узкой дифракционной линии. В простых спектрометрах ширину линии уменьшают ограничением размеров источника и диафрагмы. Таким образом, если пучок -излучения ограничен, то спектрометр имеет низкую эффективность пропускания. Чтобы улучшить разрешающую способность, необходимо уменьшить эффективность пропускания. Простой спектрометр практичен только тогда, когда применяются источники с высокой удельной активностью. Но его можно улучшить и другими путями.

Пик скорости счета дифрагированного пучка -излучения можно увеличить в N раз без значительного снижения разрешающей способности спектрометра. Наиболее прямой способ – увеличение ширины источника и кристалла в N раз. При этом направление падающего пучка определяет N-щелевой коллиматор (рис. 8.2, а).

Другой способ увеличения скорости счета в  раз – увеличение эффективности пропускания спектрометра. Это достигается увеличением ширины дифракционного кристалла благодаря применению  маленьких кристаллов, причем каждый из них ориентирован так, что перпендикуляр к его отражающим плоскостям является касательной к цилиндру, ось которого происходит через источник (см. рис. 8.2.б). Плоскости кристалла могут быть ориентированы и ограничены прямыми, параллельными оси цилиндра.

Третий способ увеличения скорости счета простого спектрометра заключается в увеличении ширины источника и кристалла в  раз, как было сделано для спектрометра с одним кристаллом. Кроме того, в расположении блока кристаллов на фокусирующем цилиндре, как показано на рис. 8.2,в. Этот тип спектрометра в геометрии Кошуа имеет приблизительно такую же скорость счета, что и спектрометр с одним плоским кристаллом. В этом спектрометре монохроматические -кванты концентрируются на линии. Наиболее важной характеристикой такой геометрии является то, что -излучение различных длин волн дифрагирует на изогнутом кристалле и фокусируется одновременно в различных точках фокальной кривой. Такой спектр -излучения обычно регистрируется фотографическим путем.

В другом типе дифракционного спектрометра используется два плоских кристалла. Этот спектрометр является развитием спектрометра с одним плоским кристаллом, но имеет лучшую разрешающую способность за счет несколько меньшей эффективности. Отраженное первым кристаллом -излучение снова отражается вторым кристаллом и регистрируется детектором с широким окном. Эффективность пропускания спектрометра с двойным кристаллом меньше аналогичной величины спектрометра с одним кристаллом.

Отличительная черта спектрометра с двумя кристаллами – высокое разрешение, которое примерно в десять раз выше, чем для других рассмотренных типов.