книги из ГПНТБ / Прямые реакции и изомерные переходы

Г л а в а III

МНОГОУГЛОВОЙ МАГНИТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОДУКТОВ ЯДЕРНЫХ

шое значение в ядерной спектроскопии в связи с успехами теории прямых ядерных реакций. Однако высокая плотность уровней возбуждения у большинства исследуемых ядер за исключением самых легких заставляет изучать энергетические спектры продук­ тов реакций с большой разрешающей способностью, которая мо­ жет быть достигнута лишь методами отклонения частиц в стаби­ лизированных электростатических и магнитных полях.

Поскольку диапазон применения электростатических анализа­ торов ограничивается областью энергий частиц — 1 Мэв, то наи­ больший интерес для целей ядерной спектроскопии представляет, использование магнитных анализаторов.

Так же, как в а- и ß-спектроскопии, возможности конкретного типа магнитного анализатора продуктов ядерных реакций опреде­

Очень важно, чтобы м,атнитный анализатор продуктов ядерных реакций мог производить регистрацию возможно большей части спектра вторичных частиц при разных углах по отношению к пер­ вичному пучку.

Значительную роль при изучении структуры уровней ядер сыграли прецизионные магнитные спектрометры, в которых при­ менение неоднородного магнитного поля позволяет фокусировать частицы в двух направлениях. Спектрометры имеют высокое раз­ решение (АЕ~/Е = 0Л—0,4%) при сравнительно больших телесных углах (й = 3 — 6 - Ю - 3 стер). Принципы построения таких спектро­ метров применительно к задачам ß-спектроскопии подробно из­ ложены в [3].

Серьезным недостатком спектрометров, используемых для изу­ чения ядерных реакций, является необходимость многократного

111

повторения опыта при различных значениях напряженности маг­ нитного поля и угла вылета вторичных частиц. Помимо больших затрат времени, это приводит к неизбежным ошибкам измерении, вызванным неконтролируемыми изменениями мишени и интенсив­ ности пучка от опыта к опыту, нелинейной зависимостью между полем и током магнита и т. д. Эти недостатки особенно ощутимы

Поэтому целесообразнее использовать магнитные анализаторы,

с электростатическими генераторами в области энергий до 10 Мэв. Электростатические генераторы обеспечивают высокую моноэнергетичность пучка (АЕ/Е^. 10~4 ), что позволяет изучать высоко­ возбужденные состояния ядра. Так, Бюхнер и его сотрудники, ис­ следуя легкие элементы [58], возбудили и разрешили многие уров­ ни, лежащие в диапазоне нескольких мегаэлектронвольт. Энергия первичных частиц в их работах составляла 8 Мэв, а разрешение — 8 кэв. Однако сейчас становится ясно, что для изучения более вы­ соких возбужденных состояний и для работы с более тяжелыми

Наряду с одноканальными магнитными спектрографами появи­ лись и многоканальные, на которых одновременно снимаются энер­ гетические спектры продуктов реакций под многими углами отно­ сительно направления первичного пучка. Существенное увеличение эффективности регистрации частиц при этом позволяет уменьшить размеры щелей и толщину мишеней, улучшив тем самым разре­ шение. Таких уникальных приборов в мире пока единицы; извест­

прочно вошли в арсенал высокопрецизионных методов исследова­ ния в ядерной физике и, в частности, для изучения ядерных реак­

312

спектроскопии тяжелых заряженных продуктов. Впервые описан Данишем [51].

Б. Широкодиапазонный магнитный спектрограф, построенный Брауном и Бюхнером [44] (рис. 24/5).

Рис. 24. Геометрия магнитных спектрографов.

В.Широкодиапазонный спектрограф, предложенный Фаулером. Первое упоминание об этом спектрографе появилось в краткой

Д. Магнитный спектрограф ИЯФ АН УзССР. В этом спектро­ графе используется ионная оптика, предложенная впервые Китагаки [76] и, по-видимому, независимо от него, Лейзи [80] (рис. 2АД).

Рассмотрим некоторые характеристики спектрографов. Аберрации, Пусть в секторе с однородным полем в точке Si

(рис. 25а) расположен источник заряженных частиц. Осевая тра­ ектория пучка составляет с нормалью к границе сектора угол е ь Внутри сектора осевая траектория является частью дуги окруж­ ности радиуса R. Центральный луч покидает однородное магнитное поле под углом ег. Максимальное отклонение падающих лучей от центрального равно ±Дві на входе и ±Дег на выходе. Частицы, из источника Si фокусируются в точке 5г.

Условием фокусировки первого порядка является равенство, нулю члена, пропорционального Деі, в разложении в ряд величины,

114

Рис . 25. К определению характеристик спектрографов

а—аберраций; б—дисперсий; в—фокусировки первого порядка; г—фокусиро­ вки второго порядка; д и г—распределения интенснвностей для фокусиров­

ки первого и второго порядков соответственно.

ным радиусом получается с некоторым ухудшением разрешения для других точек фокальной линии.

В спектрографе Г несколько меньшие аберрации, чем в Б, за исключением малой области вокруг номинального радиуса. Наи-

-Х-Х-Г; -Д):

а—аберрации; б - ф в к т о р дисперсии; в—разрешение; г - влияние ыишенн; о—увеличение; «—те­ лесные углы.

меньшими геометрическими аберрациями, связанными с входной апертурой, обладают спектрографы В и Д.

Фокальная линия. Одним из основных достоинств магнитных спектрографов является их способность фокусировать отдельные группы частиц разных импульсов в точки, которые могут быть сое-

П 7

динены между собой так называемой фокальной линией. Вдоль фокальной линии могут располагаться детекторы для регистрации частиц. Если детекторами служат фотопластинки, предпочтительна прямая или фокальная линия малой кривизны. Как правило, участ­ ки фокальных линий в спектрографах ограничиваются либо гео­ метрией спектрографа, либо практическими соображениями. Очень часто возникает необходимость иметь широкую область регистри­ руемых одновременно импульсов частиц. В этом случае спектро­ графы можно сравнивать по отношению радиусов £=/?Макс/Ампні соответствующих максимальным и минимальным значениям им­ пульсов. Квадрат этого отношения (для нерелятивистских частиц) дает область изменения энергии от £М акс до £міщ.

В спектрографе Брауна и Бюхнера (Б) фокальная линия пред­ ставляет собой гиперболу [44], вогнутую в сторону магнитного поля:

(ЗА:—4Г)2 —Зу2 =4г.

Теоретически возможна область радиусов траекторий 0,58<г<1,7, ко толщина ядерной эмульсии и дисперсия для больших R огра­

Фмакс=19°28'15/ / .

Фокальная линия для спектрографа Г дается как зависимость

(Ш.4) Для этого спектрографа из условия минимальных аберраций и возможной фокусировки в вертикальной плоскости за счет крае: вого'подя на входе магнита получены следующие константы:

еі='350 ; 82 =—36,3°; Q = 108,7°; Ф = Q—віЧ-82 = 110°.

118

В спектрографе Д фокальной линией является прямая, прохо­ дящая через начало координат (точка Si на рис. 24) под уг-

.лом ф к оси X.

Выражение для фокальной прямой спектрографа Д получается из ( I I I . 2), когда источник Si расположен на границе магнита, т. е. / і = 0 и

sin Е cos В

У 2 - 1 +5ІП2 £ *2.

При е = —35°15'5І" и cp=19°28'15" имеет место фокусировка второго порядка. Длина фокальной линии ограничивается только

£> = 2#cose(l + 3 s i n 2 е)'/..

постоянен и невелик. Для спектрографа £ изменение дисперсии с повышением энергии приблизительно в три раза больше, чем для других спектрографов.

Разрешение. Разрешение по импульсам для группы частиц, фокусирующихся на фокальную линию определяется как

Энергетическое разрешение для нерелятивистских частиц рав­ но двойному разрешению по импульсам.

Разрешающая способность, получаемая в спектрографе, зави­ сит от таких факторов, как энергетическая однородность анали­ зируемых групп частиц, толщина мишени или источника и ряда •других причин. Отметим влияние аберраций и толщины мишени.

119