Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
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
абсолютное значение энергии частицы в спектрометре с полукруговой фокусировкой, необходимы абсолютные измерения расстояния между правыми краями источника и его изображения, т. е. абсолютное измерение 2р, абсолютные измерения напряженности 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 погрешностью Ю-2 —10_3% (например, методом ядерного резонанса). Величину 2р можно измерить, по крайней мере, с точностью не хуже, чем лг0/2р; в прецизионных спектрометрах лг0/2р ? 10~3. Погрешности при абсолютных измерениях энергий связаны также с неоднородностью магнитного поля, с качеством источников (последнее особенно существенно при определении энергии тяжелых заряженных частиц), а также с неопределенностью в физических константах 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 а-частиц. Так, по данным многих измерений, проведенных с погрешностью +(2—4) кэв, установлены энергии а-частиц ThC' — 8,7801 ± 0,0041, ThC — 6,0861 ± 0,0024 и других альфа-излучателей, которые используют в качестве эталонов при проведении относительных измерений.
Рис. 11.10. Расчетная зависимость H (г) для получения минимальной сферической аберрации (сплошная линия) и для двух тонких магнитных линз (пунктирная линия)
11.4.4. Магнитные спектрометры для р- и а-спектрометрии
Изложенные выше принципы работы и основные характеристики магнитных спектрометров позволяют оценить их относительные достоинства. Для достижения высоких энергетических разрешений при сравнительно большой светосиле наиболее пригодны спектро-
362- метры с продольным однородным магнитным полем при условии использования источников очень малых размеров или при условии изготовления спектрометров больших размеров. Если необходимо использовать источники больших размеров, т. е. при малой удельной активности, более подходящими являются спектрометры с фокусировкой в двух направлениях в поперечном магнитном поле. Чтобы получить умеренные энергетические разрешения около 1%, при большой светосиле необходимо применять спектрометры с неоднородным продольным полем, т. е. спектрометры с тонкими и толстыми линзами.
Для измерения спектров а-частиц, сопровождающих распад тяжелых ядер, применяют обычно спектрометры с поперечным магнитным полем с двойной фокусировкой. Это наиболее эффективные для а-спектрометрии приборы при проведении исследований с высокой разрешающей способностью, поскольку в них, при прочих равных условиях, источник может иметь наибольшую площадь. Источники а-частиц должны иметь сравнительно малые толщины и получить источники большой активности можн<? лишь из-за увеличения их площади. Это обстоятельство имеет решающее значение при исследовании а-радиоактивных ядер. Действительно, если период полураспада тяжелого ядра около IO5 лет и измерения энергии проводятся с энергетическим разрешением 0,5%, то толщина источника не должна превышать 10 мкг/см2 и, следовательно, с 1 см2 такого источника будет испускаться в среднем 5-Ю3 а-частица/сек. При светосиле спектрометра около Ю-4 на фотопластинку будет попадать в среднем 0,5 частица/сек. Для получения изображения потребуется десятки часов экспонировать фотопластинки. Если же использовать электрический метод регистрации, то для исследования энергетического интервала всего лишь в 200 кэв потребуется около 100 замеров при фиксированных значениях напряженности магнитного поля. Время каждого измерения будет порядка 10—20 мин. В магнитных спектрометрах для а-спектрометрии, как правило, используют фотографический метод регистрации частиц, поэтому одновременно можно измерить а-частицы в диапазоне энергий ±100—250 кэв.
Для а-частиц Hp ft; I1S-IO5Vi?, где Е — энергия а-частиц, Мэв\ Hp — в э-см. При использовании больших магнитов с напряженностью магнитного поля порядка 10 000 э и радиусами 30—50 см можно исследовать спектры практически всех естественных альфа-излучателей. Такие магниты оказываются весьма громоздкими и их масса исчисляется тоннами и десятками тонн. Лучшие спектрометры позволяют получить спектры а-частиц с шириной линии на полувысоте около 7 кэв при светосиле примерно 2- Ю-4, что позволяет при относительных измерениях определять отношения энергий а-частиц с погрешностью 1—2 кэв.
Спектрометры с продольным магнитным полем не используют для измерения энергии тяжелых заряженных частиц, поскольку они должны иметь (в случае однородного поля) очень большие размеры.
363- Для а-частиц с энергией 5 Мэв длина соленоида при 5000 а-вит/см достигает 400 см [см. (11.31)]. Приведенные цифры получены для cos а = 0,8. Длину спектрометра для а-частиц можно значительно уменьшить, если выбрать углы а, близкие к л/2, однако при этом характеристики спектрометра будут крайне невыгодны, поскольку г) IL та 1 Ig cos а.
