径迹探测器

第八章径迹探测器中国科学技术大学近代物理系高能物理实验室汪晓莲2006年9月中国科大汪晓莲2§8.1核乳胶§8.2固体径迹室§8.3气泡室§8.4脉冲径迹室第八章径迹探测器2006年9月中国科大汪晓莲3电子学计数器通过记录粒子产生的电信号，如计数、幅度、时间、空间位置、脉冲形状等。必须与电子学线路和仪器配套使用的探测器。气体探测器：电离室、正比计数器、G-M计数器半导体探测器：金硅面垒、Si(Li)、Ge(Li)、高纯锗等闪烁计数器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料闪烁体、液体闪烁体契仑柯夫计数器：阈式C计数器、微分式C计数器RICH等气体丝室：多丝正比室、漂移室等2006年9月中国科大汪晓莲4径迹探测器直接记录粒子走过的径迹来探测粒子或对径迹拍照，再对照片进行分析处理的探测器。如：核乳胶、固体径迹室、云室、气泡室、火化室、流光室等等。－、±、0、＋、K0、反P、0、±、0、－、反0、反±等粒子的发现，有11次是利用核乳胶，8次利用了云室，5次利用了气泡室，而只有2次是利用电子学计数器。2006年9月中国科大汪晓莲5§8.1核乳胶一、工作原理和构成1.组成：核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。溴化银AgBr大部分常用银盐碘化银AgI少量银盐颗粒对带电粒子灵敏，而对光几乎不灵敏。胶质：骨胶和明胶2.工作原理：1）核乳胶记录带电粒子的首要条件：形成“潜影”带电粒子与AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定条件下，Ag原子聚集成Ag集团，形成可显影的核心“潜影”，经化学显影处理，潜影的晶粒还原成黑色的Ag颗粒，把带电粒子的径迹显示出来。2006年9月中国科大汪晓莲62）电离测量的依据形成潜影的几率与入射粒子的电离本领有关，电离本领大，形成潜影多，银颗粒密度大。在电荷一定时，颗粒密度与粒子速度有关。测量径迹的颗粒密度可知粒子速度。3）测量径迹的射程和多次散射射程多次散射角根据径迹的长短、弯曲和颗粒的稀密程度来鉴定和测量带电粒子的电荷、质量及动量。)(42242vfzNZBvmezdxdEe00000/)(EEdxdEdEdxER)()(0222xtpvEsz2006年9月中国科大汪晓莲7二、核乳胶的特性1.乳胶中的AgBr浓度C：3.0-3.2g/cm32.AgBr晶粒平均直径d：0.1-0.4m3.AgBr晶粒对带电粒子的灵敏度P：定义为带电粒子通过一个晶粒时，在该晶粒中产生潜影的几率。4.一根粒子径迹上平均晶粒密度：记录电离本领小的粒子选用晶粒较大的乳胶记录电离本领大的粒子选用晶粒较小的乳胶dCPdXdN232006年9月中国科大汪晓莲8三、核乳胶的处理与普通乳胶相似，需要经过显影、定影、水洗、浸泡甘油、凉干、清洁等过程，只是显影液、定影液的化学配方及所用时间长短有所不同。2006年9月中国科大汪晓莲9四、核乳胶中径迹的测量1、工具：双目显微镜，M＝100－2000倍2、原理：由射程定粒子能量对其他粒子)()()(/)(022002000MEzMvFzMvfvdvzMdxdEdEEREvCRzMMRPPM222xaaxaxzMzMRRC为修正系数，对不同乳胶其值不同2006年9月中国科大汪晓莲103、径迹长度测量方法22()Rlsh在显微镜下，只能测量径迹在物镜主焦面上的投影l和垂直分量h。h为什么会变短呢？因为核乳胶中AgBr含量很大，显影定影处理时，大量被溶解掉了。测量处理前后的乳胶厚度，就可得到收缩因子hhs'2006年9月中国科大汪晓莲114、从电离鉴别粒子（一）实验上最长用的方法：测银颗粒密度，即单位长度径迹上银颗粒数目。粒子速度快，电离小，颗粒密度稀；粒子速度慢，电离大，颗粒三三两两挤成小团，形成“块”；粒子速度更低，低能多电荷粒子，径迹基本上是一条黑粗线，无法测量。2006年9月中国科大汪晓莲124、从电离鉴别粒子（二）用待测粒子X的径迹与已知粒子A的径迹相比较寻找在同一乳胶片中径迹颗粒密度相同的地方：如果两种粒子电荷相同，则在颗粒密度相同的地方，即速度相同处，测量剩余射程，得到射程比，再得到质量比，继而得到未知粒子质量Mx。200022()()(),()()()()EEMRzREzMMMdNdEERzfFvGdRdxMM，AAXXMRMRAXdRdNdRdN)()(2006年9月中国科大汪晓莲135、从多次散射鉴别粒子带电粒子通过核乳胶时，发生多次散射。多次散射角的水平投影的绝对值平均：K：散射系数已知入射粒子种类，即已知电荷数z；已知核乳胶厚度t，就可确定入射粒子能量。反之，已知入射粒子能量和乳胶厚度，可确定带电粒子的电荷。100tpvKz2006年9月中国科大汪晓莲146、从电子密度确定入射粒子电荷在核乳胶的主径迹上的许多小分岔，这就是电子的径迹。理论计算有：能量在E1和E2之间的电子密度为z30时，一般取E1＝10KeV，E2＝30KeV。实验上选电子射程1.5m。讲义213页图8－6给出了n与R的标准曲线，测出粒子径迹某处的电子密度n与R值，由曲线确定其电荷。)()(2221222222EmcEmcmceNZzn2006年9月中国科大汪晓莲15§8.2固体径迹室一、发展历史：五十年代末D.A.Young发现某些固体材料被辐射后经化学蚀刻处理后可形成用光学显微镜观测的径迹。E.C.H.Silk等用透射电子显微镜观测到云母片中的核聚变碎片的径迹。1962年P.B.Price等改进化学蚀刻方法获得稳定不变的径迹。1963年R.L.Fleischer等提出玻璃和塑料等人工材料的蚀刻方法，免除天然材料的本底影响。1967年识别固体材料中的核径迹的技术日趋成熟。1975年Fleischer等人对固体径迹探测器作全面小结。1977年开始出版国际性专门学术刊物“NuclearTracks”。1965年国内开始研究，至1982年共有40多家单位参加，出了大量研究成果。2006年9月中国科大汪晓莲16二、使用材料：一片透明的固体即各种绝缘材料。结晶固体：云母、石英、AgCl、LiF等非结晶固体：各种玻璃聚合物：硝酸纤维、醋酸纤维、聚酯、聚碳酸脂等要求：材料结构均匀，无缺陷，表面无损伤。为便于光学显微镜观测，通常制成透明的薄片。2006年9月中国科大汪晓莲17常用固体径迹室材料的性能材料蚀刻条件Z00云母石英普通玻璃磷酸盐玻璃聚酯(Mylar)聚碳酸脂硝酸纤维醋酸纤维48％HF,230C,3~40分48％HF,230C,300分48％HF,230C,300分48％HF,230C,30分6NNaOH,700C,10分6NNaOH,700C,8分6NNaOH,230C,2~4小时6NNaOH,700C,12分1416161552123041’1602’37021’706’3029’2024’*Z0：可探测粒子的最小电荷数；0：探测热中子引起235U核裂片的平均临界角。2006年9月中国科大汪晓莲18三、探测原理重带电粒子穿过固体材料时，其电离作用很强，沿其穿过路径造成原子尺度上的辐射损伤，造成位错原子和空穴，或者使分子化学键被打断，形成分子碎块和自由基。经适当处理，会形成可观测的径迹，这就是固体径迹探测器的基本原理。原子序数为Z的快速粒子穿过固体时其轨道电子被剥离成为有效电荷为Z*的离子，有经验公式高速离子与固体原子发生库仑相互作用，使之激发或电离，且均发生在靠近粒子穿过路径附近，造成辐射损伤。2/31exp130//ZZZvc2006年9月中国科大汪晓莲19四、化学蚀刻用强酸（HF、H2SO4、H3PO4等）或强碱（NaOH、KOH等）进行蚀刻，使辐射损伤区由几十埃扩大几千埃，形成蚀坑或孔洞。用显微镜观测孔洞的数目可确定粒子强度和通量。把许多固体径迹探测器摞成一叠，沿粒子穿过的路径有一连串孔洞，即粒子径迹。测量孔洞的参数，可鉴别粒子。径迹孔洞的形状：在云母中：菱形和圆柱形在玻璃中：圆形在聚碳酸脂中：长形2006年9月中国科大汪晓莲20五、径迹特性和测量1.阈特性实验发现辐射损伤密度J大于某一数值J0时，粒子径迹才能被蚀刻可见。阈值J0只与材料的性质有关，而与入射粒子的种类无关。利用阈特性可选择粒子，可确定粒子电荷数的下限Z02.最大可蚀刻长度Lmax辐射损伤密度大于阈值的径迹长度。不同粒子在同一种材料中，由于可蚀刻出径迹的速度范围不同，电离损失不同，Lmax也不同。Lmax与粒子电荷一一对应，测量Lmax，可确定粒子的Z0。2006年9月中国科大汪晓莲21辐射损伤密度与各种粒子的速度及能量的关系云母中孔洞形状2006年9月中国科大汪晓莲223.临界角c决定入射粒子径迹能否蚀刻出来的因素之一。要求入射粒子与探测器表面的夹角c两个作用过程：沿辐射损伤方向,蚀刻速度Vt沿垂直探测器表面方向,蚀刻速度Vs1sinsinsinsin/tststcsstVVVVVVVVc只有，才能蚀刻出孔洞。反之，则不能蚀刻出径迹来。，Vt2006年9月中国科大汪晓莲234.蚀刻率和剩余射程蚀刻率：沿径迹方向的蚀刻速度Vt，依赖于材料和蚀刻剂，与辐射损伤密度J有关。只测径迹上一点的蚀刻率，定不出粒子的电荷，因为辐射损伤密度等于某一值有很多曲线，该径迹属于哪一条曲线不能确定。至少测量两个点，求出两点的辐射损伤密度和两点之间距离，通过射程和能量的关系可以确定该径迹属于哪条曲线，从而确定粒子电荷数Z，再从阈曲线求出粒子速度和能量。在实验里，如果粒子停在探测器中，测量径迹上任何一点的Vt和相应的剩余射程R，就可确定粒子的电荷和能量。电荷数和速度相同质量不同的粒子，他们的辐射损伤密度是相同的，但剩余射程不同。质量越大的粒子的剩余射程越长。所以通过测量径迹的蚀刻率相同位置的剩余射程，可分辨具有相同电荷数但质量不同的同位素。2006年9月中国科大汪晓莲245、探测效率包括固体探测器被辐照时对核径迹的记录效率和化学蚀刻处理中显示径迹的效率－蚀刻效率。记录效率蚀刻效率0JJ辐射损伤密度的粒子数穿过固体探测器表面的粒子数00tsvvJJJJ的粒子数蚀刻出的径迹数的粒子数的粒子数2006年9月中国科大汪晓莲25小结固体径迹探测器核乳胶对轻粒子不灵敏对轻粒子灵敏对重粒子电荷分辨高对重粒子电荷分辨低径迹可长期保存径迹可保存几个月不用暗室就可蚀刻在暗室中处理阈特性JJ0入射角0才能形成可蚀刻径迹一根粒子径迹上的平均颗粒密度dCPdXdN233dP主要测量核裂片、重离子、宇宙线、粒子、中子等等，主要用于裂变物理中，研究核反应和核裂变的截面、通量、能谱、半衰期、角分布、新粒子新成分的寻找核测量等等。2006年9月中国科大汪晓莲26应用学科应用举例化学各种样品中U,Th,Pu,Li,B,N,O元素的含量和分布测定核物理研究裂变、重离子核反应，测定复合核寿命等离子体聚变诊断粒子物理磁单极子的探索固体物理中子衍射，固体缺陷的识别，沟道效应和堵塞效应的研究超流动性研究均匀微孔中超流体的流动膜物理流体通过微孔的运动宇宙线物理宇宙线重粒子的识别太阳物理太阳风的研究，太阳耀斑粒子能谱的测定天体物理元素起源问题的研究地球物理大西洋底扩展速度的测定，地层中氢的迁移与地震预报……2006年9月中国科大汪晓莲27§8.3气泡室气泡室既是靶又是探测器，可拍摄极为清晰的粒子相互作用顶点的立体照片，具有作用顶点清晰，空间分辨本领高，可以选择工作液体等优点，是高能加速器实验常常使用的径迹探测器之一。在强相互作用方面，1958－1965期间，发现28种共振态，其中大多数是用气泡室发现的。如：1959年，王淦昌先生领导的小组用24升丙烷泡室发现超子；1960年美国用15英寸H气泡室发现（1385）；1961年用72英寸H气泡