CR-39探測器中帶電粒子電荷分辨率研究

朱佳歡，王濼歡，霍良娣，黨英華，李雅楠，李俊生，張東海

山西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院， 山西 臨汾 041000

0 引言

CR-39探測器是一種常用的固體核徑跡探測器，具有成本低、小巧便攜、存儲方便等特點，被廣泛應(yīng)用于中高能原子核碎裂、輻射劑量評估、宇宙線元素豐度等研究中.

帶電粒子進(jìn)入CR-39探測器后，由于電離損失，對CR-39的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用.經(jīng)過化學(xué)蝕刻，在CR-39上留下帶電粒子的徑跡.不同的帶電粒子，在介質(zhì)中的電離損失不同，因而，在CR-39上產(chǎn)生的徑跡亦不相同.

對CR-39探測器中各種徑跡對應(yīng)的帶電粒子種類進(jìn)行鑒別是進(jìn)一步開展原子核碎裂、輻射劑量評估、宇宙線元素豐度等研究的非常重要的基礎(chǔ)工作[1].對CR-39探測器中記錄的帶電粒子電荷鑒別的主要方法有徑跡截面面積法和徑跡錐形坑高度法，不同的鑒別方法對電荷的分辨率不同[2].

目前，對CR-39探測器中帶電粒子電荷分辨率問題還缺乏較系統(tǒng)的研究，本文通過研究不同鑒別方法的電荷分辨率及蝕刻條件對電荷分辨率的影響，為探索對CR-39探測器中記錄的帶電粒子進(jìn)行電荷鑒別的更準(zhǔn)確、更快捷的方法提供科學(xué)依據(jù).

1 CR-39簡介及徑跡形成原理

CR-39學(xué)名碳本酸丙烯乙酸，或稱烯丙基二甘醇酸脂(Dially Glycol Carbonates)，CR-39的分子式為(C12O7H18)n，分子量為272，其密度為1.31 g/cm3～1.32 g/cm3.CR-39是應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)普通樹脂鏡片的材料，四十年代被美國哥倫比亞公司的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是美國空軍所研制的一系列聚合物中的第39號材料，因此，被稱為CR-39(哥倫比亞樹脂第39號).1978年Cartwright，Price和Shirk發(fā)現(xiàn)CR-39可作為固體核徑跡探測器[3].CR-39具有成本低、靈敏度高、易保存和處理以及有較好的分辨率等優(yōu)點，使其在觀測宇宙射線中的重離子方面具有很多便利性.

如圖1所示[4]，當(dāng)帶電粒子進(jìn)入固體材料時，沿其射程軌跡周圍會造成輻射損傷，這受損嚴(yán)重的狹窄區(qū)域稱為潛徑跡，損傷半徑一般只有納米量級.為了使這些輻射損傷區(qū)變成永久性徑跡并使損傷區(qū)擴(kuò)大到能用光學(xué)顯微鏡觀測的程度，通常使用化學(xué)刻蝕的方法將受過輻照的材料放入強酸或強堿的水溶液刻劑內(nèi)，由于受損傷的物質(zhì)具有較高的化學(xué)活性，它能較快地與蝕刻劑發(fā)生作用而被溶解使損傷區(qū)擴(kuò)大，而未受損傷的物質(zhì)與蝕刻劑的作用較慢.因此，在適當(dāng)?shù)奈g刻條件下(濃度、溫度、時間)，損傷部分可以逐步擴(kuò)大為直徑幾千的孔洞(或叫蝕坑)，從而用光學(xué)顯微鏡就可以觀測.由孔洞數(shù)目就可以確定粒子的強度或通量，孔洞的直徑與刻蝕時間、粒子大小以及能量有關(guān).

圖1 CR-39中徑跡形成原理
Fig.1 Principle of track formation in CR-39

2 電荷鑒別方法

可以通過兩種不同的方法對CR-39探測器中形成的徑跡進(jìn)行鑒別，一種是通過測量蝕刻徑跡在CR-39表面的截面面積進(jìn)行鑒別；另一種方法是通過測量蝕刻徑跡在CR-39中錐形坑的高度進(jìn)行鑒別[5].圖2給出444 A MeV56Fe與CH2靶反應(yīng)彈核及其碎片在靶后CR-39中徑跡的截面積分布[6]，圖3給出

圖2 444 A MeV 26Fe及其碎片在CR-39中的徑跡面積分布圖Fig.2 Track area distribution of 444 A MeV 26Fe and fragments in CR-39圖3 600 A MeV 28Si及其碎片在CR-39中徑跡錐高分布Fig.3 Cone heights distribution of 600 A MeV 28Si and fragments in CR-39

600 A MeV28Si與CH2靶反應(yīng)彈核及其碎片在靶后CR-39中徑跡的錐高分布[5].

3 電荷分辨率

CR-39探測器的電荷分辨率(δZ)可通過以下公式計算得出[5，7]

(1)

(2)

其中，σA為截面面積的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差，δA/δZ為截面面積隨電荷數(shù)變化的變化率；σLe為錐形坑高度的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差，δLe/δZ為錐形坑高度隨電荷數(shù)變化的變化率，Gupta Ota和Kumar 等人分別利用錐形坑高度和徑跡截面積研究了不同能量束流粒子及其碎片在CR-39的電荷分辯率[5，8～12](表1).可以看出，兩種電荷鑒別方法均給出較好的電荷分辨率，且粒子電荷分辨率與蝕刻條件和束流能量均沒有明顯的依賴關(guān)系.

4 結(jié)論

CR-39探測器具有良好的電荷分辨率，利用不同的電荷鑒別方法，在不同蝕刻條件下，對不同束流能量的粒子進(jìn)行鑒別的電荷分辨率差別不大.電荷分辨率與蝕刻條件和束流能量沒有明顯的依賴關(guān)系.