细颗粒核乳胶对γ射线影响下的中子探测

许蓉， 张东海

1.山西师范大学教师教育学院，山西 临汾 041000；2.山西师范大学现代物理研究所，山西 临汾 041000

1 原子核乳胶探测器简介

在核物理研究领域，径迹探测器是我们探索微观物质的重要研究工具.其中，原子核乳胶是一种空间分辨能力相当高的核径迹探测器，可达0.1 μm～0.5 μm的分辨率.为了适应核物理研究的探测需要，人

们从制作普通照相底片的乳胶进行研究并开发了这种特殊乳胶.原子核乳胶具有记录单个带电粒子运行径迹的能力.根据每个粒子在核乳胶中被记录下来的径迹长度、粗细程度、颗粒密度和弯曲程度等物理量可以判定粒子的性质和运动能量.

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由于原子核乳胶是由卤化银微晶体和明胶组成的混合体.卤化银微晶(主要是AgBr)的直径大小为0.05 μm～0.30 μm，属于离子型晶体[1].入射粒子进入乳胶后形成潜影，经过显影处理后AgBr晶体被还原成Ag颗粒，过程如图1所示.评价原子核乳胶空间分辨能力的灵敏度取决于卤化银晶体的颗粒大小和显影银颗粒密度.

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图1 核乳胶中显影银颗粒的形成
Fig.1 The develop creation of silver grain in nuclear emulsion

2 国产核4电子灵敏乳胶与日本同类乳胶的性能比较

当一个带电粒子经过卤化银晶体时，在晶体中因电离作用产生了一些自由电子.从而和晶粒结合形成灵敏中心，致使银原子越积越多，成为潜影.电荷多、速度慢的粒子的电离本领强，即传给每个卤化银晶体的能量越大，所产生的潜影也就越大，这样得到显影的几率就越高，从而得到较大的颗粒密度.

为了测得溴化银晶粒大小为60 nm、90 nm的核乳胶对γ射线的径迹探测灵敏度，通过Monte-Carlo模拟对于经gamma源辐照后的乳胶，经显微镜观测可见产生的电子径迹末端的显影银颗粒时有时无.单位乳胶体积内的显影银颗粒数目可用来评估对γ射线的探测程度.图3说明了细颗粒乳胶对γ射线的灵敏度较小.

细颗粒型乳胶的制备流程可以采用未增感的国产核4型乳胶类似的制备方法，再通过调整增感剂以及减少乳化时间来实现，保持制作核乳胶的配方不变，通过实验就可以得到更小的卤化银颗粒，如表1所示为该乳胶的化学构成.

图2 电子显微镜下不同大小的溴化银晶体颗粒
Fig.2 Different size of AgBr crystal grain in electron microscope

3 细颗粒型核乳胶径迹探测实验

3.1 制备细颗粒核乳胶

带电粒子的电离损失随能量增大而下降，到达最小电离值后又缓慢上升至饱和值.因而核乳胶的灵敏度也随能量的增加而减小.当其到达某个能量值之后，核径迹就同本底雾点无法区分开.如果我们使能量损耗率较低的粒子产生的潜影弱到显影阈值以下，这种粒子就不记录了.从而核乳胶的灵敏程度也用这个极限能量值(以MeV为单位)来表示.中子束辐照核乳胶后，显影可发现反冲质子径迹和γ射线经过留下的电子径迹.从质子径迹密度可以判断中子的结构，通过径迹长度分布可以得出中子能量光谱.

废弃核燃料残留物中含U238并产生了大量的γ射线，利用不同颗粒大小的乳胶进行辐照，可模拟在较高密度γ射线环境下中子束辐照核乳胶的情况.国内外对核乳胶中由中子产生的反冲质子径迹的探测研究都在研究中，为了提高核乳胶对反冲质子径迹的探测效率对核乳胶的性能在不断改进中，日本Nogoya大学在核乳胶的颗粒大小方面也进行了相关实验和研究，我国在中子探测方面也用细颗粒核乳胶进行了多次实验.图3中的三条直线分别对应了三种不同大小的AgBr颗粒.对于晶体颗粒大小为160 nm的核乳胶，实验数据显示在由1.5 μm-1上升到2.2μm-1的显影银颗粒密度的最大值过程中趋于饱和[5].

核乳胶灵敏度通常用高能β射线在核乳胶中形成径迹的显影银颗粒密度来标志.核乳胶经过电子束照射并经显影在显微镜下测出单位径迹长度上的银颗粒数目.以前我们实验所生产的乳胶片经过电子束辐照后，用显微镜观测显影处理的电子径迹，通过测量其直的单位长度上的银颗粒数目得到了在正常显影温度下电子径迹显影后的乳胶颗粒在显微镜下观测的变化图像.图2为对比实验的资料图片[3]，实验中得出了山西师范大学核乳胶实验室生产的SNU核4乳胶与日本Fuji乳胶的随时间的变化情况，该乳胶是经过日本KEK高能加速器照射，其厚度为100 μm.图中可看到电子显影银颗粒密度比较接近，性能基本一致.

表1 国产核-4型核乳胶的化学成分Tab.1 Chemical composition of homebred He-4 nuclear emulsion

3.2 细颗粒乳胶对γ射线环境下的中子探测灵敏度比较

在制备乳胶的一般流程中，乳化是生成卤化银微晶体的过程，此后进行物理成熟过程使乳胶在一定的温度和较高的溴离子浓度条件下，促进卤化银晶体逐渐长大到所需的大小[4].

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图3 颗粒大小不同的核乳胶的灵敏度
Fig.3 Sensitivity of nuclear emulsion for different grain size

3.3 细颗粒核乳胶对中子束照射产生的本底雾点

目前在国内的原子核乳胶制作及处理方面，实验人员通过调整制作方法和核乳胶片的后期处理过程，实现了对国产基础原子核乳胶类型的适用性调整和制备，其中通过使用物理和化学方法探索试验了细颗粒型核乳胶在研究快中子实验样品中产生的反冲质子径迹的探测能力.

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图4 细颗粒核乳胶中反冲质子径迹的CCD图像
Fig.4 CCD graph of recoil proton track in fine particle nuclear emulsion

根据原子核乳胶实验技术，一个潜影的形成需要4个以上的银原子,由于质子和γ射线在核乳胶中所产生的潜影银颗粒较难分辨，通常只允许0.5伦的γ剂量本底.经过特殊处理，使本底最大也只能在10伦的剂量水平.在500 eV以下的中子束[6]和γ射线辐照环境下，对100 μm厚且晶粒大小为60 nm的乳胶片进行研究时，运用Monte-Carlo 模拟可以计算出快中子能量下限和gamma 射线在乳胶中形成潜影时消耗在每个溴化银颗粒需900 eV电子伏的极限能量值，并对乳胶实验结果进行比较.

在探测中子束伴有γ射线照射的核乳胶时，使用了颗粒较小的细颗粒核乳胶.核乳胶实验的细颗粒乳胶对于探测中子产生的反冲质子可以在显微镜下观测到0.2 μm-2时的反冲质子径迹.与原子能科学院合作实验中由我们实验所提供的核乳胶也可清晰地看到核乳胶处理后CCD图像(图4)中的呈直线状的反冲质子径迹，仍可与本底明显区分开.细颗粒型乳胶对γ射线的灵敏度较低，此时的显影银颗粒密度与理论模拟值接近.目前在日本对中子径迹的自动探测主要通过自动化系统PHITS[7]进行对核乳胶探测图像的分辨和计算.

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4 结论

基于核物理研究的不同需要，对国产核-4型乳胶对电子的灵敏度的分析比较说明了该乳胶的优越性能.在对此乳胶的制备流程进行调整和实验分析后制备了具有较小溴化银颗粒的乳胶类型.为了降低在中子束照射时伴有γ射线产生的电子径迹银颗粒造成的本底影响，通过该细颗粒乳胶进行探测实验发现，AgBr颗粒越小对电子径迹的灵敏度越低，因而在中子探测方面适合采用颗粒较小的核乳胶进行探测，这为今后中子探测的相关研究提供了实验依据和参考.