原子核物理实验方法5

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：
固体径迹室的应用
小结
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。
核乳胶的处理
与普通乳胶相似，需要经过显影、制止、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。
核乳胶中径迹的测量
工具：双目显微镜，M=100-2000倍。
1.由射程确定粒子能量
2.对其他粒子
剩余射程：从径迹某一点开始测量到它停下来的距离。
核乳胶
工作原理和构造
核乳胶的特性 核乳胶的处理 核乳胶中径迹的测量
核乳胶的构造
核乳胶类似于普通的照相底片乳胶。
核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。
常用银盐：溴化银AgBr（大部分）和碘化银AgI（少量） 胶质：骨胶和明胶
核乳胶的工作原理
（1）核乳胶记录带电粒子的首要条件：形成“潜 影”。
核乳胶的工作原理
（2）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。
dE 4 z 2 e 4 NZB z 2 f ( v ) dx me v 2
（3）测量径迹的射程和多次散射
气泡室
气泡室的构造 气泡室工作原理 气泡室工作过程 气泡室的特性 气泡室工作条件的选择 气泡室的种类
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，从而获得大量有关基本粒子相互作用 的信息。 它具有作用顶点清晰，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。 在弱相互作用方面主要研究奇异粒子的衰变性质。如超 子的衰变，中微子的研究等等。 电磁相互作用的研究。
（4）设备简单，价格便宜，重量轻，尺寸小，对高空宇宙 线的研究特别有价值。
核乳胶的缺点
（1）在显影、定影及干燥过程中，乳胶有胀缩现象，造成 径迹畸变，使测量射程和多次散射的精度受到一定影响。 （2）乳胶成分复杂，分析高能核作用比较困难。 （3）在强磁感应强度下（2T），径迹不能弯曲到可以测量 的程度，因此，不能从曲率来求得动量和粒子所带电荷的 正负。 （4）潜影形成后有衰退现象，因此，照射后不能搁置很久， 需要很快显影。
D. Glaser (1960 Nobel Prize)
1968, Alvarez won Nobel for using H2 bubble chamber discover resonanses
气泡室工作原理
在容器内充以一定温度和压力的某种液体，使容器突然膨 胀，降低压力，液体就处于过热状态。如这时有带电粒子 穿过液体，在粒子经过的路径上，就会引起液体电离。邻 近的离子汇聚到一起形成离子集团，成为汽化中心。围绕 这些汽化中心逐渐形成一串胚胎气泡，在适当的过热条件 下，胚胎气泡增长到肉眼可见的大小，拍照记录。粒子径 迹是由一串气泡组成，这就是气泡室名称的由来。 产生径迹的条件：工作液体处于过热状态 关键过程：
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。 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。 用显微镜观测孔洞的数目可确定粒子强度和通量。 测量孔洞的参数，可鉴别粒子。 径迹孔洞的形状：
如果两种粒子的电荷相同，则有：
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。
从多次散射鉴别粒子
带电粒子通过核乳胶时，由于原子核的库仑作用 会发生多次散射，造成粒子运动方向显著的改变。 多次散射角的水平投影的绝对值平均为：
如果已知入射粒子种类，即已知电荷数z，已知核乳胶厚 度t，就可以确定入射粒子能量。 如果已知入射粒子能量和乳胶厚度，就可以确定带电粒子 的电荷数。
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。 为了便于光学显微镜观测，通常制成透明的薄片。
常用固体径迹室材料的性能
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（如化学蚀刻），会形成可观测的径迹。
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。
一根粒子径迹上平均晶粒密度：
dN 3 CP dX 2 d
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
核乳胶的特性
核乳胶的优点
（1）为固体介质，阻止本领大，可以用来有效地记录高能 粒子。 （2）连续灵敏，适宜于宇宙线的研究，并可以较长时间连 续照射而不会改变其灵敏度。照射时间的长短，取决于潜影 衰退的快慢。 （3）组成径迹的银颗粒极为微小，故空间分辨本领非常高。
射程：
R ( E 0 ) dx
E0 0 0
dE dE / dx
E0
多次散射角：

2
Es 2 t z ( ) ( ) pv x0
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 核乳胶的特性
乳胶中的AgBr浓度C：3.0-3.2克/立方厘米 AgBr晶粒平均直径d：0.1-0.4微米 AgBr晶粒对带电粒子的灵敏度P：
径迹长度测量方法
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：
从电离鉴别粒子
电离损耗决定于粒子的速度、质量和电荷，所以 通过测量径迹上的电离就可以鉴别粒子。
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。 核乳胶、固体径迹室、云室、气泡室、火花室、 流光室等。 －、±、 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。
只有 反之
Vt sin Vs，才能蚀刻出孔洞。 Vt sin Vs，则不能蚀刻出径迹来。 Vt sin c Vs， c sin 1 Vs / Vt
蚀刻率
蚀刻率：它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。
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 闪烁探测器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料闪烁
体、液体闪烁体
切伦科夫探测器：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
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。 电子密度是在单位长度的主径迹上产生的电子 数。根据理论计算有，能量在E1和 E2之间的电子 密度为：
z<30时，一般取E1＝10KeV， E2＝30KeV。 实验上选电子射程>1.5m。
从电子密度确定入射粒子电荷
实验上最常用的方法：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。
从电离鉴别粒子
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：
液体电离形成胚胎气泡 胚胎气泡长大到肉眼可见
气泡在液体中的平衡
气泡室的构造

室本体 照明照相系统 膨胀压缩系统 热调节系统 自动控制系统 磁场和安全设备
气泡室工作过程
使用绝热膨胀法得到过热液体； 将充了液体的气泡室加热或冷却（H泡室）到工作温度T0 , T0 >Tb (液体沸点温度）； 推动活塞或橡皮膜压缩气体，使室内气相部分完全消失， 液体压力为工作压力P0 , P0 >P(饱和蒸汽压力）； 活塞突然膨胀，液体压力由P0降到Pe(膨胀压力）液体达到 过热状态。Pe < P , P - Pe表示液体的过热程度，称为 过热度； 带电粒子入射，液体原子电离——离子团——汽化中心— —胚胎气泡——气泡长大——长大到可见大小——闪光照 相； 卷过一张底片，活塞重新压缩液体到初始状态，准备下一 次循环。
当z一定时，电子密度是β 的函数，而剩余射程R也是β 的函数，所以电子密度也是R的函数。
如果要测某一入射粒子的电荷，只要测出它的径迹某处的 电子密度以及R值，然后把这一对值画在上图上，则这点 所处曲线的电荷就是该粒子的电荷。
固体径迹室
发展历史 使用材料 探测原理 化学蚀刻 径迹特性和测量 应用