Измерение энергии заряженных частиц с помощью магнитных спектрометров

Магнитный спектрометр – вакуумный прибор, в котором заряженные частицы проходят в магнитном поле определенной конфигурации, по-разному отклоняясь в нем в зависимости от величины их импульса и заряда. В результате происходит разложение пучка заряженных частиц по импульсам. Это и дает возможность изучать энергетический спектр частиц. В магнитных спектрометрах обычно используют фокусирующее свойство магнитного поля, что позволяет частицам с одинаковыми энергиями, выходящими из источника в пределах довольно большого телесного угла, собираться в небольшой области, где размещают подходящий детектор. Магнитные спектрометры бывают самых разнообразных типов. Для удобства описания их устройств и основных характе­ристик разделим все спектрометры на две большие группы:

• спектрометры с поперечным магнитным полем, в которых траектории заряженных частиц лежат в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля,

• спектрометры с продольным магнитным полем, в которых заряженные частицы перемещаются главным образом вдоль силовых линий магнитного поля.

Точность измерения энергии заряженной частицы по ее траектории определяется точностью измерения ρ:

При β ≈ 0, т.е. для частиц, кинетическая энергия которых Е << М₀с², ∆Е/Е = 2∆ρ/ρ, а при β ≈ 1, т.е. для Е >> М₀с², ∆Е/Е = ∆ρ/ρ. В дальнейшем при оценке энергетических разрешений для всех спектрометров примем ∆Е/Е = ∆ρ/ρ. Как уже отмечалось, за меру энергетического разрешения принимают отношение ширины распределения на половине высоты к среднему значению этого распределения. Поэтому величину ∆ρ будем считать равной ширине распределения измеренных значений ρ на половине его высоты.

В магнитных спектрометрах измеряемой величиной редко бывает радиус кривизны траектории, гораздо чаще это координата какой-либо точки траектории х, которую можно связать с радиусом кривизны ρ = f(х). В этом случае энергетическое разрешение:

,

где ∆х – ширина измеренного распределения при данной энергии заряженных частиц на половине высоты.

Важной характеристикой магнитных спектрометров является их светосила, которая определяется отношением числа отсчетов в максимуме распределения к числу испущенных источником заряженных частиц.

Соотношение между светосилой и энергетическим разрешением определяет область применения магнитных спектрометров. Идеальным спектрометром был бы такой, форма поля которого обеспечивала бы фокусировку заряженных частиц, вышедших из источника с одной энергией и по разным направлениям, в область с размерами порядка или меньше размеров источника. Это соответствовало бы полной фокусировке. В магнитных же спектрометрах получается неполная фокусировка.

Магнитные методы спектрометрии позволяют производить абсолютные измерения энергий заряженных частиц с высокой точностью. С этой точки зрения наименьшие погрешности получают в спектрометрах с однородным магнитным полем. Чтобы измерить абсолютную величину энергии частицы в спектрометре с полукруговой фокусировкой, необходимы абсолютные измерения расстояния между правыми краями источника и его изображения, т.е. абсолютное измерение 2ρ, абсолютные измерения величины магнитного поля. При этом предполагается, что магнитное поле с достаточной степенью точности постоянно на всем протяжении орбиты частицы и не изменяется в процессе измерений. Поле в спектрометре можно определить с точностью 10^-2...10^-3% (например, методом ядерного резонанса). Величину 2ρ можно измерить, по крайней мере, с точностью не хуже, чем х₀/2ρ; в прецизионных спектрометрах х₀/2ρ 10^-3. Погрешности при абсо­лютных измерениях энергий связаны также с неоднородностью магнитного поля, с качеством источников (последнее особенно существенно при определении энергий тяжелых заряженных частиц), а также с неопределенностью в величинах физических констант: скорости света (10^-4 %) заряда электрона (1^.10^-3%), массы частицы (3^.10^-3% для электрона).

Хорошей иллюстрацией абсолютных измерений энергий с помощью магнитных спектрометров являются абсолютные измерения энергий -частиц.