（粒子物理与原子核物理专业论文）裂变性质的多参数测量系统.pdf

四川大学硕士学位论文 裂变性质的多参数测量系统 粒子物理与原子核物理专业 研究生屈丛会指导教师徐家云黎光武 裂变碎片是核反应过程中的重要生成物，裂变碎片的动能分布、质量分柿、 电荷分布及碎片发射的中子和y 射线是核裂变过程的重要特征，研究它们的性 质及它们之间的关联将为核动力学过程的理论研究提供重要的信息，为核裂变 的实际应用提供数据。本硕士论文是在中国原子能科学研究院裂变物理实验室 进行的，论文主要工作包括建立对裂变反应产生的碎片的质量、电荷和瞬发中 子能量进行关联测量的裂变多参数测量系统，并对实验系统进行调试，以及为 修正测量得到的某一质量碎片的中子能谱中互补碎片发出中子的干扰提供了方 法。 该实验测量系统采用双速度法测量裂变碎片的质量分布，通过测量k x 射 线的能量来间接确定裂变碎片的电荷分布，用飞行时间方法测量蒸发中子能谱， d q k m a x 多参数数据获取系统完成关联测量，按事件记录方式( e v e n tb ye v e n t ) 存 储在计算机硬盘上。2 5 2 c f 源裂变时两个碎片在相反的方向飞出，由于碎片发射 中子的运动方向趋向于碎片运动的方向，因此在相对源相反的两个方向对称的 放置碎片探测器和中子探测器，在其中一方向安装碳膜，裂变碎片穿过碳膜时 产生的次级电子经加速，然后偏转9 0 后入射至l j m c p ( m i c r o c h a n n e lp l a t e ) ，m c p 将次级电子信号放大给出裂变事件发生的标志信号，此标志信号可作为碎片和 中子飞行的起飞信号。液体闪烁体探测器探测到的中子信号和p p a c ( p a r a l l e l p l a t ea v a l a n c h ec o u n t e r ) 探测器探测到的碎片信号分别作为中子和碎片飞行一 段距离后的终止信号。k x 射线的射出方向与碎片的运动方向没有关联，因此 高纯锗探测器放在与碎片探测器所在面垂直的三个方向上测量k x 射线的能 四川大学硬士学位论文 谱，真空白转移到碳膜上的”2 c f 源被设计成与所有的探测面成相同的角度。相 对源成相反方向的p p a c 探测器的输出信号符合作为数据获取系统的触发信号。 本文详细描述了该裂变多参数测量实验系统的原理和方法及对实验测量系 统进行的调试；针对固定裂变碎片核的瞬发中子谱测量中存在的互补碎片核瞬 发中子干扰问题，用蒙特卡罗方法对裂变时两个互补碎片的瞬发中子的发射作 了模拟计算分析，计算了任意质量数的裂变碎片核发射的相对碎片运动成1 8 0 和0 方向的瞬发中子能谱，得出了互补碎片发出中子的干扰只占总中子数的百 分之几、且这一干扰主要出现在能谱的低能端的结论。本文采用蒙特卡罗模拟 计算裂变碎片的瞬发中子能谱的方法为裂变碎片核瞬发中子能谱测量中的误差 分析和修正提供了有意义的参考。 裂变多参数测量系统中使用的各种探测器的主要技术指标基本上能够满足 对裂变碎片核进行多参数测量的物理要求，该实验测量系统可用于裂变碎片的 质量分布测量、电荷分布测量和固定电荷数和质量数的裂变碎片核的瞬发中子 能谱测量，在裂变核物理实验研究方面有着多方面的应用。 关键词：飞行时间方法，质量分布，电荷分布，中子能谱，多参数测量系统 四川大学硕十学位论文 m u l t i - p a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m o ff i s s i o np r o p e r t i e s m a j o ri nn u c l e a rp h y s i c s g r a d u a t es t u d e n tq uc o n g h u id i r e c t o rx uj i a y u nl ig u a n g w u f i s s i o nf r a g m e n t sa r et h ei m p o r t a n tp r o d u c t si nt h ef i s s i o np r o c e s s e s + t h e k i n e t i cd i s t r i b u t i o n s ，m a s sd i s t r i b u t i o n sa n dc h a r g ed i s t r i b u t i o n so ft h ef r a g m e n t sa r e t h ei m p o r t a n tp r o p e r t i e so f t h ef i s s i o np r o c e s s e s ，r e s e a r c h e so nt h ea t t r i b u t e so f t h e m a n dc o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h e mc a np r o v i d ei n f o r m a t i o nf o rn u c l e a rd y n a m i ct h e o r i e s a n dd a t ai n f o r m a t i o nf o rf i s s i o na p p l i c a t i o n t h ew o r ko ft h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so n t h ee s t a b l i s h m e n ta n dt e s to ft h em u l t i - p a r a m e t e rf i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi n c h i n ai n s t i t u t eo fa t o m i ce n e r g y , w h i c hc a r lm e a s u r et h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h e f r a g m e n tm a s s ，f r a g m e n tc h a r g ea n df i s s i o nn e u t r o n s i nt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，f r a g m e n tm a s sd i s t r i b u t i o n sa r em e a s u r e dw i t h d o u b l ev e l o c i t ym e t h o d ，f r a g m e n tc h a r g ed i s t r i b u t i o n sa r em e a s u r e dt h r o u g hk - x r a y s ，a n dn e u t r o ns p e c t r aa r em e a s u r e du s i n gt i m eo ff l i g h tm e t h o d ，d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，w h i c hi sb a s e d o nc a m a c b u su s i n gk m a xf i n i s h e st h ec o r r e l a t i o n m e a s u r e m e n ta n dr e c o r d st h ed a t ae v e n tb ye v e n to nt h ec o m p u t e rd i s k t h et w o f i s s i o nf r a g m e n t sa r ee m i t t e di nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o na f t e rf i s s i o n ，a n dn e u t r o n s e m i t t e db yag i v e nf r a g m e n th a v eat e n d e n c yt ob ei nt h ef r a g m e n td i r e c t i o n s ot h e f r a g m e n td e t e c t o r sa n dn e u r o nd e t e c t o r sa r ep l a c e do nt h eo p p o s i t es i d e so ft h ec f s o u r c e ac a r b o nf o i li sm o u n t e di no n ef r a g m e n td i r e c t i o n ，t h r o u g hw h i c hf r a g m e n t s 四川大学硕士学位论文 p a s s ，s e c o n d a r ye l e c t r o n sa r eg e n e r a t e d ，t h e na c c e l e r a t e da n dd e f l e c t e db y9 0d e g r e e o n t om c p u s i n ga l le l e c t r o s t a t i cm i r r o rf o r m e db yp a r a l l e lg r i d s m c pa n o d es i g n a l s ， w h i c ha r ed e r i v e db ya m p l i f y i n gt h es e c o n d a r ye l e c t r o ns i g n a l s ，i n d i c a t ef i s s i o n o c c n ra n da r eu s e da st h es t a r ts i g n a l so f t i m eo f f l i g h to f t h en e u t r o n sa n df r a g m e n t s s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o rs i g n a l sa n dp p a cd e t e c t o rs i g n a l sa r eu s e da st h es t o ps i g n a l s o fn e u t r o na n df r a g m e n tt i m eo ff l i g h t ，s e p a r a t e l y t h e r ea r en oc o r r e l a t i o n sb e t w e e n k - xr a y sw i t hf r a g m e n t sm o t i o n ，s oh p g ed e t e c t o r sw a sp l a c e di nt h ed i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a rt ot h ef r a g m e n td e t e c t o rd i r e c t i o n t h e2 5 2 c fs o u r c ew h i c hw a s p r e p a r e db yv a c u u ms e l f - t r a n s f e ro n t oat h i nc a r b o nf i l mw a sd e s i g n e dt of o r mt h e s a m ea n g l e sw i t ht h ed e t e c t o r s t h ec o i n c i d e n c eo fp p a cs i g n a l st r i g g e r st h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i nt h i s p a p e r , m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s a n dm e t h o d so ft h e f i s s i o n m u l t i p a r a m e t e rs y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n dh o w t od e b u gt h es y s t e mi sa l s o i n c l u d e d i no r d e rt os o l v et h ei n t e r f e r e n c eo fi n s t a n tn e u t r o n se m i t t e db y c o m p l e m e n t a r yf r a g m e n td u r i n gt h em e a s u r e m e n tf o r t h ef r a g m e n to fg i v e na n e u t r o ns p e c t r ai nt h ep a r a l l e ld i r e c t i o n sa n do p p o s i t ed i r e c t i o nt ot h ef r a g m e m d i r e c t i o nw e r ec a l c u l a t e du s i n gt h em o n t ec a r l om e t h o d ，w h i c hh e l p st h eu n c e r t a i n t y a n a l y s i sa n dm o d i f i c a t i o no f t h en e u f f o ns p e c t r a t h ed e t e c t o r sp r o p e r t i e su s e di nt h es y s t e mc a nm e e tt h ep h y s i c a ld e m a n dt o m e a s u r et h ef i s s i o nf r a g m e n tb a s i c a l l y t h es y s t e mc a nb eu s e dt om e a s u r et h e f r a g m e n tm a s sd i s t r i b u t i o n s ，c h a r g e d i s t r i b u t i o n sa n dn e u t r o n e n e r g ys p e c t r a , f u r t h e r m o r e ，i tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do ff i s s i o nr e s e a r c h e s k e y w o r d s ：t i m eo ff l i g h tm e t h o d ， m a s sd i s t r i b u t i o n ，c h a r g ed i s t r i b u t i o n ， m u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归四川大学所有，特此声明。 研究生：厨丛会 指导老师：徐家主， 2 0 0 7 年f 月w 日 四川大学硕士学位论文 1 引言 1 1 核裂变的发现 2 0 世纪3 0 年代初，核物理得到迅速发展。1 9 3 2 年2 月，j c h a d w i c k 在剑 桥发现了中子，1 9 3 4 年1 月，f j o l i o t 和i c u r i e 夫妇在巴黎发现了由d 粒子引起的人工放射性。因中子不带电，和原子核之间没有库仑斥力，较其它 带电粒子更易进入核内，产生人工放射性。 在1 9 3 4 年4 6 月，f e r m i 在罗马的研究组用中子照射了6 0 个元素，其中有 3 5 个元素发现了4 4 种不同的放射性，其中轻元素一般发生( n ，y ) 、( n ，p ) 、( n ，y ) 反应，重元素的反应较为复杂，照射u ，则发现了4 种以上的不同半衰期的放射 性。随后罗马、德国、法国的实验室继续对中子轰击u 的产物做进一步的研究， 发现产物很多，且混乱到了极点。采用更直接的化学分析方法得出结论，“面对 实验结果，不得不改变我们原来的设想，以b a ，l a ，c e 来代替r a ，a c ，t h ：但 作为工作在很靠近核物理领域的核化学家，则很难接受这以前所有与实验帽抵 触的戏剧性的结果”。他们还注意到，两个产物的原子量相加刚好等于俘获一个 中子的u 的原子量，这样就发现了裂变。 要证实核裂变这个假想，首先就是要证实裂变碎片的存在。它们都是具有约 2 0 0 m e v 动能的原子核，并且有很高的电离程度。它们很快被f r i s c h 和许多其它 人证实了。 核工业裂变的产物很多，几乎包含所有的元素，且许多科学家都注意到裂变 的两碎片都是丰中子核素，大多数核都会发出中子或发生b 衰变，如果碎片发 出的中子能再次引起裂变，这样就出现了连锁反应的可能性。 目前，核裂变已成为当今世界经济和社会发展的重要能源；还开辟了原子 核物理研究的新领域，从而深化了人类对原子核微观世界的认识。 1 2 核裂变研究的意义 核裂变是一项具有重大应用和理论意义的核现象，裂变产生的碎片不但包 括全部已知的核素，也还有很多没有研究过的丰中子核素，而且每一碎片内部 四川大学硕士学位论文 的激发能、形状、角动量、释放的中子和y 射线都有一个分布，而且各物理量 之间还有关联。从理论上来说只要知道裂变核从鞍点到断点的运动，一旦断为 两块，在原则上应能判断碎片的组成、形状、激发能和自旋，进而就不难判断 碎片以后的行为，但是这一阶段的运动是不能直接观察的。只能借助于对碎片 的质量、电荷、动能、瞬发中子和瞬发y 射线的观测来推测裂变核在开始断裂 时的状况，为核动力学提供理论研究的依据。 在应用上，核裂变为核能利用的一种途径，在发现之初就受到了广泛的关 注，1 9 4 2 年建成第一座核裂变反应堆，1 9 4 5 年美国爆炸了第一颗原子弹，1 9 5 2 年氢弹试验成功，1 9 5 4 年苏联建成了世界上第一座核电站，1 9 5 9 年美苏核动力 船只先后下水等等，而且反应堆生产的各种放射性同位素和裂变释放的中子， 在化学、生物、医学和农业生产等各个领域得到广泛应用，为人类健康、经济 发展和社会进步做出了巨大的贡献。 由于实际应用和理论研究需要大量的精确的核裂变物理知识，这对实验测 量技术和理论分析提出了更高的要求。 1 3 裂变多参数测量系统 从整个裂变过程来看，裂变核从较接近球形的形状出发，通过一系列的形 变，达到对断裂不稳定的形状，称为断点。经过断点，裂变核就裂变成对质 量和电荷不同的碎片，在库仑斥力的作用下加速，因此分离飞开的碎片具有很 大的动能。裂变核又有较高的激发能，是非常不稳定的，会发出粒子退激。由 b 稳定线知道，稳定核的中质比( n z ) 随a 的增加而增加，而碎片的中质比只 能和裂变核相近，大于质量相同的稳定核，因此这些碎片是远离b 稳定线的丰 中子核素。这些具有高激发能的碎片，将通过释放中子和y 射线而退激，称为 裂变瞬发中子和瞬发y 射线，释放中子后的碎片称为独立或初级产物。初级产 物还是丰中子核素，经过b 衰变或多次b 衰变链，伴随着发射y 射线，或时 而有缓发中子放出后才能达到稳定核素，成为次级产物。根据理论估计，各过 程的时间间隔a t 大约如表l l 。 四川大学硕士学位论文 表1 1 裂变各过程的时间间隔 t s 到达阶段根据碎片间距离f r o o鞍点 ( 2 6 ) 1 0 2 断点2 0 动力学计算库 4 x i 0 2 0 动能达最大值 9 0 0 仑场加速值 1 0 砌1 0 川 瞬发中子 ( 估计值) 1 0i s 6 1 0 1 瞬发y 射线 l o 1 3 衰变 为了得到某一裂变碎片的质量、电荷和射出的中子信息，需要对裂变碎片 的质量、电荷和射出的中子进行关联测量，且同时记录一次裂变的关于碎片质 量、电荷和中子能谱的多个探测器信号的脉冲幅度、波形和时间关系。我们采 用一台微机和一个c a m m a c 机箱和几个功能插件组成的多参数数据获取系统采集 数据。 测量碎片质量分布的方法有放射化学法和物理测量方法。为了对碎片的性 质进行综合研究，常用物理测量方法。常用的物理测量方法有：双动能法、双 速度法和动量能量法“。1 。 测量碎片电荷分布的方法有( 1 ) 放化法；( 2 ) 裂变碎片与k x 射线符合测量 法“3 ；( 3 ) 质谱仪+ a e 测量技术“1 ：( 4 ) 碎片电离径迹重心法“。原则上讲，上述方 法都可用来测量裂变碎片的电荷分布，但在使用它们时都会遇到不同的困难， 有时甚至是无法克服的技术困难。 测量中子能谱的方法有核反冲法、核反应法、飞行时间法、活化法和晶体 衍射法“1 。其中飞行时间方法测量结果的精确度和所应用的范围已大大超过了其 它方法。测量单个碎片发出的中子数，通常有两类方法，第一类方法是同时测 中子数目和碎片质量。中子是由加速到最大速度的碎片放出的，因此单一碎片 发射中子的飞行方向偏向于该碎片的飞行方向。利用这一特点，通过测定一对 碎片的飞行速率( 由此可间接计算得到碎片的质量) 和在各方向( 或指定方向) 测得的中子数，就可以计算获得两碎片的质量和各自释放的中子数。另一方法 是同时测定一对碎片的速度和能量，如以a ，a 2 ，a i ，a ；，e ，e ：分别表示两 碎片释放中子前的质量、释放中子后的质量、速度及能量，并假设释放中子是 四川大学硕士学位论文 各向同性的，不改变碎片的速度，则由测得的q ，呸，巨，e 2 ，计算释放的中子数 ? ”，2 一：”z ? - + 爿：2a(1-1) 1 ， l 一i u ? = e 。，一沁? = e 由碎片1 ，2 所释放的中子数分别为a 。一a ：及爿：一4 。 这两类方法都要做中子反冲修正，即发射中子，碎片的速度会改变。第二 类方法，因不测中子更难做中子修正。第一类方法，则随探测器的安排与性能 的差别中子反冲修正不同。 1 4 本论文工作 鉴于以上分析，本研究工作主要是采用测量k x 射线的能量确定碲片电荷 分布、用双速法测量碎片质量分布、用中子飞行时间方法测量中子能谱等几种 实验测量方法在中国原子能科学研究院裂变物理实验室建立对“2 c f 自发裂变反 应产生的碎片的质量、电荷和碎片瞬发中子进行关联测量的核裂变多参数测量 实验系统，完成裂变多参数测量系统的前期建立和实验测量系统的初步调试， 使测量系统达到预期的技术指标。 为了解决测量固定电荷数和固定质量数的裂变碎片的瞬发中子能谱时同时 产生的另一碎片发出中子的干扰，本文拟采用蒙特卡罗方法根据所建立的实验 系统装置模拟了固定质量数的裂变碎片发出的0 度和1 8 0 度方向的中子能谱， 为实验测量结果的修正提供了方法和参考。 四川大学颈士学位论文 2 多参数测量系统的测量原理和方法 2 1 裂变碎片电荷的测量 2 1 1k - x 射线法测量裂变碎片电荷分布的原理 不同的元素其核外轨道电子的数目、排列和各能级间的能级差是不同的， 其壳层的电子结合能也是不同的。按照电子排列趋于最低能量状态的原则，在 壳层形成电子空位时，处于高能级的电子会立即填补这一空位并以电磁辐射的 方式发射这一能量，即x 射线。每种元素的x 射线的能量不同，因此可根据发射 的x 射线的能量判断激发原子的原子序数，所以叫做特征x 射线。 这种方法是在1 9l 3 年由莫塞莱( h g j m o s e l e y ) 提出的。他发现元素发出 的特征x 射线的频率v 与原子序数z 之间存在下列关系， 了：a z b( 2 1 ) 式中a 、b 为常量，对于一定范围内的元素，它们不随z 发生变化”1 。如图2 1 所示为k 线系的x 射线图。 由上可知用特征x 射线测量原子序数的条件是内壳层空位的存在。原子产生 内壳层空位的方式大体上可分为两种类型：内在原因和外在原因”7 。 ( 1 ) 内在原因：原子自发的产生内壳层空位，这只有某些放射性同位素才具 有这样的特性。内在原因又可分为以下两类：a 电子俘获衰变的放射性核素， 如“”c d 、”f e 等，在衰变时原子核会将一个轨道电子俘获到核内，使一个质子转 变为中子和中微子。b 伴有发射内转抵换电子的放射性核素，如“。a m 、“9 p u ，存 在一定的几率将它的子核本应发射的y 射线能量直接传递给核外轨道电子，使 电子向外发射，结果在壳层上留下个电子空位。 ( 2 ) 外加因素：利用外加因素的作用，使原子放出轨道电子而产生空位，这 种外加作用可以是：a 带电粒子的轰击。如a 射线、b 射线的照射，或者加速器 所产生的各种粒子束的轰击。b 电磁辐射的照射，如：放射性同位素源或x 光管 发出的y 射线或x 射线的照射。这种利用外加作用使原子产生空位的，外加作用 停止时，电子空位也停止产生，特征x 射线也停止发射，故这种特征x 射线通常 又称作x 射线线荧光。 四川大学硕士学位论文 w 镢_ 8 0 7 0 旋 6 0 彳矿 足4 c 么 矿 3 0 一 矿 2 0 厂 1 0 ， 7 图2 1k 线系x 射线莫塞莱图 裂变碎片核发射中子后的激发能量主要以y 射线的形式释放，大约存在5 的几率将它本应发射的y 射线能量直接传递给核外轨道电子，使电子向外发射， 结果在壳层上留下一个电子空位，发生内转换”，外层电子向内层跃迁填补这 空位，并发出x 射线。平均每次裂变k x 射线的产额为0 5 7 0 0 6 ”1 ，单一碎片的 k x 射线的产额依赖于碎片的z 和a ，且不平滑，根据文献 1 0 ，在裂变后o 1 f i s 内大约3 0 k - x 射线射出：在0 卜i n s 之间，又有3 0 的k x 射线射出：在i n s - 1 0 n s 之间有2 5 的k x 射线射出，剩余的1 5 的k x 射线的半衰期在3 0 n s - i 0 0 n s 之间。 所以我们可以用测量k x 射线的能量来得到裂变碎片的电荷数z 。 2 1 2 x 射线的能量测量的谱仪 裂变碎片核发射的x 射线能量大约在i 0 8 0 k e v 范围内，与物质的相互作用 方式中最主要的是光电效应，还有一部分发生康普顿效应。 对x 射线能量测量的谱仪装置可分为两大类，一类是用x 射线弯曲晶体谱仪 它的特点是能量分辨率高( 线宽只有几个或几十个e v ) ，但探测效率低，只有 6 四川大学硕士学位论文 1 0 一4 9 6 1 0 气，这种装置通常与强x 射线管起使用，用强辐射来弥补低效率的缺 点。另一类是利用各种探测器谱仪，对低能y 和x 射线都造用，主要是n a i ( t 1 ) 薄片闪烁计数器、正比计数器、半导体探测器。下面对这三种探测器作一介绍1 。 n a l ( t 1 ) 薄片闪烁计数器 对探测低能x 射线来说，n a l ( t 1 ) 晶体的能量分辨率很差，一般为5 0 一6 0 ， 在低能区，能量线性不好。但由于它有很高的探测效率，使用简便，因此在某 些不需要能量分辨只用于测量强度的场合，仍然用得很多。 为了让低能光子有效的射入晶体，在探头的挡光外壳以及晶体的包装盒上 都要设计能让低能光子透过的窗。一般用原子序数小的金属材料如铍或铝薄膜 来封装窗口，厚度为0 2 哪左右。为了考虑窗壁对射线的影自，可按下式计算 射线通过窗壁的穿透率p ： 尸= e 一m o( 2 2 ) 式中。是窗材料的质量厚度，r 。是材料的质量吸收系数。对i m m 的b e 和 1 0 k e v 的光子，透射率为9 7 ，对i m m 的a l 和1 0 、2 0 、4 0 k e y 的光子，透射率 分别为0 0 7 、4 0 、8 6 。 为了减小本底计数和高能光子的影响，n a l ( t i ) 晶体一般用薄片状，厚度为 i m m 左右；为了提高信噪声比，应特别注意光的吸引以及选用发光效率高的闪烁 体、光电转换效率高而暗电流波折光电倍增管。 气体正比计数器 气体正比计数器也广泛用来测量低能光子的强度和能量。它所能测量的能 量下限很低，几乎能测到与产生一对电子一离子对所对应的能量。这是由于它具 有高的气体放大倍数并不伴随噪声这一突出优点。在半导体探测器中，虽然产 生对载流子所消耗的能量小，比气体的约低一个量级( 例如，对s i 为3 6 1 e v ， 对气体为3 4 e v ) ，但它没有内部放大，因此必须考虑依靠电子学线路来放大信号， 这时电子学噪声就影响和决定了能测到的能量下限，而闪烁体计数器中虽有光 电倍增管的放大，但它的热电子发射和暗电流是难以避免的。 为了适于测量低能光子，在结构和充气方式上，j 下比管有封闭式和流气式 四川大学硕士学位论文 两种。封闭式管子的管壁上开设入射窗，使用b e 和a l 等轻材料封接。此外， 在正对着入射窗处还开设有出设窗。其目的是使未发生作用的x 射线或其它射 线可直接射出。以免造成反散射或激起管壁材料的特征x 射线的干扰。也有不 开设窗口的管子，但其整个管壁是选用石墨等轻材料做成的。对于流气式的管 子，可用极薄的聚脂薄膜( 如厚0 0 2 5um ) 作窗甚至可以省去窗膜，样品可直接 插入计数管里或以不影响计数性能的气体形式充入管内，这就避免了窗膜和源 本身的吸收，因此更适于测量低能光子。 正比计数管的能量分辨率比n a i ( t 1 ) 闪烁体计数器好2 3 倍，但仍不如半 导体探测器。在低能区它的能量分辨率一般为1 4 j 卜2 0 。在能谱上最显著的谱 形是一个相应于入射射线能量的光电峰，但工作气体会有特征x 射线放出，有 可能从计数管逃出去，所以在能谱上也会看到逃逸峰。对于a r 、k r 、x e ，荧光 产额分别为o 1 1 、o 6 7 、0 8 1 。由于k r 和x e 的荧光产额大，又是气体物质， 放出的特征x 射线极易跑出，因此在k r 、x e 正比计数管测到的y 谱上，逃逸峰 的面积很大，往往超过光电峰的面积。但由于对光子的吸收主要通过光电效应， 而光电效应的截面和z 的五次方成正比，因此为了提高探测效率要选用z 大的 物质。与上述因素综合起来考虑，常用的气体是a r 、k r 、x e ，在低能时可选用 a r ，在能量高时，可选用k r 和x e 。 半导体探测器 半导体探测器的能量分辨率高，比n a i ( t 1 ) 好几十倍，适用于精密的低能和 x 射线的能谱分析。测量低能射线s i ( l i ) 半导体探测器更有利，原因如下：( 1 ) s i ( l i ) 表面“死层”小，可探测的能量下限低。( 2 ) s i 和g e 和k 吸收限分别为 1 8 4 k e y 与1 1 1 k e v ，荧光产额分别为0 0 5 与o 5 ，因而在低能区使用g e 探测 器会出现g e 逃逸峰而使谱线复杂化。此外g e 探测器的探测效率在1 1 1 k e v 处 会出现阶跃变化如图2 2 所示，这是由于特征x 射线逃逸( 产生逃逸峰) 以及 入射光子在g e 死层中的显著吸收造成的。在s i ( l i ) 中，这一现象不容易看到。 ( 3 ) s i ( l i ) 的稳定性好些，在低温下漏电流小。( 4 ) s i ( l i ) 对高能y 射线不敏 感，因而高能y 和本底的影响小。 四j l 大学硕士学位论文 墨 惫 妞 一 蔷 鬈 越 制 垲 _ i 手 簟 彘 奄 鼍 掌 鬟 稍 垲 * 1 0 1 i 光子麓( k e v ) ( ) ( b ) 图22h p g e ( a ) 与s i ( l i ) ( b ) 探测效率随能量的变化 在b p g e 和。s i ( l i ) 探铡器的探测效率随能量交化的1 关系曲线上可看到， s i ( l i ) 探测器测量的能量范围一般在5 0 k e y 以内，当能量大于5 0 k e v 时，s i ( l i ) 探测器的探测效率太低，必须使用b p 6 e 探测器。 h p g e 探测器h p g e 半导体和前置放大器都被液氮冷却，入射窗由b e 片封装。 除b e 窗的吸收外，影响低能x 射线的能量的下限主要是x 射线在进入b e 窗前 在空气中的衰减。为了减少空气的吸收，现已发展使用真空抽气装黉或充以h e 气，这样可使探测能量的下限接近无空气介质的水平。 与n a i ( t 1 ) 正比计数器的情况不同，在h p g e 和s i ( l i ) 探测器中，低能x 射 线的能谱上仍有显著的康普顿坪存在，这是由于s i 、g e 的原子序数比i 或x e 的原子序数要小，因而射线在晶体中康普顿散射作用相对来说较大，在n a i ( t 1 ) 或正比管类似的情形中看不到康普顿坪。在复杂x 射线的测量，房乏普顿坪的存 四川大学硕士学位论文 在使谱的分析变的复杂。 2 2 裂变碎片质量分布的测量 2 2 1 双速度方法测量碎片质量分布原理“2 1 双速度方法是用飞行时间方法同时测量一对互补碎片的速度。自发裂变的 两碎片以相等的动量向相反方向发出，设其质量数为a ，和a ：+ ，速度为v 及v ：， 则有 a v = 疋v ( 2 3 ) a ：+ a ：= 2 5 2 ( 2 4 ) 两式联立可得 ( 2 5 ) 但实际测得的碎片速度是发出瞬发中子以后的速度v 。假设碎片发射1 个 中子，由于在碎片质心系中，那么m v 。+ m ，v ，= o ，m n ，v 。，r f l 。v ，分别是在质心系 中发射中子的质量与速度和发出中子后剩余核的质量与速度。碎片发出中子后 一一一 的速度为v - ( j = t ，2 ) 。于是= + 一。见图2 3 一一一。一一一一一一。一一一一一一一 一。一一一一一一一一。一一一一 v ， 图2 ，3 碎片发射1 个中子后速度矢量之间的关系 巫盟 四川大学硬士学位论文 由图2 3 口 得 k 2 = “+ 哆一2 v , f , c o s 8 ( 2 6 ) 将v ，= m m ，v 。代入( 2 - 6 ) 式，可得 形z ：k “+ ( 旦) ：眨一2 v , 一m nk c o s 8 。 m m l ( 2 - 7 ) 由于裂变碎片发射中子是各向同性的，l i pc o s 0 = 0 所以对释放中子前质量 同为珊j 的碎片来说，放出一个中子后速度平方平均值为： 吩k “+ 印( 2 _ 8 ) 肌r 9 一目、 如果有v 个中子从一上发射，则 ：k “+ v ( 堡) 在实际测量中不可能测到发射中子在质心中的速度，但可以根据实验室中 测得的中子速度反推质心系中的中子速度，根据文献 1 3 知质心系中中子的平 均能量为1 4 4 m e v 。”c f 自发裂变的中子多重性大约为3 8 ，平均每个裂片大 约发射1 9 个中子，m j m , 。8 1 0 3 , ：! 釜! ：约为。1 7 一。4 5 。这一项可 矿“ 忽略不计，则 2 = 2 因此 ( 2 - 1 0 1 小等 小篇 从而可看出发射中子后碎片的速度的平均值变化不大，但是有了一个分布， 则算出的质量数也有一个分布，因而影响质量的分辨率，用双速度法测得的分 辨率可达l u 。 四川大学颈士学位论文 2 2 2 碎片探测器“” 裂变碎片是快速运动的重离子，主要是通过电离( 包括多次电离) 和激发靶 原子核过程使离子慢化，收集产生的电子和离子来探测裂变碎片。 我们选用p p a c 探测器作为碎片飞行时间标志信号的探测器，因为它探测面 积很大，探测效率高，此外还有许多优越的性能：很好的定时性能，几百p s 或更 好；允许有较高的计数率，能达到1 0 3 1 0 5 s ；探测器的入射窗可以做得很薄， 这大大减少窗对入射粒子尤其是重离子的散射效应；探测器工作气压可调( 因 而厚度可调) ，适合探测不同类型、不同能量的粒子：价格比较便宜，允许大 立体角接收，还可以定位，位置分辨可达到0 5 m m 或更好；对电子、质子等轻 粒子造成的本底不灵敏：气体在流气方式下工作，辐射损伤小等等。 平行板雪崩电离室的原理“5 1 当一正高压加到阳极上时，在阳、阴极之间的空间就存在很强的均匀电场， 当一带电粒子穿过整个空间时，发生电离并在其中产生电子、正离子对。电子、 正离子分别向阳阴极漂移，电子向阳极漂移的过程中迅速倍增，形成雪崩，该 过程遵从下述规律： n = n 。e a d ( 2 - 1 2 ) 这里n 为次级电子数，n 。为原电离电子数，a 为第一项t o w n s e n d 系数，d 为漂 移的路程。a 表示单位路程上的平均电离几率，并且是约化电场的函数。 a p = a e x p 一b ( e p ) ( 2 一l3 ) 其中p 为气体压力，a 、b 为气体常数。尽管在整个粒子径迹上都发生电子倍 增过程，但主要的雪崩过程发生在阳极附近1 - 2 个平均自由程的范围内，即对信 号的主要贡献来自靠近阴极附近的原电离电子。当这些雪崩过程中产生的次级 电子、离子分别向阳、阴极运动时，就在阳极上感应产生负脉冲，在阴极上产 生正脉冲。脉冲由快慢两种成分构成，快成分来自电子的贡献，上升时| b j t ，- 一- 2 n s ： 慢成分来自正离子的贡献，t ，约为l t ls 。但正离子对脉冲幅度的贡献为电子的a d 倍。在阳极上感应的负脉冲可作为定时信号，从阴极上引出的正脉冲可确定入 射粒子位置。 由于雪崩本身不是在一个点上进行的，加之，在正离子运动过程中因电荷 四川大学硬士学位论文 相互作用而产生扩散，因此，感应电荷会分布在几个阴极窄条上，该分布的质 心就对应于发生雪崩的位置。为了读出这些信号，可采用几种方法，而延迟线 线读出比较方便、实用。也是很重要的一种方法。感应脉冲沿阴极窄条向两端 传输，测量该脉冲到达阴极延迟线两端的时间差，即可确定雪崩的位置“。 几种类型的p p a c 探测器 第一种类型“” p p a c ( p a r a l l e lp l a t ea v a l a n c h ec o u n t e r ) 一般由阳极s ，阴极x 、y 三 个电极及两个窗平行排列组成如图2 ，4 。阳极由张紧在一个环氧纤维框架上的厚 1 5 um 双面镀金的m y l a r 薄膜构成。两个阴极( x 极和y 极) 分别对称放置 在阳极两边，均由间距为1 姗，丝径为2 5hm 的镀会钨丝均匀排匆两戍的丝平 面，预应张力9 8n 。x 与y 平面丝方向相互垂直。两极面与阳极问距为3 m m 。两 个窗是由其尺寸与阳极框架完全相同的敷铜板制成的框架，无效铜层的面上 密封一张紧厚度为6pm 的m y l a r 薄膜，在敷铜层的一面布有支撑丝，以支撑 p p a c 在工作气压下的张力。 固2 4 三极式p p a c 结构图 四大学硬士学位论文 探测器信号有4 个位置信号x l 、x 2 、y l 、妮，x l 、工2 取自x 阴极，y l 、y 2 取 自y 阴极；p p a c 高压通过s f i v 插座旖加，阳极信号由一个b n c 插座引出。阳极 信号可以用来测量入射粒子在探测器气体内的能损，但它的主要作用是给出飞 行时间信号、符合测量信号和数据获取系统的触发信号。构成阴极丝面的镀金 钨丝焊接在上面。阴极丝之间用2 0 0 ( 2 高精密电阻连接，以便用位置的电荷分除 法读出。电阻链两端由2 k q 的电阻接地。这样，电荷相当于在无限长的分布式 r c 电路中传播。由理论分析可知，电阻链两端所收集的电荷量同粒子的雪崩位 置密切相关。当粒子在灵敏体积内某点产生的次级电子向阳极漂移时会产生雪 崩放大。同时正电荷向阴极漂移。假定阴极两端得到的电流脉冲幅度分别为 a x l5 4 y 1 ) 和a x 2 乙妙2 ) ，取阳极中心为原点，可得粒子的入射位置 x = k ( a x l a x 2 ) ( a x l + a x 2 ) ，。， 、 y = k ( a y l a y 2 ) ( a y l + a y 2 ) 式中系数由探测器本身属性及电子学电路参数共同决定。 第二种类型： 以上介绍的是传统的三极式p p a c ，在三级式的基础上加一个阴极一双栅位 霞灵敏雪崩室( d a g c ) “”如图2 5 。 图2 5 双栅位置灵敏雪崩室 s k a t 双栅位置灵敏雪崩室( d a g c ) 不但能提供入射离子的时间信息，同时还能提 供入射离予的两维位置和能损信息，用若干个d a g c 组合的探测器系统，能方便 四川大学硕士学位论文 地确定核反应产物的速度矢量，应用于用运动学方法来研究二维问题时，或对 于较高能量弹核引起的多粒子发射的多重性的空间关联测量等。这种探测器最 适合简单的符合探测器，因而在重离子物理实验中得到越来越广泛的应用。 第三种类型： 在三级式的基础上加两个阴极成为5 电极结构的m p p a c “”如图2 6 。 酊i ! f j 椒堋扳 m 授z 栅极川极 图2 6m p p a c 的结构示意图 m p p a c 较传统的p p a c 结构复杂，初始电离在p p a c 的灵敏体积内经历1 次雪 崩，信号幅度较小。但在m p p a c 的灵敏体积内引起原初电离的1 次雪崩和2 次雪崩 信号幅度大1 2 个量级，信嗓比高，位置分辨达n o 5 8 肿以( f