Спектрометр по времени пролёта

Зная время пролёта частиц фиксированного расстояния (пролётной базы, ${\displaystyle L}$) спектрометра, можно вычислить их скорость и энергию. В нерелятивистском случае время пролёта ${\displaystyle t}$ (в наносекундах) связано с кинетической энергией частицы ${\displaystyle E}$ (в МэВ) следующим соотношением:

${\displaystyle t=72,3L{\sqrt {\frac {A}{E}}}}$,

где база спектрометра ${\displaystyle L}$ выражена в метрах, массовое число частицы ${\displaystyle A}$ — в атомных единицах массы.

В действующих спектрометрах по времени пролёта нейтроны посылаются импульсами малой длительности, а считывающее устройство фиксирует время пролёта базы спектрометра. Если источник нейтронов достаточно интенсивный, можно за счёт увеличения пролётной базы и введения дополнительных временных анализаторов значительно повышать точность измерений. Время прохождения начала пролётной базы ${\displaystyle t_{0}}$ и достижения её окончания ${\displaystyle t_{1}}$ фиксируется, соответственно, задача сводится к нахождению ${\displaystyle t_{\text{пролёта}}=t_{1}-t_{0}}$.

Для фиксирования ${\displaystyle t_{0}}$ используют пучки частиц с короткими сгустками (в случае циклотронов длительность сгустка порядка одной наносекунды). Если источник нейтронов непрерывный, применяются специальные устройства для формирования групп частиц. Сгустки частиц подаются в спектрометр по времени пролёта с определённой периодичностью, что определяет нижнюю границу измеряемых энергий:

${\displaystyle E_{\text{мин}}={\Biggl (}{\frac {72,3L}{T_{0}}}{\Biggl )}^{2}}$.

Для того, чтобы сигналы не накладывались друг на друга, в цикличных ускорителях периодичность поступления сгустков частиц подбирают таким образом, чтобы сделать кратным периоду их отклонения ВЧ-генератором. В результате расчёты производят по следующим формулам:

${\displaystyle V={\frac {L}{t_{\text{пролёта}}}}}$,

${\displaystyle E={\frac {m}{2}}{\Biggl (}{\frac {L}{\tau }}{\Biggl )}}$.

Измеряя время пролёта временными анализаторами импульсов, поступающих с детектора частиц, расположенного в конце пролётной базы, получают распределение ${\displaystyle \varphi _{\text{э}}(t)}$, по которому определяют распределение нейтронов по энергиям (энергетический спектр нейтронов).

В нейтронной спектроскопии часто используют величину ${\displaystyle t_{0}}$, обратную времени пролёта, т. н. обратную скорость нейтрона: ${\displaystyle t_{0}={\frac {1}{V}}\,{\Biggl [}{\frac {\text{мксек}}{\text{метр}}}{\Biggl ]}}$.

Тогда энергия нейтрона равна:

${\displaystyle E={\frac {m}{2t_{0}^{2}}}}$.

Для нейтрона эту формулу можно преобразовать в расчётную, зная массу нейтрона:

${\displaystyle E-{\frac {5233}{2t_{0}^{2}}}\,{\Biggl [}{\text{эВ}}{\Biggl ]}}$.

Упрощённая схема спектрометра по времени пролёта показана на рисунке. Здесь 1 — оболочка реактора, выполненная из бетона, 2 — пучок нейтронов, 3 — механический прерыватель потока нейтронов, 4 — детектор нейтронов в конце пролётной базы спектрометра, 5 — временной анализатор сигналов. Сигнал срабатывания механического прерывателя потока нейтронов поступает в блок анализатора сигналов, после достижения потоком нейтронов детектора 4 сигнал от детектора также поступает в анализатор сигналов. После обработки данные от анализатора сигналов поступают в систему обработки и накопления сигналов из спектрометра по времени пролёта (на схеме не представлена).

Спектрометр по времени пролёта используется для измерения скоростей заряженных и нейтральных частиц, например, К-мезонов и нейтронов, и др. Измерения скорости, а значит, и энергии нейтронов позволяет получать энергетические спектры нейтронов практически во всём интервале энергий (от 10⁻² до 10⁸ эВ). Разрешение спектрометров по времени пролёта различно при измерениях нейтронов различных энергий — для нейтронов с энергиями меньше 10 МэВ разрешение составляет величину порядка 1 %, для нейтронов с энергией более 100 МэВ составляет величину уже порядка нескольких десятков процентов в зависимости от конструкции.

Спектрометр по времени пролёта используются для идентификации частиц и их изомерных состояний, определения массы частиц по измерениям их импульсов, нахождения массы атомных ядер. Достигаемая точность составляет примерно 10⁻⁶ — 10⁻⁷.

Спектрометры по времени пролёта использовались для обнаружения ядер антигелия ${\displaystyle {\widetilde {He}}}$ и антитрития ${\displaystyle {\widetilde {T}}}$.