Бета-излучение представляет собой поток электронов (β⁻) или позитронов (β⁺), испускаемых радиоактивными ядрами в процессе β-распада. В отличие от α-частиц, бета-частицы обладают меньшей массой, высокой скоростью и переменной энергией, что обуславливает сложность их измерения. Энергия β-частиц распределена непрерывно в пределах от нуля до максимальной энергии, характерной для данного изотопа. Это делает спектрометрию β-излучения принципиально отличной от спектрометрии α-частиц и гамма-квантов.
Спектр β-излучения непрерывен, что связано с тем, что энергия, освобождаемая при распаде, делится между β-частицей и нейтрино (или антинейтрино). Максимальная энергия β-частицы (E_{}) соответствует ситуации, когда нейтрино получает минимально возможную энергию. Форма спектра определяется квантовыми законами и фазовым пространством для двух тел распада. На графике интенсивности излучения по энергии наблюдается характерная «криволинейная» зависимость, с постепенным увеличением числа частиц на низких энергиях и резким спадом к (E_{}).
Для измерения β-излучения применяются два основных типа спектрометров: магнитные и электростатические, а также полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы.
Магнитные спектрометры используют отклонение β-частиц в магнитном поле. Частицы с различной кинетической энергией описывают траектории с разными радиусами кривизны, что позволяет селективно регистрировать частицы с заданной энергией. Магнитные спектрометры обладают высокой энергетической разрешающей способностью (до 0,1%), что важно для точного исследования β-спектров.
Электростатические спектрометры основаны на торможении β-частиц в электрическом поле. Частицы с энергией меньше заданного порога не преодолевают потенциал, а частицы с большей энергией регистрируются. Эти приборы обеспечивают точность измерения энергии, однако менее эффективны при высоких энергиях.
Полупроводниковые детекторы (Si(Li), Ge) обеспечивают прямое преобразование энергии β-частицы в электрический сигнал. Они позволяют получать спектры с высокой разрешающей способностью, измерять малые потоки частиц и использовать детекторные массивы для расширения динамического диапазона.
Сцинтилляционные детекторы основаны на возбуждении люминесцентного вещества при прохождении β-частицы. Свет, испускаемый сцинтиллятором, преобразуется фотоприемником в электрический сигнал. Сцинтилляционные спектрометры характеризуются высокой чувствительностью и возможностью регистрации быстрых событий, но обладают более низкой энергетической точностью по сравнению с полупроводниковыми детекторами.
Калибровка β-спектрометров требует использования стандартных радиоактивных источников с известной энергией β-частиц. Для магнитных спектрометров это осуществляется по положению пика максимальной интенсивности β-частиц, для полупроводниковых и сцинтилляционных — по соответствию электрического сигнала известной энергии. Коррекция спектров включает учет эффекта торможения, рассеяния в детекторе и самопоглощения в источнике.
Энергетическая разрешающая способность (R) определяется шириной пика при половинной высоте ((FWHM)) по формуле:
[ R = %]
где (E) — ширина пика, (E) — энергия β-частицы. Для точного анализа спектров критично минимизировать толщину источника и защитные материалы, чтобы избежать потери энергии и искажения формы спектра.
Ядерная физика и структура ядер: β-спектрометрия позволяет исследовать распределение энергий при распаде, уточнять уровни возбуждения дочерних ядер, а также определять константы слабого взаимодействия.
Радиохимия и аналитика: измерение интенсивности β-излучения используется для количественного анализа радиоактивных изотопов, определения их активности и кинетики распада.
Медицинская физика и радиобиология: β-излучение применяется в радиотерапии, а спектрометрия позволяет контролировать дозу и энергию частиц для безопасного облучения тканей.
Экология и мониторинг окружающей среды: с помощью спектрометрии β-частиц проводят определение загрязнения радиоактивными изотопами ^90Sr, ^14C и др., анализируя их концентрации в воде, почве и биологических объектах.
Разработка новых полупроводниковых детекторов с низким уровнем шума, массивов сцинтилляторов и цифровых спектрометрических систем позволяет получать β-спектры с высокой точностью и динамическим диапазоном. Это открывает возможности для исследования редких и малодоступных изотопов, а также для интеграции β-спектрометрии с другими методами ядерной аналитики, включая γ-спектрометрию и масс-спектрометрию.
Спектрометрия бета-излучения остаётся ключевым инструментом ядерной химии, обеспечивая понимание структуры ядер, кинетики распада и взаимодействия частиц с веществом.