CR-39探测器中带电粒子电荷分辨率研究

2019-11-29朱佳欢王泺欢霍良娣党英华李雅楠李俊生张东海

山西师范大学学报（自然科学版） 2019年4期

关键词：鉴别方法束流带电粒子

朱佳欢，王泺欢，霍良娣，党英华，李雅楠，李俊生，张东海

山西师范大学物理与信息工程学院，山西临汾 041000

0 引言

CR-39探测器是一种常用的固体核径迹探测器，具有成本低、小巧便携、存储方便等特点，被广泛应用于中高能原子核碎裂、辐射剂量评估、宇宙线元素丰度等研究中.

带电粒子进入CR-39探测器后，由于电离损失，对CR-39的分子结构产生破坏作用.经过化学蚀刻，在CR-39上留下带电粒子的径迹.不同的带电粒子，在介质中的电离损失不同，因而，在CR-39上产生的径迹亦不相同.

对CR-39探测器中各种径迹对应的带电粒子种类进行鉴别是进一步开展原子核碎裂、辐射剂量评估、宇宙线元素丰度等研究的非常重要的基础工作[1].对CR-39探测器中记录的带电粒子电荷鉴别的主要方法有径迹截面面积法和径迹锥形坑高度法，不同的鉴别方法对电荷的分辨率不同[2].

目前，对CR-39探测器中带电粒子电荷分辨率问题还缺乏较系统的研究，本文通过研究不同鉴别方法的电荷分辨率及蚀刻条件对电荷分辨率的影响，为探索对CR-39探测器中记录的带电粒子进行电荷鉴别的更准确、更快捷的方法提供科学依据.

1 CR-39简介及径迹形成原理

CR-39学名碳本酸丙烯乙酸，或称烯丙基二甘醇酸脂(Dially Glycol Carbonates)，CR-39的分子式为(C12O7H18)n，分子量为272，其密度为1.31 g/cm3～1.32 g/cm3.CR-39是应用最广泛的生产普通树脂镜片的材料，四十年代被美国哥伦比亚公司的化学家发现，是美国空军所研制的一系列聚合物中的第39号材料，因此，被称为CR-39(哥伦比亚树脂第39号).1978年Cartwright，Price和Shirk发现CR-39可作为固体核径迹探测器[3].CR-39具有成本低、灵敏度高、易保存和处理以及有较好的分辨率等优点，使其在观测宇宙射线中的重离子方面具有很多便利性.

如图1所示[4]，当带电粒子进入固体材料时，沿其射程轨迹周围会造成辐射损伤，这受损严重的狭窄区域称为潜径迹，损伤半径一般只有纳米量级.为了使这些辐射损伤区变成永久性径迹并使损伤区扩大到能用光学显微镜观测的程度，通常使用化学刻蚀的方法将受过辐照的材料放入强酸或强碱的水溶液刻剂内，由于受损伤的物质具有较高的化学活性，它能较快地与蚀刻剂发生作用而被溶解使损伤区扩大，而未受损伤的物质与蚀刻剂的作用较慢.因此，在适当的蚀刻条件下(浓度、温度、时间)，损伤部分可以逐步扩大为直径几千的孔洞(或叫蚀坑)，从而用光学显微镜就可以观测.由孔洞数目就可以确定粒子的强度或通量，孔洞的直径与刻蚀时间、粒子大小以及能量有关.

图1 CR-39中径迹形成原理
Fig.1 Principle of track formation in CR-39

2 电荷鉴别方法

可以通过两种不同的方法对CR-39探测器中形成的径迹进行鉴别，一种是通过测量蚀刻径迹在CR-39表面的截面面积进行鉴别；另一种方法是通过测量蚀刻径迹在CR-39中锥形坑的高度进行鉴别[5].图2给出444 A MeV56Fe与CH2靶反应弹核及其碎片在靶后CR-39中径迹的截面积分布[6]，图3给出

图2 444 A MeV 26Fe及其碎片在CR-39中的径迹面积分布图Fig.2 Track area distribution of 444 A MeV 26Fe and fragments in CR-39图3 600 A MeV 28Si及其碎片在CR-39中径迹锥高分布Fig.3 Cone heights distribution of 600 A MeV 28Si and fragments in CR-39

600 A MeV28Si与CH2靶反应弹核及其碎片在靶后CR-39中径迹的锥高分布[5].

3 电荷分辨率

CR-39探测器的电荷分辨率(δZ)可通过以下公式计算得出[5，7]

(1)

(2)

其中，σA为截面面积的平均标准误差，δA/δZ为截面面积随电荷数变化的变化率；σLe为锥形坑高度的平均标准误差，δLe/δZ为锥形坑高度随电荷数变化的变化率，Gupta Ota和Kumar 等人分别利用锥形坑高度和径迹截面积研究了不同能量束流粒子及其碎片在CR-39的电荷分辩率[5，8～12](表1).可以看出，两种电荷鉴别方法均给出较好的电荷分辨率，且粒子电荷分辨率与蚀刻条件和束流能量均没有明显的依赖关系.