Здавалка
Главная | Обратная связь

БЕТА - СПЕКТРОСКОПИЯ ЛЕКЦИЯ 12

Распад атомного ядра происходит тогда, когда ядру энергетически выгодно испустить несколько частиц. В процессе распада “избыточная” энергия выделяется в виде кинетической энергии продуктов распада.

Бета-распад - спонтанное превращение ядра (A,Z) в ядро (A,Z+1) в результате испускания лептонов (электрон и антинейтрино, позитрон и нейтрино), либо поглощения электрона атомной оболочки с испусканием нейтрино (е-захват).

В процессе β- - распада происходит превращение одного из нейтронов ядра в протон.

β- - распад

В процессах β+ - распада и е - захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон.

β+ - распад

е – захват

Т.к. масса ядра много больше масс лептонов - энергия отдачи ядра мала и выделяющуюся в результате β - распада энергию в основном уносят лептоны (электрон, электронное антинейтрино, позитрон, электронное нейтрино).

При β- и β+ - распадах образуется 3 частицы: ядро и два лептона. Вылет частиц возможен в разных направлениях и они могут иметь разные импульсы поэтому спектры энергий частиц являются непрерывными.

При е - захвате в конечном состоянии образуется 2 частицы: ядро и электронное нейтрино. Т.к. объектов всего два - они имеют одинаковый импульс и разлетаются в противоположных направлениях - распределение кинетической энергии является однозначным и спектр энергий нейтрино дискретным.

В результате β - распада конечное ядро может образовываться как в основном состоянии (Е = 0), так и в одном из возбужденных состояний (Е > 0).

 

Одним из способов снятия возбуждения в ядре является испускание γ-квантов вследствие γ-переходов из одного возбужденного состояния в другое с меньшей энергией или в основное.

 

Рис. 1. Схема β--распада ядра 55Cs137 и уровни возбуждения в ядре 56Ba137.

 

Как показано на Рис. 1, 93.5 % распадов ядра 55Cs137 происходит на уровень 11/2- ядра 56Ba137 , время жизни которого – 2.55 мин.. Такие уровни называются изомерными, а ядра находящиеся в таких долгоживущих возбужденных состояниях - изомерами.

 

Кроме испускания γ-квантов, снятие возбуждения может происходить путем непосредственной передачи энергии (Еперехода = Ei - Ef) одному из электронов атомной оболочки, в результате чего электрон покидает пределы атома. Это явление называется - внутренняя конверсия гамма-квантов.

 

Рис. 2. Диаграмма Фейнмана описывающая внутреннюю конверсию гамма-квантов.

 

Энергия электрона Ее- ,вылетевшего в результате внутренней конверсии гамма-квантов, равна энергии переданной ядром электрону Еперехода , за вычетом энергии связи электрона на атомной оболочке Eсвязи е- .

Ee- = Еперехода – Eсвязи е-

 

Т.к. энергии возбужденных уровней ядра и энергии связи электронов на атомных оболочках, в общем случае, являются дискретными, спектр энергий вылетающих электронов - также дискретный.

Отношение числа испущенных конверсионных электронов к суммарному числу испускаемых γ-квантов и конверсионных электронов называется коэффициентом внутренней конверсии.

α = Ne- / (Nγ + Ne-)

Ne- = (Ne-)K + (Ne-)L + (Ne-)M + …

(Ne-)K / (Nγ + Ne-) – парциальный коэффициент внутренней конверсии для электронов К-оболочки.

 

 

 

Рис.3 β-спектр 55Cs137. Пик на графике соответствует энергии конверсионных электронов 56Ba137 (иэ-K-оболочки,) полученные с помощью полупроводникового спектрометра. 56Ba137 образуется при β--распаде 55Cs137 и его конверсионные электроны регистрируются вместе с электронами β-распаде 55Cs137.

В отличие от α-распада, который возможен лишь для ядер с A >140 (Z > 60), ядра, испытывающие β-распад, расположены по всей периодической системе элементов

Характерной чертой всех видов β-распада является испускание электронного нейтрино или электронного антинейтрино. Впервые гипотеза о существовании нейтрино была выдвинута Паули в 1930 г. для объяснения непрерывного характера спектра β±-распада. В настоящее время существование нейтрино (антинейтрино) доказано. Масса нейтрино либо равна нулю, либо весьма незначительно отличается от нуля (о чем свидетельствуют измерения нейтринных осцилляций) Спин нейтрино (антинейтрино) равен 1/2 (в единицах постоянной Планка ). Нейтрино и антинейтрино отличаются знаками поляризации: у нейтрино спин антипараллелен направлению движения (левый винт), у антинейтрино - параллелен направлению движения (правый винт).

По современным представлениям нейтрино не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому не ионизирует атомов среды. Нейтрино и антинейтрино - частицы, которые участвуют только в процессах, относящихся к типу слабых взаимодействий. Поэтому эффективное сечение взаимодействия нейтрино с энергией < 10 МэВ с веществом чрезвычайно мало (σ < 10-43 см2), что соответствует длине свободного пробега в твёрдой среде в несколько тысяч световых лет. Отсюда понятно, почему для прямого детектирования нейтрино потребовалось много лет кропотливых опытов.

Только в 1956 г. Коуэну и Райнесу удалось экспериментально наблюдать взаимодействие антинейтрино с веществом.

 

В силу чрезвычайной малости сечения взаимодействия нейтрино (антинейтрино) с веществом, для их регистрации необходимы большие потоки нейтрино, большие объёмы вещества, в котором происходят взаимодействия, и большое время измерения. В частности для регистрации нейтрино в опытах Коуэна и Райнеса была использована реакция

 
 

 

В качестве источника антинейтрино был использован атомный реактор. Образующиеся в реакторе продукты (осколки) деления как правило β--активны. В результате β-распада осколков образуется большое количество антинейтрино, которые регистрируются с помощью указанной выше реакции. Этими учёными впервые была дана оценка эффективного сечения взаимодействия антинейтрино с протоном ядра(σ 10-43 см2).

 

Спектрометры β-излучения

Основными характеристиками β-спектрометра являются светосила и разрешающая способность. Под светосилой понимают отношение числа электронов (или позитронов), которое используется для анализа, к полному числу частиц, испускаемых радиоактивным источником. Светосила β-спектрометров зависит от их конструкции и обычно составляет от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов.

Разрешающей способностью называется наименьшее различие в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, которое может быть замечено прибором. Разрешающая способность прецизионных β-спектрометров достигает 0,01%. Как правило, приборы с лучшей разрешающей способностью обладают меньшей светосилой.

Различают β-спектрометры, измеряющие энергию электронов по их воздействию на вещество, и β-спектрометры, действие которых основано на пространственном разделении электронов и позитронов, имеющих различную энергию.

К приборам первого типа относятся β-спектрометры, основанные на ионизации, возникающей в веществе при торможении электронов; приборы этого типа обладают большой светосилой, но не дают возможности измерять энергию электронов с точностью, большей чем несколько процентов (или даже несколько десятков процентов). К приборам второго типа принадлежат β-спектрометры, в которых используются магнитные или электрические (для медленных электронов) поля.

Рассмотрим β-спектрометры, анализирующие импульсы с детектора по их амплитудам. К таким спектрометрам прежде всего относятся сцинтилляционные и полупроводниковые β-спектрометры.

Сцинтилляционный β-спектрометр состоит из тех же элементов, что и спектрометр для тяжелых частиц. Он обладает довольно низким разрешением по сравнению с магнитными β-спектрометрами, однако имеет и ряд достоинств. Сцинтилляционный β-спектрометр значительно превосходит магнитный β-спектрометр по светосиле.

Если в сцинтилляционном β-спектрометре регистрируется до 50% β-частиц, то в магнитном β-спектрометре - всего лишь 1%. Поэтому сцинтилляционный β-спектрометр пригоден для измерения β-спектра источника очень слабой активности. Сцинтилляционный β-спектрометр имеет лучшее временное разрешение, так как вспышка света в фосфоре, и, следовательно, выходной импульс ФЭУ значительно короче импульса β-счетчика, используемого в магнитном β-спектрометра. Наконец, сцинтилляционный β-спектрометр проще, дешевле и доступнее.

В качестве фосфоров в сцинтилляционных β-спектрометрах применяются органические монокристаллы стильбена и антрацена. Тяжелые неорганические фосфоры типа NaI(Tl) отражают до 80% падающих на их поверхность электронов. В неорганические фосфоры из-за эффекта отражения попадает малая доля электронов. Поэтому такие фосфоры не применяют в β-спектрометрах. Поверхность органических фосфоров типа стильбена отражает лишь несколько процентов βм-частиц. Поверхностное отражение органических фосфоров не приводит к сильному искажению формы β-спектра. При измерении β-спектра пригодны фосфоры, толщина которых несколько превышает пробег β-частиц с максимальной энергией. При такой толщине все β-частицы поглощаются в фосфоре. Как и в спектрометрии тяжелых частиц фосфор используют либо без упаковки, либо закрывают тонкой фольгой из алюминия, почти не поглощающей β-частиц. Фольга служит одновременно отражателем света на катод ФЭУ.

 

β-Спектрометр градуируют по известным конверсионным линиям стандартных β-излучателей. Светосила сцинтилляционных β-спектрометров зависит от эффективности фосфора к β-излучению и от потерь β-частиц в алюминиевой фольге, воздухе и в самом источнике β-частиц.

В последнее время для спектрометрии β-излучения стали применять полупроводниковые детекторы. Импульс на выходе такого полупроводникового детектора пропорционален поглощенной энергии β-частицы. Амплитудный анализ этих импульсов позволяет получить спектр β-частиц. Спектрометр состоит из кремниевого поверхностно-барьерного или диффузионного детектора, усилителя импульсов и амплитудного анализатора. Пробег β-частицы с энергией 1 МэВ в кремнии составляет около 1,6 мм. Поэтому для измерения -спектра с максимальной энергией 3 Мэв необходим детектор с толщиной чувствительного слоя около 5 мм. Такой слой можно получить в полупроводнике методом дрейфа лития. Для измерения

β-спектров с меньшей минимальной энергией пригодны и поверхностно-барьерные детекторы.

Разрешение кремниевого β-спектрометра значительно лучше, чем сцинтилляционного. Так, при энергии β-частиц 1 МэВ разрешение кремниевого β-спектрометра составляет 1%. Кремниевый β-спектрометр более компактен по сравнению со сцинтилляционным. Однако вследствие малых размеров детектора полупроводниковый спектрометр уступает сцинтилляционному по светосиле. Кроме того, высокое разрешение полупроводникового спектрометра требует применения малошумящих усилителей импульсов.

β-Спектры с высоким разрешением измеряют на магнитных β-спектрометрах. Точные измерения β-спектров на таких спектрометрах выполняют с разрешением 0,01%. Однако светосила магнитных β-спектрометров невелика, и для измерения спектра требуются источники значительной активности.

 

 

Рис.4 β-спектр 20783Bi. Пики на графике соответствуют энергиям конверсионных электронов 20782Pb, полученные с помощью полупроводникового спектрометра. иэ-K, иэ - L— испускание электронов с K, L-оболочек. 20782Pb образуется при β-распаде (е-захват) 20793Bi

 

Таблица 1
Расчет энергий конверсионных электронов.

Переход в ядре 20782Pb [МэВ] Тип атомной оболочки Энергия связи электрона на атомной оболочке Энергия конверсионного электрона
1.6331 → 0.5696 L 14698 эВ 1049 кэВ
  K 88005 эВ 976 кэВ
0.5696 → 0 L 14698 эВ 555 кэВ
  K 88005 эВ 482 кэВ

 

Рис.5 β-спектр 8536Кr

 

 

Градуировка β-спектрометра.

Для этого с помощью многоканального амплитудного анализатора измеряется энергетический спектр конверcионных электронов 20782Pb. По хорошо выделяющимся линиям, с энергиями приведенными в Таб. 1, в спектре 20782Pb строится градуировочная зависимость энергии электронов от номера канала амплитудного анализатора. Необходимо оценить точность градуировки и энергетического разрешения спектрометра.

 

 

Измерение β-спектра 8536Kr

 

Измерить β-спектр 8536Kr. Представить эти данные в виде графика.

Для уменьшения времени обработки производится суммирование информации в нескольких (например, пяти) соседних каналах амплитудного анализатора и результат рассматривается как одна точка с энергией среднего канала. При построении этого графика надо иметь в виду, что при малых энергиях (ниже 200-300 кэВ) происходит искажение результатов из-за конечной толщины β -источника, обратного рассеяния электронов в полупроводниковом детекторе и фона рентгеновского излучения, возникающего от торможения электронов в веществе. При энергиях, близких к верхней границе β-спектра, где число отсчетов мало, спектр деформируется из-за конечного временного разрешения спектрометра (тсп 10-6 с). Электроны от β-источника, попадающие на детектор в течение временного интервала, регистрируются как одна частица с энергией, равной сумме энергий отдельных электронов. Это приводит к возникновению сигналов, соответствующих энергии регистрируемых электронов даже выше максимальной энергии β-спектра. Построив график β-спектра 8536Kr определить максимальную энергии электронов β-спектра этого изотопа.

 





©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.