5.5.2. Спектрометрия заряженных частиц

Заряженные частицы (электроны, позитроны, протоны, α-частицы) возникают во многих ядерных превращениях. Распределение заряженных частиц по энергиям может быть дискретным и непрерывным. Например, протондефицитные ядра с малыми и средними атомными весами, как правило, претерпевают β-распад. Спектр электронов в этом случае непрерывный. При исследованиях β-распада интересуются граничной энергией β-спектра и его формой. Граничная энергия β-спектра позволяет определить разность масс дочернего и материнского ядер, а форма β-спектра в некоторых случаях позволяет определить, например, моменты количества движения. Ядра с большими атомными весами могут претерпевать α-распад. Спектр α-частиц дискретный. Измерения энергий α-частиц дают возможность определять дефекты масс ядер, энергетические уровни возбужденных состояний ядер и другие характеристики ядер. Аналогичные характеристики ядер можно определить и при изучении спектров заряженных частиц, образующихся в (n,p)-, (п α)-, (p,p')-, (α,α ')-реакциях и т.п.

Требования к точности определения энергии заряженных частиц могут быть различными в зависимости от поставленной задачи. Рассмотрим несколько примеров.

Пусть по энергиям неупруго рассеянных протонов определяются положения возбужденных уровней ядер. В такого рода исследованиях, энергетическое разрешение не имеет смысла иметь много лучше, чем относительная ширина уровня возбужденного состояния ядра. Если энергетическое разрешение прибора

где – ширина уровня возбужденного состояния ядра; – энергия протона после неупругого рассеяния, то можно измерить и определить время жизни в этом возбужденном состоянии. Если же в эксперименте определяются только положения уровней, то энергетическое разрешение спектрометра должно быть, по крайней, мере не хуже, чем относительное расстояние между возбужденными состояниями исследуемого ядра. Однако, поскольку при исследованиях обычно есть фон, то при лучших энергетических разрешениях можно измерить с большей точностью группы моноэнергетических частиц с малой интенсивностью.

Если для измерения ширины уровня возбужденного состояния ядра при энергиях порядка нескольких мегаэлектронвольт желательно иметь энергетическое разрешение порядка 10^-3…10^-4%, то для определения положения соответствующих уровней энергетическое разрешение 10^-1–10^-2% окажется вполне достаточным.

При измерениях температуры ядер по формам спектров испускаемых частиц в какой-либо реакции требования к энергетическому разрешению приборов весьма умеренны. Для такого рода исследований вряд ли понадобятся спектрометры с энергетическим разрешением лучше нескольких процентов, а во многих случаях пригодны спектрометры с энергетическим разрешением около 10%.

В практической спектрометрии (для целей дозиметрии, защиты и др.) необходимы спектрометры с энергетическим разрешением примерно 10%.

Энергию заряженных частиц можно определять по величине пробега и по плотности ионизации. Такие измерения можно проводить с помощью трековых приборов. Кроме этого, энергию заряженных частиц можно определять и по интегральному ионизационному или сцинтилляционному эффекту с помощью ионизационных газовых или полупроводниковых детекторов или с помощью сцинтилляционных счетчиков. Наконец, и это один из самых точных абсолютных методов, энергию заряженных частиц можно определять, анализируя их траектории в магнитном поле.