Мессбауэровский спектрометр

Мессбауэровский спектрометр.

 Как только было обнаружено, что линии излучения и поглощения имеют минимально возможную - естественную ширину, стало ясно, что на основе эффекта Мессбауэра можно создать принципиально новый спектрометр, позволяющий исследовать исключительно слабые взаимодействия ядра с внешними полями, характеризующими электронные и ионные свойства твердого тела и отражающими его физические и химические параметры. Поскольку эти взаимодействия приводят к так называемой сверхтонкой (СТ) структуре ядерного гамма-спектра (10-5 - 10-8 эВ), то для его «прощупывания» необходимо иметь «зонд» по меньшей мере столь же тонкий. Для создания такого спектрометра подходят лишь те изотопы, время жизни возбужденных состояний которых больше 10-8 с (т.е. на много порядков превышающее ранее приведенную величину t~10-12 с). Эти изотопы приводились в табл.1.

  Непосредственно наблюдать гамма-спектр, содержащий мессбауэровскую линию с естественной шириной порядка 10-7 эВ (см. Рис. 4), не представляется возможным, поскольку энергетическое разрешение существующих детекторов превышает указанную величину на 9 порядков.

Задача Вычислить величины потенциалов покоя клеток гигантского аксона кальмара в верхних слоях океана, где температура 250С, и в глубине, где температура 60С. Концентрация ионов калия в аксоне 410 , а концентрация ионов калия вне аксона 

 Для регистрации месбауэровских линий, а также изучения их сверхтонкой структуры может быть использован эффект резонансного поглощения. В таких экспериментах радиоактивные (р/а) ядра в возбуждённом состоянии образуют источник излучения, а ядра того же самого изотопа в основном состоянии образуют поглотитель излучения. Измеряется интенсивность гамма-излучения прошедшего через поглотитель. 

Рис.5 Схема эксперимента по наблюдению резонансного поглощения гамма-квантов (эффект Мессбауэра). 1 - радиоактивный источник, 2 - шток вибратора, 3 - мессбауэровский поглотитель, 4 - детектор, 5 - коллиматор.

 Для наблюдения резонансного поглощения гамма-квантов (эффекта Мессбауэра) используется специальный прибор, месбауэровский спектрометр,

схематически изображенный на рис.5, который состоит из 4-х основных частей: радиоактивного источника (1), закрепленного на подвижном штоке мессбауэровского вибратора (2), резонансного поглотителя (3) и детектора (4), который измеряет поток гамма-квантов, прошедших через поглотитель.

  Суть работы мессбауэровского спектрометра состоит в следующем. Источнику гамма-квантов (1), излучающему обычно одиночную линию естественной ширины, сообщается скорость v (относительно поглотителя (3)), при этом энергия кванта меняется за счет эффекта Доплера на величину DЕD. Скорости в интервале 1 -100 мм/с позволяют смещать линию на величину, большую естественной ширины линии. Поглотитель (2) содержит ядра того же изотопа, что и источник, но в основном состоянии. Меняя скорость v, можно перемещать линию излучения. При совмещении линий общее
сечение поглощения резко возрастает, и число прошедших через поглотитель квантов, регистрируемых детектором, уменьшается. Экспериментально можно обнаружить не только резонансное поглощение, но, проведя
измерения с изменением доплеровской скорости, исследовать форму
линии поглощения и получить данные о СТ структуре линии.

  Зависимость интенсивности потока гамма-квантов, прошедших через поглотитель, от скорости источника называется мессбауэровским спектром поглощения.

 Радиоактивный источник представляет собой радиоактивные ядра с большим периодом полураспада Т1/2, введенные в твердотельную матрицу. В результате ядерных превращений (К-захвата, a- или b-распада) и последующего каскада гамма-переходов происходит образование ядра в возбужденном состоянии I1, которое является начальным состоянием мессбауэровского гамма-перехода. Гамма-кванты, испускаемые при переходе I1® I0, резонансно поглощаются в поглотителе. Схемы распада радиоактивных источников для мессбауэровских ядер 57Fe и 119Sn приведены на рис.6.

Рис.6 Схемы радиоактивного распада мессбауэровских источников 57Co и 119mSn. Мессбауэровские гамма-переходы обозначены gм, a - коэффициент конверсии, ЕС - обозначает электронный захват.

 Твердотельная матрица выбирается из условия, чтобы вероятность излучения без отдачи fs была по возможности максимальной. Кроме того, обычно выбирается немагнитная матрица, в которой исследуемые ядра занимают кристаллические положения с кубической симметрией. В этом случае спектр излучения, отвечающий мессбауэровскому переходу, содержит одиночную линию с шириной, близкой к естественной, и широкий фон, обусловленный квантами, излучение которых сопровождается рождением или поглощением фононов.

  Резонансный поглотитель представляет собой тонкий диск, изготовленный из исследуемого материала. Поглотитель должен содержать ядра мессбауэровского изотопа в основном состоянии. Поглотитель характеризуется эффективной толщиной tэф, которая определяет силу резонансного поглощения:

 tэф = s0fand  (6)

где fa - вероятность эффекта Мессбауэра для материала поглотителя, n - число резонансных ядер в единице объема поглотителя, d - толщина поглотителя, s0 - сечение резонансного поглощения, которое зависит от энергии гамма-кванта, спинов I0 основного и I1 возбужденного ядерных уровней, времени жизни возбужденного состояния и коэффициента конверсии. Значения s0 можно найти в соответствующих справочниках [2,5].

 Как правило, в эксперименте используют «тонкие» поглотители, для которых tэф<1. В этом случае линии мессбауэровского спектра сохраняют лоренцову форму (см. далее) и не испытывают дополнительного уширения.

 Мессбауэровский вибратор обеспечивает движение р/а источника. В исследованиях применяются электродинамические вибраторы. Мессбауэровский вибратор обеспечивает очень высокую точность и стабильность заданного закона движения. Как правило, применяется равноускоренное движение, при котором скорость линейно меняется в зависимости от времени. При этом движение вибратора синхронизировано с временной разверткой многоканального анализатора, куда поступают импульсы, зарегистрированные детектором. В результате каждому каналу многоканальной памяти анализатора соответствует определенная скорость движения р/а источника, а регистрируемый спектр представляет собой зависимость числа прошедших через поглотитель гамма-квантов от скорости движения источника, т.е. мессбауэровский спектр.

 Положительной скоростью принято считать движение, при котором происходит сближение источника и поглотителя. Используя соотношение (3) для допплеровского сдвига, нетрудно установить цену канала в энергетических единицах.

Мессбауэровские спектры.

Форма линии мессбауэровского спектра.

  Важную роль в спектроскопии играет форма спектральной линии. В реальных условиях любой источник (поглотитель) излучения (ядро, атом, молекула) находится в среде. Внешние возмущающие поля приводят к изменению формы линии и ее параметров - положения, амплитуды, ширины. Эти параметры являются важным источником информации о свойствах среды.

 Изолированный затухающий осциллятор излучает линию в узком спектральном интервале. Контур линии описывается формулой

  (6)

где Е0 - энергия в максимуме интенсивности, соответствующая энергии перехода, а Г - ширина линии (ширина на половине высоты). Выражение (6) описывает так называемую лоренцеву форму линии, а ширина ее Г - естественную ширину. Другой случай соответствует ситуации, когда осциллятор с одной стороны и приемное устройство излучения с другой подвергаются случайным, статистически независимым возмущениям. Форма линии в этом случае гауссова

  I(E)~exp(-E2/2s2) (7)

 Если, например, приемным устройством служит фотоумножитель, то его шумы приводят к изменению формы линии источника (она становится гауссовой) и значительному увеличению ее ширины.

 На рис.7 приведены линии обеих форм.

Рис.7 Лоренцева (2) и гауссова (1) формы спектральных линий.

 Форма линии, как функция энергии, для радиоактивного источника и поглотителя в эффекте Мессбауэра является лоренцевой. При этом существенно, что, как указывалось выше, Мессбауэровский спектр, представляет зависимость числа импульсов от скорости. Как показывают расчёты, для тонких поглотителей форма линии не изменяется, оставаясь лоренцевой для скоростного спектра. Месбауэровский спектр в этом случае описывается следующей формулой:

  I(v) =  (8)

где N¥ - счет при больших скоростях движения, когда резонансное поглощение отсутствует, e- амплитуда линии. e = Кfstэф, здесь К - доля мессбауэровских гамма-квантов, соответствующих переходу I1=3/2 ® I0=1/2, fs - вероятность эффекта Мессбауэра в материале источника, tэф - эффективная толщина поглотителя, Г=Гs + Га (Гs - ширина линии испускания, Га - ширина линии поглощения).

  Таким образом, для тонкого поглотителя линия мессбауэровского спектра имеет ширину, равную сумме ширин линии испускания источника и линии поглощения поглотителя, т.е. удвоенной естественной ширине мессбауэровского уровня.. Характерный вид мессбауэровского спектра с одиночной линией изображен на рис.8.

 Амплитуда линии, e, пропорциональна произведению вероятностей эффекта мессбауэра в источнике и поглотителе и пропорциональна толщине поглотителя. Однако, такая зависимость выполняется только для тонкого поглотителя, когда tэф<<1. При увеличении толщины поглотителя ширина линии возрастает, а форма линии отклоняется от лоренцевой. Измерения мессбауэровских спектров со сложной СТ структурой обычно проводят с «тонкими» поглотителями (tэф<<1), для которых представление формы линии лоренцевой функцией остается достаточно хорошим приближением.

Высшая математика - лекции, курсовые, типовые задания, примеры решения задач