Спектрометрия бета-излучения представляет собой метод количественного и качественного анализа радиоактивных источников на основе измерения энергии и интенсивности испускаемых бета-частиц (электронов или позитронов). Бета-излучение характеризуется непрерывным спектром энергии, обусловленным распределением кинетической энергии между испускаемой частицей и нейтрино. Это отличает его от альфа-излучения, имеющего дискретные линии энергии, и создаёт специфические требования к детекторам и методам спектроскопии.
Бета-распад осуществляется двумя основными процессами:
Энергетический диапазон бета-частиц зависит от конкретного изотопа и может варьироваться от десятков килоэлектронвольт до нескольких МэВ. Спектр бета-частиц непрерывен и описывается функцией Ферми, учитывающей плотность состояний и фазовый объём при распаде. Максимальная энергия β-частиц (E_max) является важным параметром для идентификации радиоизотопа.
1. Магнитная спектрометрия: Использует отклонение бета-частиц в магнитном поле в зависимости от их импульса. Позволяет получать высокоразрешённые энергетические спектры, однако требует сложной аппаратуры и точной калибровки.
2. Электростатическая спектрометрия (β-спектрометр Ленгмюра-Тарнана): Бета-частицы проходят через электрическое поле с контролируемым потенциалом, которое пропускает только частицы с определённой энергией. Этот метод обеспечивает высокую селективность и точность измерений низкоэнергетических частиц.
3. Полупроводниковые детекторы (Si, Ge): Используются для прямого измерения энергии бета-частиц. Преимущества: высокая энергетическая разрешающая способность, компактность, возможность интеграции в автоматические системы. Ограничение: чувствительность к толщине детектора и потере энергии на входных окнах.
4. Сцинтилляционные детекторы: Бета-частицы возбуждают сцинтилляционный материал, который испускает световые импульсы, регистрируемые фотоумножителем. Позволяют проводить спектрометрию в широком диапазоне энергий, однако имеют меньшую разрешающую способность по сравнению с полупроводниковыми детекторами.
Калибровка спектрометра проводится с использованием источников с известным E_max бета-частиц. Энергетическое разрешение определяется шириной линии на уровне половины максимума (FWHM) и зависит от конструкции детектора, толщины окон и электронного шума. Для полупроводниковых детекторов разрешение может достигать 1–2%, что позволяет различать близкие по энергии спектральные линии.
Бета-частицы испытывают потери энергии при прохождении материала источника и детектора. Эти потери зависят от толщины и плотности материала, а также от энергии частицы. Для точного анализа необходимо применять методы коррекции:
Спектральные данные позволяют проводить:
Современные спектрометры используют цифровую обработку сигналов, что позволяет выделять пики на фоне непрерывного спектра и проводить статистический анализ с высокой точностью.
Бета-спектрометрия широко применяется для:
Эта методика является фундаментальной в радиохимии, обеспечивая количественный и качественный анализ бета-излучающих изотопов с высокой точностью и надёжностью.