固体核径迹探测器或称为电介质径迹探测器, 是60年代初兴起的一种核辐射径迹探测器。它是用各种绝缘体(如云母、玻璃与塑料等)薄片作为探测器材料, 来记录重带电粒子、裂变碎片、中子等径迹的探测器。其主要特点是对β、γ射线不灵敏, 不用供电系统和电子学线路, 能够连续记录和贮存径迹, 材料简单, 成本低廉, 使用方便。

固体核径迹探测器工作原理是, 具有一定动能的重带电粒子入射固体核径迹探测器时, 在它们穿过的路径上产生辐射损伤, 如晶格破坏、化学键断裂等。这种辐射损伤区域的直径只有几纳米(nm)。当受辐射损伤的材料在强酸强碱(蚀刻剂)内, 由于辐射损伤物质比未损伤物质的化学活动强, 辐射损伤物质较快地与蚀刻剂发生反应而溶解到蚀刻剂中, 沿辐射损伤物质部分产生蚀坑。经过蚀刻的材料, 蚀坑直径可达几百纳米, 可在普通光学显微镜下能观察到粒子的径迹。

由于现代新材料技术的迅猛发展, 性能优良的固体核径迹探测器CR-39(聚丙烯碳酸酯)也相应诞生, 这种材料的灵敏度很高, 它可以记录能量为几MeV的质子的径迹, 因此可通过记录反冲质子的径迹来探测快中子和能量低至150 keV左右的中子。现常用于在中子场工作的职业受照人员中子个人剂量监测。

²⁴¹Am-Be中子源是现今极为普及的同位素中子源, 广泛地用于工业、农业及科学实验中。本文用1.85 GBq的²⁴¹Am- Be中子源快中子辐射场对CR-39探测器测中子个人剂量进行了实验。

1 材料与方法 1.1 测量仪器

CR-39探测器(日本产, 卫生部工卫所提供), 恒温蚀刻槽(国产), 温控范围37~100℃, 波动±0.5℃, 分析纯NaOH试剂(国产), 普通光学显微镜(日本产)。1.85 GBq ²⁴¹Am-Be中子源(德国, 1980), 它是(α, n)反应型中子源, 发射的中子不是单能的, 半衰期为462 a, 中子平均能量为4.5 MeV, 属快中子。通常²⁴¹Am-Be中子源中子的产额为8.6× 10^-5(中子/s·Bq)^[1], 本实验所用的1.85 GBq ²⁴¹Am-Be中子源中子产额为1.55×10⁵(中子/s)。

1.2 方法

为减少散射的影响, 选择面积近似无穷大新疆某湖面作为辐照场。将100 mm×150 mm×1 mm的CR-39探测器片在流蒸馏水中迅速冲洗, 然后用软绸吸去其表面上的水分^[2], 自然晾干, 装入IRBM-1000型TLD复合个人剂量计中, 在CR-39前面加盖一层新疆塑料厂生产的质量厚度为34 mg ·cm^-2聚乙烯塑料, 作为反冲质子的辐射体(经实验室筛选此材料反冲核效率较高), 每一距离将6个剂量盒固定在距水面1.5 m的平板上, 在布放剂量盒时要考虑靠源近的剂量盒不能妨碍后面的剂量盒的辐照, 保留10个剂量盒作为本底测量盒。探测器经1.85 GBq的²⁴¹Am-Be中子源辐照74 h, 将CR-39探测器取出后, 经70℃的6.25 mol/L NaOH溶液化学蚀刻6 h后^[2], 用流的蒸馏水清洗, 酸洗, 蒸馏水清洗, 晾干, 用普通光学显微镜下观察蚀刻径迹。

2 结果与讨论 2.1 CR-39辐射体的选择

选择聚乙烯(质量厚度为34 mg· cm^-2)为辐射体, 另一组不加辐射体, 测量结果见表 1。

由表 1得出, 加质量厚度为34 mg·cm^-2聚乙烯辐射体时径迹密度是不加的3.14倍, 加辐射体提高CR-39的探测效率是显著的。

2.2 刻度结果, 结果见表 2

对²⁴¹Am-Be中子源, 其剂量换算因子^[1]为39.5×10^-15Sv /中子m^-2, 表中给出了各距离的剂量当量率。用不同距离的单位面积的径迹数和1/R²做相关分析, 相关系数为0.9979。

用1.85 GBq ²⁴¹Am-Be中子源对CR-39探测器进行了剂量刻度, 在CR-39辐射面加质量厚度为34 mg·cm^-2聚乙烯辐射体, 70℃的6.25 mol/L NaOH溶液化学蚀刻6h作为化学蚀刻条件, CR-39核径迹探测器对中子的探测效率为7.42× 10^-5, 剂量当量刻度系数为5.45 μSv/径迹·cm^-2。

CR-39的本底计数B为13.5径迹·cm^-2, 用公式计算最低可探测下限(K为刻度系数, B为本底计数), CR-39的探测下限为0.04 mSv。