2. 中国科学院大学 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
自1958年Young[1]发现带电粒子照射某些固体，能够在上面留下痕迹之后，固体核径迹探测器逐渐发展成为一种重要的粒子探测器，被广泛地应用在粒子探测、核物理、环境科学等方面[2-3]。CR-39是固体核径迹探测器中应用非常广泛的一种。当探测快中子时，中子与CR-39发生(n,p)等反应，生成反冲核。反冲核与CR-39中物质发生相互作用，使得CR-39中的化学键断裂，继而引起一系列的辐射损伤效应，形成潜径迹。潜径迹尺寸通常在纳米量级，在中子剂量监测中通常使用化学蚀刻等方法将潜径迹扩大到微米量级，以便使用光学显微镜观测。
影响CR-39化学蚀刻的主要因素有蚀刻温度、蚀刻液种类和浓度、蚀刻时间等。Kumara等[4]对这三个因素进行了研究，发现随着蚀刻时间延长径迹密度先增加后减少，优化得到的蚀刻条件是在70 ℃、7 mol·L-1 NaOH溶液中蚀刻9 h。Hussein等[5]研究了不同浓度NaOH溶液(5-10 mol·L-1)、不同温度(50-80 ℃)下，CR-39的化学蚀刻特性，重点研究了不同浓度不同温度下CR-39的体蚀刻速率Vb。研究表明蚀刻温度越高、蚀刻溶液溶度越大，Vb越大。孟文斌等[6]、王兴功等[7]、郝启辰等[8]研究了应用CR-39探测器测量中子剂量的化学蚀刻条件，发现最佳化学蚀刻条件分别为在70 ℃、6.5mol·L-1 KOH溶液中蚀刻7 h、在70 ℃、5.5mol·L-1 NaOH溶液中蚀刻24 h和在70 ℃、6mol·L-1 NaOH溶液中蚀刻12 h。这些研究表明，对于CR-39而言，不同厂家甚至不同批次的CR-39，其最佳的化学蚀刻条件可能会不同[7]，在实际应用中需要通过实验方法确定其最佳化学蚀刻条件。
目前本实验室中TASLIMAGE中子剂量系统测量刻度剂量为0.1-600 mSv。在公司推荐的蚀刻条件下，对实验室中CR-39进行标准刻度蚀刻后的刻度系数为2.754×10-3 mSv·cm-2，探测下限为0.21mSv。为进一步降低其探测下限，提高灵敏度，本文通过实验，考察蚀刻温度、蚀刻液NaOH溶液的浓度、蚀刻时间三个主要因素对化学蚀刻的影响，采用正交法设计实验，研究所用CR-39在实验范围内最佳蚀刻条件。本工作为所用CR-39寻找更合适的蚀刻条件，有利于CR-39在中子探测方面的应用。
1 原理CR-39在中子辐射场中辐照后，会产生一系列潜径迹。通常采用化学蚀刻方法将潜径迹扩大，之后用光学显微镜观测并记录径迹数据。良好的化学蚀刻条件下径迹轮廓清晰、大小适度、数量较多[9]。根据文献[7-8]，可以根据径迹图像判断CR-39化学蚀刻优劣。
化学蚀刻后，通过CR-39中中子径迹密度，根据式(1)计算出中子当量剂量[6]：
| $ H = \frac{{K(N - bA)}}{A} = K(a - b) = Kc $ | (1) |
式中：H为中子当量剂量，mSv；K为刻度系数，mSv·cm-2；A为计数面积，cm2；a为观测到的径迹密度，cm-2；b为本底径迹密度，cm-2；c=a-b，为净径迹密度，cm-2；N为观测到的径迹数目。
对式(1)进行变形，则刻度系数：
| $ K = H/c $ | (2) |
根据Kumara等[4]和孟文斌等[6]以及郝启辰等[8]的观点，可以采用净径迹密度作为指标判断蚀刻条件优劣。其他条件相同时，净径迹密度越大，对应的化学蚀刻条件越好。
CR-39的最低可探测下限定义为：在与剂量计的计数面积相等的面积上测得的本底径迹密度的两倍标准差[6]，即：
| $ \mathop H\nolimits_{\min } = 2K\sqrt b $ | (3) |
研究中针对影响CR-39化学蚀刻的三个主要因素：蚀刻温度、蚀刻液浓度、蚀刻时间，采用正交法安排实验方案。之后根据径迹图像、净径迹密度，并综合考虑实验便利性等因素，确定所用CR-39在实验范围内的最佳蚀刻条件。
2 实验过程研究的CR-39固体核径迹探测器为英国Track Analysis Systems公司的TASTRAK PADC，规格为25 mm×25 mm×1.5 mm。将50片CR-39置于中国原子能科学研究院标准Am-Be中子源中照射。该中子源发射率为2.78×107 S-1，CR-39放置在距中子源中心点75 cm的体模上，照射剂量为1 mSv。
针对影响CR-39化学蚀刻的三因素：蚀刻温度T (℃)、NaOH蚀刻液浓度C (mol·L-1)和蚀刻时间t (min)，采用正交法安排实验。每个因素取三个水平，分别用下标1、2、3表示，各个因素及取值范围见表 1。因此该实验为一个三因素三水平的正交实验，选择L9(34)正交表安排实验。实验安排见表 2中实验1-9。
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表 1 实验中各因素及其取值范围 Table 1 Each factor and the value range in the experiment. |
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表 2 不同蚀刻条件下的实验结果 Table 2 Experimental results under different etching conditions. |
在应用于中子探测时，所用CR-39的公司推荐蚀刻条件是：蚀刻温度为85 ℃、蚀刻溶液为6.25mol·L-1NaOH溶液，蚀刻时间为170 min，并不在正交法安排的实验方案中。为便于比较正交实验获得的最佳蚀刻条件和推荐的蚀刻条件下CR-39的性能，在其他实验条件相同的情况下，进行一组公司推荐化学蚀刻条件下的蚀刻实验，见表 2中实验10。
实验中，每一种化学蚀刻条件下的CR-39均包含相同中子照射条件下的照射组CR-39（5片）和没有受到中子照射并妥善保存的本底对照组（简称对照组）CR-39（5片）。
化学蚀刻后将CR-39清洗、干燥处理，然后用TASLIMAGE Radon and Neutron dosimetry system读取各个实验组中的CR-39数据。该系统是一套全自动径迹读取识别系统，可以自动记录CR-39中径迹图像，经系统内置的中子径迹校准文件校准比对鉴别中子径迹，计算中子径迹密度。实验中每片CR-39读取10次，分别记录每片CR-39的径迹密度和径迹图像。
采用改进型grubbs法则剔除异常值[10]，之后计算各个实验组中CR-39的径迹密度平均值，结果列于表 2的右侧。
3 结果与讨论 3.1 CR-39蚀刻条件优化根据文献，可以通过径迹图像[7-8]、净径迹密度[4, 6, 8]等确定正交实验1-9中CR-39的最佳化学蚀刻条件。以下将从这两个角度出发，综合考虑实验便利性因素，确定CR-39在实验范围内的最佳化学蚀刻条件。
3.1.1 径迹图像实验中，CR-39经过化学蚀刻、清洗干燥后，使用TASLIMAGE Radon and Neutron dosimetry system获取实验中各个蚀刻条件下CR-39的径迹图片。分析后获得的径迹图像特征见表 3。
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表 3 不同蚀刻条件下径迹图像特征 Table 3 Track image features under different etching conditions. |
由表 3可知，较高温度（85 ℃和95 ℃）时各个蚀刻条件下CR-39的径迹图像清晰，但95 ℃条件下实验中各个蚀刻条件下CR-39径迹过大，出现变形甚至重叠。85 ℃条件下径迹形状规则，其中实验6的CR-39中子径迹轮廓清晰，大小合适，数量较多，蚀刻效果较好。
实验6中中子径迹图像与推荐蚀刻条件下中子径迹图像（实验10）见图 1。从图像上看，二者均轮廓清晰，大小适度。实验6对应的化学蚀刻条件与推荐化学蚀刻条件相比取得了良好的蚀刻效果。因此，实验6对应的化学蚀刻条件可以作为正交实验1-9中的最佳化学蚀刻条件。
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图 1 实验6(a)和实验10(b)中径迹图像（一个视域内） Fig. 1 Track image in No.6 (a) and No.10 (b) (in one ken). |
由表 2可知，在实验1-9中，实验6的净径迹密度最大，但与实验5相差不到5%。在其他实验条件相同时，净径迹密度越大，对应的蚀刻条件越好。从净径迹密度角度出发，考虑到实验误差，可以认为实验6和实验5对应的化学蚀刻条件在实验1-9中都是最佳的。实验6对应的化学蚀刻条件是7mol·L-1 NaOH溶液，85 ℃、蚀刻90 min，实验5对应的化学蚀刻条件是6.25 mol·L-1 NaOH溶液，85 ℃、蚀刻240 min。从节约实验时间，提高实验效率来看，二者之中实验6显然更符合要求。
据表 2中净径迹密度数据可知，实验6的净径迹密度比实验10高约45.54%。从净径迹密度角度来看，实验6对应的化学蚀刻条件比推荐的化学蚀刻条件更好，径迹显示效率更高。
结合径迹图像和净径迹密度分析，实验6对应的化学蚀刻条件是实验1-9中的最佳化学蚀刻条件，且该化学蚀刻条件优于推荐的化学蚀刻条件。因此正交实验得出的最佳化学蚀刻条件（以下简称最佳蚀刻条件）是7 mol·L-1 NaOH溶液，85 ℃、蚀刻90 min。
3.2 最佳蚀刻条件与推荐蚀刻条件下CR-39性能对比由式(2)、(3)，分别计算得出的最佳蚀刻条件和公司推荐蚀刻条件下CR-39的刻度系数K和最低可探测下限Hmin，结果见表 4。可见，实验中相同中子照射条件下，与公司推荐的蚀刻条件相比，CR-39在正交实验获得的最佳蚀刻条件下本底更低，灵敏度更高，最低可探测下限更小。
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表 4 最佳化学蚀刻条件与公司推荐蚀刻条件的对比 Table 4 Comparison results between the optimized etching condition and the recommended etching condition. |
为研究蚀刻温度、蚀刻液浓度、蚀刻时间对CR-39化学蚀刻的影响，采用极差分析法[11]分析正交实验数据。
采用极差分析法时，将各个蚀刻条件下的净径迹密度列于表 2的右侧，并删除表 2中推荐蚀刻条件的数据。之后按照以下方法处理实验数据，结果见表 5。处理方法如下：
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表 5 极差分析法处理后试验数据结果 Table 5 Experiment results by range analysis. |
1) 因素T、C、t第一水平对应的蚀刻条件下的净径迹密度的算术平均值，依次作为第一行各元素，记为K1行，列于表 5中。依次计算K2、K3。例如K1行第一个数值，是温度T的第一水平(75 ℃)对应的蚀刻条件1、蚀刻条件2、蚀刻条件3的净径迹密度平均值之和的1/3。
2) 计算极差：K1、K2、K3行组成的矩阵中每一列的最大值减去最小值，得到该列的极差，记录在下一行。
极差不同，说明各个因素的取值变化对实验指标的影响不同。极差越大，说明该因素的取值变化对实验指标影响越大[12]。该因素在实验指标变化中所起的作用就越大。显然对于净径迹密度而言，蚀刻温度是影响最大的因素，而蚀刻时间的影响最小。因此在研究的三个因素中，蚀刻温度是对CR-39化学蚀刻后净径迹密度影响最大的因素，而蚀刻时间对CR-39化学蚀刻后净径迹密度的影响最小。
4 结语基于研究CR-39蚀刻条件优化的问题，选择影响CR-39化学蚀刻的三个主要因素：蚀刻温度、蚀刻液浓度、蚀刻时间作为研究重点，采用正交法设计实验方案，并与推荐的蚀刻条件对比，得出如下结论：
1) 所用CR-39的最佳蚀刻条件是蚀刻温度为85 ℃、蚀刻液NaOH溶液溶度为7 mol·L-1，蚀刻时间为90 min。该蚀刻条件下CR-39灵敏度高，最低可探测下限低。
2) 在通常认为影响CR-39化学蚀刻的三个主要因素：蚀刻温度、蚀刻液浓度、蚀刻时间中，蚀刻温度对CR-39化学蚀刻后净径迹密度效果影响最大，而蚀刻时间的影响最小。
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