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固体径迹探测器
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固体径迹探测器
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用绝缘固体材料来记录质量大于质子的带电粒子径迹的探测器。材料包括云母、石英及各种矿物晶体；玻璃、陶瓷等非晶体;聚碳酸酯、硝酸纤维、醋酸纤维、聚酯等聚合物塑料。固体径迹探测器是20世纪60年代发展起来的，可探测质子、α粒子、重离子、裂变碎片和宇宙线中的原子核等。
基本原理当这些带电粒子通过固体径迹探测器时，在它们的路径上材料产生辐射损伤，形成一条连续的辐射损伤径迹，这种径迹可用电子显微镜观察到。当把带有辐射损伤径迹的材料放入强酸（如氢氟酸、硝酸和盐酸等）或强碱（如氢氧化钾或氢氧化钠溶液）等蚀刻剂中时，由于材料受到辐射损伤部分的化学活性强，能以较快速度从探测器表面开始与蚀刻剂反应，并溶入蚀刻剂，沿辐射损伤径迹出现一条细长的孔洞或蚀锥。同时蚀刻剂也从各种表面腐蚀探测器材料，但速度要慢得多。于是孔洞直径不断扩大。以上过程称为蚀刻，孔洞即为蚀刻后的径迹。当径迹直径扩大到微米数量级时，就可用光学显微镜观察。图1a和1b分别是用硅酸盐玻璃和云母记录的裂变碎片径迹的显微照片。
data/attachment/portal/201111/06/143401m1zqgmjk179mz1ge.jpg固体径迹探测器
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阈特性固体径迹探测器具有明显的阈特性，只有当入射粒子在探测器中产生的辐射损伤密度（相应于沿粒子轨迹上单位长度被电离或激发的原子的个数）大于某一阈值时，才能蚀刻出径迹。这一阈值与探测器材料和蚀刻剂的性质有关，与入射粒子的种类无关，不同材料有不同阈值。如图2所示。无机固体具有较高阈值，只能记录较重的粒子。塑料具有较低阈值，可以记录较轻的重带电粒子。β、γ和X射线在各种固体径迹探测器中的辐射损伤密度都低于其阈值，不能产生径迹。利用这种阈特性，可以在同时有β、γ、X射线及较轻粒子的场合无干扰地记录所需要的重带电粒子。
粒子分辨能力固体径迹探测器具有分辨粒子的能力。同一径迹上不同位置的辐射损伤物质与蚀刻剂反应的速度不同，辐射损伤密度越大，沿径迹的蚀刻速度也越大。测量径迹上某点的蚀刻速度或单位时间产生的蚀锥长度，可以知道该点的辐射损伤密度。辐射损伤密度与入射粒子的电荷数及速度（或能量）有关，测量径迹上某点的蚀刻速度和剩余射程，就可以确定粒子的电荷数、质量数和能量。分辨粒子电荷数的另一种方法是测量最大可蚀刻射程，即在固体径迹探测器中辐射损伤密度大于阈值的一段的长度（即剩余射程）。对同一种探测器材料，同一种粒子的最大可蚀刻射程相同，不同种类粒子的最大可蚀刻射程不同。最大可蚀刻射程与粒子电荷数一一对应。在电荷分辨率方面，对轻原子核，固体径迹探测器不如核乳胶高；但对重原子核，固体径迹探测器比核乳胶要好。
温度的影响在常温下，固体径迹探测器中的径迹很稳定。比如,裂变碎片在白云母中的辐射损伤径迹,在145℃可保留45亿年以上。因此,组成地球、月岩和陨石的矿物中，保存着自它们生成以来直到目前所记录的各种重带电粒子的径迹，这些矿物，是数亿或数万年以前开始工作的固体径迹探测器，为现代人类积累了大量古代科学资料。在高温下，固体径迹探测器中的径迹发生衰退或消失（称为退化）,由矿物中径迹的退火情况,可以推测地球或天体局部或整体的温度变化。
应用由于固体径迹探测器具有能克服强本底干扰，能测量粒子的电荷、质量和能量，保存古代产生的重带电粒子径迹，位置灵敏和材料普遍等优点，已经得到广泛应用。在原子核物理和粒子物理研究中，利用它不怕强本底干扰的特性，已广泛用来在强入射束中测量裂变几率、裂变寿命、裂变碎片角分布(见核裂变)，寻找裂变同质异能素，鉴定加速器合成的超钚元素和超重元素，测量核反应截面、分支比和角分布等，利用阻塞效应测量复合核寿命。利用它分辨电荷和记录古代径迹的能力，在自然界寻找超重核和磁单极子。利用它记录直接或次级重带电粒子径迹，进行地面和高空辐射剂量测量。在天体物理中，利用固体径迹探测器分辨粒子和记录古代径迹的能力，通过分析陨石、月岩和塑料中记录的古代和现代宇宙线中的原子核的成分和能谱、太阳粒子的成分和能谱，正在研究宇宙射线起源、恒星演化、太阳系元素合成和行星演化等方面的问题。在地质学和考古学中,利用地球矿物或物体中积累的238U自发裂变径迹和陨石矿物中积累的238U和已绝灭的244Pu自发裂变径迹,可以测定地球物质或天体形成、冷却或受热的年代，以及测定考古年代。在分析化学、地球化学、冶金学、结晶学和生物医学中，可以测定铀、钍、钚、硼、锂、铅、铋等多种元素的微小含量和微观分布。在铀矿普查勘探中，通过记录铀子体氡的α径迹，寻找地下铀矿。另外，利用蚀刻后径迹的微孔形状，可以制作电子工业、化学工业和医学上需要的微孔过滤器。此外固体径迹探测器还可用作射线照相的底片。
参考书目
R.L.Fleischer,etαl.,NuclearTRacksinSolids,Univ.ofCal.Press,Berkeley,1975.
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