Магнитные спектрометры для b- и a-спектрометрии

Принципы работы магнитных спектрометров и их основные характеристики позволяют оценить их относительные достоинства. Для достижения очень высоких энергетических разрешений при сравнительно большой светосиле наиболее пригодны спектрометры с продольным однородным магнитным полем при условии использования источников очень малых размеров или при условии изготовления спектрометров больших размеров. В случае, 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 -частиц, сопровождающих распад тяжелых ядер, применяют обычно спектрометры с поперечным магнитным полем с фокусировкой в двух направлениях. Это наиболее эффективные для -спектрометрии приборы при проведении исследований с высокой разрешающей способностью, поскольку в них, при прочих равных условиях, источник может иметь наибольшую площадь. Источники -частиц должны иметь сравнительно малые толщины и получить источники большой активности можно лишь за счет увеличения их площади. Это обстоятельство имеет решающее значение при исследовании -радиоактивных ядер. Действительно, если период полураспада тяжелого ядра около 10⁵ 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^.10³ а·частица/с. При светосиле спектрометра около 10^-4 на фотопластинку будет попадать в среднем 0,5 частица/с. 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 -спектрометрии, как правило, используют фотографический метод регистрации частиц, поэтому одновременно можно измерить -частицы в диапазоне энергий ±100…250 кэВ.

При использовании больших магнитов с полем порядка 10000 Гс и радиусами 30…50 см можно исследовать спектры практически всех естественных -излучателей. Такие магниты оказываются весьма громоздкими, и их вес исчисляется тоннами и десятками тонн. Лучшие спектрометры позволяют получить спектры -частиц с шириной линии на полувысоте около 7 кэВ при светосиле примерно 2·10^-4, что позволяет при относительных измерениях определять отношения: энергий -частиц с точностью 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. Для -частиц с энергией 5 МэВ длина соленоида при 5000 а·вит/см достигает 400 см. Длину спектрометра для -частиц можно значительно уменьшить, если выбрать углы а близкие к π/2, однако при этом характеристики спектрометра будут крайне невыгодны.

Исследование спектров -частиц проводят со спектрометрами как с поперечным, так и с продольным магнитным полем. Особенно широко применяют спектрометры с неоднородным продольным магнитным полем, что связано с относительно простой конструкцией этих приборов и высокой светосилой при энергетических разрешениях около 1%.

Выбор спектрометров при проведении измерений -спектров обусловлен условиями измерений. Так, при большой удельной активности -источников и необходимости иметь η ≈ 0,2% более выгодны спектрометры с однородным продольным полем и кольцевым фокусом. При низких удельных активностях и тех же требованиях к энергетическому разрешению преимущества на стороне спектрометров с двойной фокусировкой в поперечном поле, так как в последнем случае допустимы большие площади источников при одинаковых η.

В табл. 11.1 показаны энергетические разрешения и светосила различных методов спектрометрии заряженных частиц.

Таблица 11.1. Характеристики различных спектрометров заряженных частиц

Спектрометры	Заряженная частица	ΔЕ/Е, %	L
Ионизационные камеры	α	0,7	0,5…1
Сцинтилляционные спектрометры	β (~1 МэВ) α (~5 МэВ)	5	0,5
Полупроводниковые спектрометры	α (~5 МэВ) β (~1 МэВ)	0,3 0,2	~0,5 ~0,5
Магнитные спектрометры с поперечным неоднородным полем	α (~7 МэВ) β	0,1 0,1	2·10-4 2·10-4
Магнитные спектрометры с продольным однородным полем	β	0,4	2·10-2
Магнитные спектрометры с тонкой магнитной линзой	β	2,5	5·10-2