粒子质量的测量

1、粒子粒子质量质量的测量的测量在实验核物理和反应核物理中，测量对象往往比较复杂，在实验核物理和反应核物理中，测量对象往往比较复杂，除待测射线外还经常伴随各种干扰射线，如测量反应堆除待测射线外还经常伴随各种干扰射线，如测量反应堆中子时常伴随大量的中子时常伴随大量的射线本底，而一般测量中子的探射线本底，而一般测量中子的探测器对测器对射线也很灵敏。为了排除射线也很灵敏。为了排除射线的干扰，在探射线的干扰，在探测中子时必须进行中子与测中子时必须进行中子与射线之间的鉴别。又如在核射线之间的鉴别。又如在核反应中，反应道并不是唯一的，将产生多种反应产物，反应中，反应道并不是唯一的，将产生多种反应产物，只有把多

2、种反应产物鉴别清楚才能准确测量它们各自的只有把多种反应产物鉴别清楚才能准确测量它们各自的能量、质量、有效电荷等能量、质量、有效电荷等相关信息。相关信息。粒子鉴别实际上包含两类内容，一类属于粒子甄别的性粒子鉴别实际上包含两类内容，一类属于粒子甄别的性质，即从几种粒子中选出某一种进行测量，将其余的剔质，即从几种粒子中选出某一种进行测量，将其余的剔除掉。另一类是粒子鉴别，即要测出其原子序数除掉。另一类是粒子鉴别，即要测出其原子序数Z Z和质和质量数量数A A，并测量其能谱等特性，这在重离子物理中经常，并测量其能谱等特性，这在重离子物理中经常遇到。其中需要鉴别出粒子的话，就需要对粒子的质量遇到。其中需

3、要鉴别出粒子的话，就需要对粒子的质量进行测量进行测量。粒子鉴别和粒子质量粒子鉴别和粒子质量飞行时间法飞行时间法轻离子，例如质子、氘核、氚核、轻离子，例如质子、氘核、氚核、粒子等有不同的质粒子等有不同的质量，而且彼此质量的相对差别比较大，通过测量其质量量，而且彼此质量的相对差别比较大，通过测量其质量就可以判断它们是哪种粒子。如果测出粒子的能量，同就可以判断它们是哪种粒子。如果测出粒子的能量，同时又测出他通过一定距离的飞行时间，就可以确定粒子时又测出他通过一定距离的飞行时间，就可以确定粒子的质量。鉴别粒子的这种方法称为飞行时间法。的质量。鉴别粒子的这种方法称为飞行时间法。飞行时间法飞行时间法飞行时

4、间法飞行时间法靶室示意图靶室示意图飞行时间测量飞行时间测量系统包括脉冲束流、飞系统包括脉冲束流、飞行时间靶室、半导体探测器和电子学行时间靶室、半导体探测器和电子学线路。线路。右图即是整个系统中最核心的部分，右图即是整个系统中最核心的部分，束流脉冲和飞行时间靶室。束流脉冲和飞行时间靶室。脉冲束流由可变能量回旋加速器提供。脉冲束流由可变能量回旋加速器提供。核反应用的薄靶放在靶室中心处。靶核反应用的薄靶放在靶室中心处。靶室上方与水平面成室上方与水平面成1515角处装有飞行角处装有飞行管道，飞行管道可在水平面上于不破管道，飞行管道可在水平面上于不破坏真空条件下围绕靶室中心转动。探坏真空条件下围绕靶室中

5、心转动。探测器安放在飞行管道末端。飞行距离测器安放在飞行管道末端。飞行距离约为约为80cm80cm，这个距离是可以调节的。，这个距离是可以调节的。探测器不仅提供粒子的能量信号，还要提供粒子飞行终止探测器不仅提供粒子的能量信号，还要提供粒子飞行终止的时间信号。该系统使用金硅面垒半导体探测器。为了得的时间信号。该系统使用金硅面垒半导体探测器。为了得到好的实验结果，它必须有好的能量分辨率和快的上升时到好的实验结果，它必须有好的能量分辨率和快的上升时间。间。选择大面积的探测器可以增加探测粒子的立体角，但随着选择大面积的探测器可以增加探测粒子的立体角，但随着面积增加，结电容变大，从而降低了信噪比，提高了

6、该系面积增加，结电容变大，从而降低了信噪比，提高了该系统可能探测的下阈。统可能探测的下阈。飞行时间法飞行时间法下下图是图是电子学线路电子学线路。从从探测器取出的能量信号和时间信号探测器取出的能量信号和时间信号分别送人慢电路和快电路，前者是电荷灵敏放大器，它提分别送人慢电路和快电路，前者是电荷灵敏放大器，它提供一个与粒子能量成正比的信号。后者由快放大器、快甄供一个与粒子能量成正比的信号。后者由快放大器、快甄别器、时间幅度变换器（别器、时间幅度变换器（TACTAC）及加速器高频信号引出系统）及加速器高频信号引出系统组成。它提供一个粒子的飞行时间信号。这两种信号再被组成。它提供一个粒子的飞行时间信号

7、。这两种信号再被送入多道分析器进行二维分析。送入多道分析器进行二维分析。飞行时间法飞行时间法飞行时间法对轻离子，特别是低能轻离子，鉴别效果比飞行时间法对轻离子，特别是低能轻离子，鉴别效果比较好。随着粒子质量的增加，质量的差别越来越小，分辨较好。随着粒子质量的增加，质量的差别越来越小，分辨起来就困难了。另外对同质异位素，即具有相同的质量数，起来就困难了。另外对同质异位素，即具有相同的质量数，不同原子序数的一些核，质量差别很小，只用飞行时间方不同原子序数的一些核，质量差别很小，只用飞行时间方法无法鉴别，必须与其他方法结合起来才能进行可靠的鉴法无法鉴别，必须与其他方法结合起来才能进行可靠的鉴别。别。

8、飞行时间法飞行时间法组合方法之组合方法之探测器望远镜法和静电分析法探测器望远镜法和静电分析法组合方法之组合方法之探测器望远镜法和静电分析法探测器望远镜法和静电分析法探测器望远镜系统方框图探测器望远镜系统方框图组合方法之组合方法之磁分析方法和静电分析法磁分析方法和静电分析法新方法和技术新方法和技术之前提到的各种离子鉴别方法都是对核反应产物的在之前提到的各种离子鉴别方法都是对核反应产物的在线离子鉴别。被鉴别的离子必须具有一定的动能，才线离子鉴别。被鉴别的离子必须具有一定的动能，才能利用能量与飞行时间的关系得到它的质量；才能穿能利用能量与飞行时间的关系得到它的质量；才能穿过过E E探测器并在探测器并

9、在E E探测器中损失一定的能量；才能在探测器中损失一定的能量；才能在一定的磁场中被偏转等等。如果是要测量早已存在的一定的磁场中被偏转等等。如果是要测量早已存在的长长半衰期半衰期的核素或稳定核素，而这些核素又是极其稀的核素或稳定核素，而这些核素又是极其稀少并被淹没在大量的相近的核素之中，只用以上的方少并被淹没在大量的相近的核素之中，只用以上的方法就不行了。法就不行了。新方法和技术新方法和技术利用质谱仪可以提高测量的灵敏度，即先将待测元素离子化，利用质谱仪可以提高测量的灵敏度，即先将待测元素离子化，然后加速，最后通过电磁分析可以测得其质量，但是面对质然后加速，最后通过电磁分析可以测得其质量，但是面

10、对质量相近的丰度高得多的分子和原子的干扰，测量过程就会显量相近的丰度高得多的分子和原子的干扰，测量过程就会显得很困难。分开如此接近的质量就要求用很窄的缝，对离子得很困难。分开如此接近的质量就要求用很窄的缝，对离子束进行准直，而且要求离子的单能性非常好，这对本来就很束进行准直，而且要求离子的单能性非常好，这对本来就很稀少的原子又以很低的效率进行测量，显然十分困难。但是稀少的原子又以很低的效率进行测量，显然十分困难。但是加速器质谱计能够比较好的解决以上问题，因为可以大大提加速器质谱计能够比较好的解决以上问题，因为可以大大提高测量的灵敏度，比普通的质谱计的灵敏度大约高三个数量高测量的灵敏度，比普通的

11、质谱计的灵敏度大约高三个数量级，所以又称为超灵敏质谱计。加速器质谱计是把加速器与级，所以又称为超灵敏质谱计。加速器质谱计是把加速器与各种粒子鉴别方法结合起来的一种大型分析微量核素的探测各种粒子鉴别方法结合起来的一种大型分析微量核素的探测稀有粒子的新方法。稀有粒子的新方法。展望展望作为粒子鉴别中的重要依据，粒子质量测量的发展也推动作为粒子鉴别中的重要依据，粒子质量测量的发展也推动了粒子鉴别方法的日渐完善和发展，在核物理实验和核技了粒子鉴别方法的日渐完善和发展，在核物理实验和核技术应用中这些方法已经广泛应用于地质、水文、考古、冰术应用中这些方法已经广泛应用于地质、水文、考古、冰川、海洋、生物医学、环境科学、核物理和天体物理等领川、海