CR-39探测器应用于带电粒子识别的实验研究

发布时间：2020-06-11 22:43

【摘要】：随着核物理研究的发展和核技术应用的普及,粒子探测和鉴别技术在各领域的应用日渐广泛。由于在很多核反应中,反应道多、反应产物复杂、干扰射线多等因素,给实验测量带来了困难。因此,精准地探测粒子的能量、种类、角分布、反应截面等信息一直是核物理研究和核技术应用的重点。在复杂的核反应中,经常伴有α粒子和质子的产生,两种粒子混在一起,需要使用合适的粒子鉴别方法将两者区分开来。可用于粒子鉴别的方法有很多。相较于其他鉴别方法,固体核径迹分析方法有着不可取代的优势。CR-39是固体径迹探测器(SSNTD)中性能较为良好的一种。CR-39探测器具有灵敏度高,探测阈低,受环境因素影响小,抗干扰能力强,对β、γ以及电子等射线不敏感等优点。本文从理论模拟和实验测量两个方面对CR-39应用于α粒子和质子的识别进行研究。本文应用粒子与物质相互作用理论和径迹蚀刻动力学经验模型,模拟了α粒子和质子在CR-39固体径迹探测器上的径迹形貌,分别计算出3~8MeV的α粒子和1~9MeV的质子最佳蚀刻条件。根据对应的最佳蚀刻条件,计算获得的α粒子和质子的径迹直径、灰度值、径迹深度,据此对相同能量的α粒子和质子、不同能量的α粒子、不同能量的质子、射程相似的α粒子和质子进行识别。同时,用CR-39固体探测器对α粒子和质子进行了实验测量,与理论模拟值进行了对比分析,两者差异在0.37%~9.7%之间,实验验证了模拟方法的可行性。本章的结构以及主要内容如下:第一章为绪论。论述了本课题的研究背景和意义,详细介绍了各种粒子鉴别方法的原理和优缺点,论述了CR-39国内外研究现状,最后简要介绍了研究内容及目的。第二章为辐射损伤径迹及径迹形成机制。简要的介绍了径迹形成的机制,详细分析α粒子与质子在CR-39中的射程和能量损失率。第三章为蚀刻径迹的动力学模拟。介绍了蚀刻阶段径迹蚀刻的动力学模型,模拟了α粒子和质子在CR-39固体径迹探测器上的径迹形貌,分析了蚀刻温度和蚀刻时间对径迹直径和径迹深度的影响,并分别计算出3~8MeV的α粒子和1~9MeV的质子最佳蚀刻条件。根据各能量的α粒子和质子对应的最佳蚀刻条件,模拟分析各能量的α粒子和质子在各最佳蚀刻条件下的径迹轮廓。第四章为α粒子与质子的识别实验。采用称重法进行体蚀刻速率的测量,在98℃的6.25mol/L NaOH溶液蚀刻下测量得到体蚀刻速率值为10.41μm/h,并与理论计算值14.87μm/h进行了比较,确定实验测量值更为符合本研究所用CR-39。使用~(241)Am粒子源对CR-39进行照射,将照射后的CR-39逐层蚀刻,采用的蚀刻条件是98℃的6.25mol/L的NaOH溶液分别蚀刻30min、60min、90min、120min、150min、170min。对蚀刻后α粒子径迹进行分析,与理论模拟值进行了对比分析,两者差异在0.37%~9.7%之间。用CR-39固体探测器对3MeV的α粒子和3MeV的质子进行实验测量,在98℃的6.25mol/L的NaOH溶液中蚀刻45min后,两种粒子径迹区分明显。第五章为α粒子与质子识别的初步分析。根据对应的最佳蚀刻条件,计算获得的α粒子和质子的径迹直径、灰度值、径迹深度,提出了将相同能量的α粒子和质子、不同能量的α粒子、不同能量的质子、射程相似的α粒子和质子区分开来的方法。第六章为总结与展望。总结了本文的研究内容及研究结果,并提出了论文可以继续完善的地方。
【图文】：

图 1.2 CR-39 的分子结构式Figure 1.2 Structure molecular formula of CR-39优点为固体探测器有以下优点:敏度高。CR-39 的分子结构与其他固体探测器不同，这种结构使得 CR-39 只需要受到很少的辐射就能断裂，从而形成潜径迹。量沉积密度探测阈低，可以探测的能量范围较广。损区域（潜径迹）相对稳定，受环境湿度和温度等 β、γ 和电子等射线不敏感，抗干扰能力强。积小，易于携带，价格便宜。

（b） （c）图 2.1 SRIM 软件界面图Figure 2.1 Main Interface of SRIMSRIM 软件包含主要两个模块，，SR 和 TRIM。如图 2.1 所示，（a）为 SRIM软件运行主界面，（b）、（c）分别为 SR 和 TRIM 运行界面。SR 模块（Tables oStopping and Range of ions in simple targets）可用于快速计算入射粒子在简单靶物质中的射程以及能量损失。TRIM 模块（theTransportofIonsinMatter）用于详细计算入射粒子在较为复杂的靶物质中的能量输运过程以及粒子碰撞过程。本章SR 模块计算不同能量的 粒子与质子两种粒子在 CR-39 探测器中的射程、电子能量损失率以及核能量损失率，见表 2.1。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL81

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本文编号：2708583