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固體徑跡探測器

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固體徑跡探測器是用絕緣固體材料來記錄質量大於質子的帶電粒子徑跡的探測器

1 固體徑跡探測器 -固體徑跡探測器

 

2 固體徑跡探測器 -正文

  用絕緣固體材料來記錄質量大於質子的帶電粒子徑跡的探測器。材料包括雲母、石英及各種礦物晶體;玻璃、陶瓷等非晶體;聚碳酸酯、硝酸纖維、醋酸纖維、聚酯等聚合物塑料。固體徑跡探測器是20世紀60年代發展起來的,可探測質子、α粒子、重離子、裂變碎片和宇宙線中的原子核等。
  基本原理  當這些帶電粒子通過固體徑跡探測器時,在它們的路徑上材料產生輻射損傷,形成一條連續的輻射損傷徑跡,這種徑跡可用電子顯微鏡觀察到。當把帶有輻射損傷徑跡的材料放入強酸(如氫氟酸、硝酸和鹽酸等)或強鹼(如氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液)等蝕刻劑中時,由於材料受到輻射損傷部分的化學活性強,能以較快速度從探測器表面開始與蝕刻劑反應,並溶入蝕刻劑,沿輻射損傷徑跡出現一條細長的孔洞或蝕錐。同時蝕刻劑也從各種表面腐蝕探測器材料,但速度要慢得多。於是孔洞直徑不斷擴大。以上過程稱為蝕刻,孔洞即為蝕刻后的徑跡。當徑跡直徑擴大到微米數量級時,就可用光學顯微鏡觀察。圖1a和1b分別是用硅酸鹽玻璃和雲母記錄的裂變碎片徑跡的顯微照片。

固體徑跡探測器固體徑跡探測器
 
固體徑跡探測器固體徑跡探測器

  閾特性  固體徑跡探測器具有明顯的閾特性,只有當入射粒子在探測器中產生的輻射損傷密度(相應於沿粒子軌跡上單位長度被電離或激發的原子的個數)大於某一閾值時,才能蝕刻出徑跡。這一閾值與探測器材料和蝕刻劑的性質有關,與入射粒子的種類無關,不同材料有不同閾值。如圖2所示。無機固體具有較高閾值,只能記錄較重的粒子。塑料具有較低閾值,可以記錄較輕的重帶電粒子。β、γ和 X射線在各種固體徑跡探測器中的輻射損傷密度都低於其閾值,不能產生徑跡。利用這種閾特性,可以在同時有β、γ、X 射線及較輕粒子的場合無干擾地記錄所需要的重帶電粒子。
  粒子分辨能力  固體徑跡探測器具有分辨粒子的能力。同一徑跡上不同位置的輻射損傷物質與蝕刻劑反應的速度不同,輻射損傷密度越大,沿徑跡的蝕刻速度也越大。測量徑跡上某點的蝕刻速度或單位時間產生的蝕錐長度,可以知道該點的輻射損傷密度。輻射損傷密度與入射粒子的電荷數及速度(或能量)有關,測量徑跡上某點的蝕刻速度和剩餘射程,就可以確定粒子的電荷數、質量數和能量。分辨粒子電荷數的另一種方法是測量最大可蝕刻射程,即在固體徑跡探測器中輻射損傷密度大於閾值的一段的長度(即剩餘射程)。對同一種探測器材料,同一種粒子的最大可蝕刻射程相同,不同種類粒子的最大可蝕刻射程不同。最大可蝕刻射程與粒子電荷數一一對應。在電荷解析度方面,對輕原子核,固體徑跡探測器不如核乳膠高;但對重原子核,固體徑跡探測器比核乳膠要好。
  溫度的影響  在常溫下,固體徑跡探測器中的徑跡很穩定。比如,裂變碎片在白雲母中的輻射損傷徑跡,在145℃可保留45億年以上。因此,組成地球、月岩和隕石的礦物中,保存著自它們生成以來直到目前所記錄的各種重帶電粒子的徑跡,這些礦物,是數億或數萬年以前開始工作的固體徑跡探測器,為現代人類積累了大量古代科學資料。在高溫下,固體徑跡探測器中的徑跡發生衰退或消失(稱為退化),由礦物中徑跡的退火情況,可以推測地球或天體局部或整體的溫度變化。
  應用  由於固體徑跡探測器具有能克服強本底干擾,能測量粒子的電荷、質量和能量,保存古代產生的重帶電粒子徑跡,位置靈敏和材料普遍等優點,已經得到廣泛應用。在原子核物理和粒子物理研究中,利用它不怕強本底干擾的特性,已廣泛用來在強入射束中測量裂變幾率、裂變壽命、裂變碎片角分佈(見核裂變),尋找裂變同質異能素,鑒定加速器合成的超鈈元素和超重元素,測量核反應截面、分支比和角分佈等,利用阻塞效應測量複合核壽命。利用它分辨電荷和記錄古代徑跡的能力,在自然界尋找超重核和磁單極子。利用它記錄直接或次級重帶電粒子徑跡,進行地面和高空輻射劑量測量。在天體物理中,利用固體徑跡探測器分辨粒子和記錄古代徑跡的能力,通過分析隕石、月岩和塑料中記錄的古代和現代宇宙線中的原子核的成分和能譜、太陽粒子的成分和能譜,正在研究宇宙射線起源、恆星演化、太陽系元素合成和行星演化等方面的問題。在地質學和考古學中,利用地球礦物或物體中積累的238U自發裂變徑跡和隕石礦物中積累的238U和已絕滅的244Pu自發裂變徑跡,可以測定地球物質或天體形成、冷卻或受熱的年代,以及測定考古年代。在分析化學、地球化學、冶金學、結晶學和生物醫學中,可以測定鈾、釷、鈈、硼、鋰、鉛、鉍等多種元素的微小含量和微觀分佈。在鈾礦普查勘探中,通過記錄鈾子體氡的α徑跡,尋找地下鈾礦。另外,利用蝕刻后徑跡的微孔形狀,可以製作電子工業、化學工業和醫學上需要的微孔過濾器。此外固體徑跡探測器還可用作射線照相的底片。
  參考書目
 R.L.Fleischer,et αl.,Nuclear TRacks in Solids, Univ. of Cal. Press, Berkeley, 1975.

 

3 固體徑跡探測器 -配圖

 

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