2. Источники быстрых электронов
2.1. Бета распад
Наиболее простой для измерений источник быстрых электронов это радиоизотоп, которому присущ бета-минус распад. Схематически процесс можно описать так
(1-4)
где X
и Y
– начальное и конечное ядро, и
антинейтрино.
Из-за того, что нейтрино и антинейтрино
очень слабо взаимодействуют с веществом,
то нет смысла выявлять их в практических
целях. Отдача ядра Y
сопровождается очень малой энергией
отдачи, которая обычно ниже порога
ионизации, и поэтому она не может быть
определена обычными методами. Таким
образом, при бета распаде генерируется
единственное значительное ионизирующее
излучение, это быстрые электроны или
сами бета частицы.
Из-за того, что большинство радионуклидов получающихся путем бомбардировки стабильных веществ нейтронами, являются бета радиоактивными, большой ассортимент соответствующих бета излучателей изготовляются через реакторный поток. Могут быть получены разновидности с различными периодами полураспада, начиная с тысяч лет до таких коротких периодов полураспада, которые могут применяться на практике. Для многих распространенных бета источников характерным является то, что большинство бета распадов сопровождается образованием ядра в возбужденном состоянии, в результате происходит дальнейшее излучение релаксационного гамма кванта и образование бета частиц. Некоторые образцы нуклидов, которые распадаются напрямую с образованием основного состояния продукта, называются «чистыми бета излучателями», они представлены в таблице 1.1.
Каждый конкретный переход при бета распаде характеризуется фиксированной энергией распада (Q-энергетический выход). Поскольку энергия отдачи ядра практически нулевая, энергия распада делится между
бета частицей и «невидимым» нейтрино. Бета частица соответственно возникает с энергией, которая изменяется от распада к распаду, и может изменяться от нуля до «граничной энергии бета частицы», которая равна Q. Характерный энергетический спектр бета частиц изображен на рис. 1.1. Q для данного распада обычно приводится при условии, что переход осуществляется между основными состояниями материнского и дочернего ядер. Если переход включает возбужденное состояние исходного или дочернего ядра, граничная энергия соответствующего бета спектра изменится в зависимости от энергий возбужденных состояний. Если в некоторых схемах распада присутствует несколько возбужденных состояний, измеренный спектр бета частицы будет состоять из нескольких компонент с разными граничными энергиями.
Рис. 1.1. Схема распада 36Сl и результирующее распределение энергии бета частицы
2.2. Внутренняя конверсия
Сплошной спектр энергий, полученный от источника бета излучения, не всегда имеет широкое применение. Например, если необходимо выполнить калибровку детектора электронов по энергии, то гораздо более удобно использовать моноэнергетический источник электронов. Ядерный процесс внутренней конверсии может быть источником конверсионных электронов, которые, за исключением некоторых обстоятельств, приближенно являются моноэнергетическими.
Процесс внутренней конверсии начинается с возбуждения ядра, которому предшествует процесс – часто бета распад исходного изотопа. Распространенный способ снятия возбуждения - через излучение гамма кванта. Для некоторых возбужденных состояний гамма излучение может быть запрещенным, и альтернатива внутренней конверсии становится очень важной. Здесь энергия ядерного возбуждения Еех напрямую передается одному из орбитальных электронов в атоме. Этот электрон получает энергию, равную
Ее-=Еех-Еb (1-5)
где Еb – энергия связи электрона в исходной электронной оболочке.
Пример спектра конверсионных электронов изображен на рис. 1.2. Так как конверсионные электроны могут возникать из числа электронов с разных оболочек в атоме, единственный уровень ядерного возбуждения приводит к образованию нескольких групп электронов с разными энергиями. Спектр может быть довольно сложным в тех случаях, когда преобразуется более чем одно возбужденное состояние в ядре. Более того, энергетический спектр электронов может накладываться на сплошной спектр бета частиц исходного ядра, которые приводят к возбужденному состоянию. Несмотря на эти недостатки, конверсионные электроны единственный реализуемый на практике лабораторный источник моноэнергетических электронов с высоким диапазоном энергии от КэВ до МэВ. Несколько используемых радиоизотопных источников конверсионных электронов сведены в табл.1.2.
2.3. Оже-электроны
Оже-электроны приблизительный аналог внутренней конверсии электронов, в том случае если возбуждается атом, а не ядро. Предшествующий процесс (например, захват электрона) может оставить вакансию в заполненной электронной оболочке. Эта вакансия часто заполняется электроном с высших оболочек атома, процесс сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Как альтернатива, энергия возбуждения атома может быть передана одному из электронов на более высоких уровнях, если ее достаточно он вылетает из атома. Этот электрон называется Оже-электроном, его энергия это разница энергии исходного возбужденного состояния атома и энергии связи электрона с оболочкой, которую он покидает. Поэтому Оже-электроны образуют дискретный энергетический спектр, каждая линия спектра соответствует различным
Рис. 1.2 Спектр конверсионных электронов в 113mIn, изомерный уровень 393 кэВ
группам электронов с различными начальными и конечными энергиями. Во всех случаях, что касается их энергии, то она ниже по сравнению с бета частицами или конверсионными электронами, в частности потому что испускание Оже-электрона возможно преимущественно только для элементов с малым атомным номером, т.к в атомах с ядрами данных элементов энергии связи электрона являются небольшими. Характерные Оже-электроны с начальной энергией в несколько КэВ являются резко выраженным предметом для самопоглощения внутри источника. Они легко останавливаются даже очень тонкими оболочками или входными окнами детекторов.
