CR39探測(cè)器的帶電粒子能量響應(yīng)研究

張 興，蘇 明，鄭建華，楊正華，＊，楊 品，陳 黎，陳 銘，江少恩，劉慎業(yè)

（1.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng) 621900；2.北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

CR39探測(cè)器的帶電粒子能量響應(yīng)研究

張 興1，2，蘇 明1，鄭建華1，楊正華1，＊，楊 品1，陳 黎1，陳 銘1，江少恩1，劉慎業(yè)1

（1.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng) 621900；2.北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

為在神光系列激光裝置上開(kāi)展慣性約束聚變（ICF）帶電粒子診斷，通過(guò)0.7～10MeV加速器質(zhì)子源和241Am放射性同位素α粒子源完成了CR39探測(cè)器的質(zhì)子和α粒子能量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合TRIM程序和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘薈R39刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬程序，模擬分析了p、D、T和α粒子在正入射和斜入射條件下CR39的徑跡形狀與能量響應(yīng)特征，對(duì)多種ICF帶電粒子譜儀的CR39探測(cè)器單元的設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化方案。

ICF帶電粒子診斷；CR39探測(cè)器；能量響應(yīng)；刻蝕動(dòng)力學(xué)

在慣性約束聚變（ICF）中，帶電粒子是重要的核聚變反應(yīng)產(chǎn)物（包括p、T、α和3He粒子），D-T燃料聚變產(chǎn)生的中子在燃料和靶丸殼層中也會(huì)產(chǎn)生反沖p、D和T等粒子。帶電粒子診斷包括質(zhì)子產(chǎn)額測(cè)量、粒子能譜診斷和質(zhì)子成像等，其中產(chǎn)額和能譜可診斷燃料和殼層面密度、熱斑離子溫度、內(nèi)爆壓縮不對(duì)稱性、殼層-燃料混合效應(yīng)等重要物理量［1］。質(zhì)子成像可用于黑腔和靶丸電磁場(chǎng)分布診斷、激光強(qiáng)磁場(chǎng)等物理研究［2－3］。隨著神光系列激光裝置激光能量和聚變產(chǎn)額的提高，帶電粒子診斷的需求逐漸增大。CR39探測(cè)器同時(shí)具有較好的能量分辨和空間分辨，對(duì)X射線和電子等不靈敏，是ICF脈沖輻射場(chǎng)帶電粒子測(cè)量中最常用的帶電粒子探測(cè)器之一，其應(yīng)用的帶電粒子譜儀有兩類：一類是CR39載體型譜儀，其利用能量衰減濾片和CR39探測(cè)器的能量分辨測(cè)量帶電粒子能譜，如OMEGA和NIF裝置上的RFP譜儀、WRF譜儀等［4］；另一類是帶電粒子磁譜儀，使用CR39探測(cè)器記錄粒子的磁偏轉(zhuǎn)半徑［5］，已應(yīng)用于GEKKE-Ⅻ、NOVA和OMEGA等裝置。此外，CR39探測(cè)器還廣泛應(yīng)用于激光加速離子診斷等領(lǐng)域［6］。

CR39探測(cè)器主要測(cè)量帶電粒子穿過(guò)探測(cè)器形成的徑跡的直徑、光學(xué)襯度和橢圓度（長(zhǎng)軸／短軸）3項(xiàng)參數(shù)，其中徑跡直徑與入射粒子能量相關(guān)，后兩項(xiàng)用于排除雜散本底徑跡、中子反沖質(zhì)子徑跡等。徑跡直徑對(duì)粒子能量響應(yīng)非線性，受刻蝕條件等多種因素影響，需建立刻蝕動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)具體使用條件確定能量響應(yīng)。目前的刻蝕動(dòng)力學(xué)分析中，部分基于經(jīng)驗(yàn)公式建立［7－9］，針對(duì)不同粒子、不同刻蝕條件使用不同經(jīng)驗(yàn)公式，不具有通用性；部分采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］，忽略了粒子電離阻止本領(lǐng)隨粒子注入深度的變化，適用于能量不太低的帶電粒子。本文結(jié)合TRIM程序［10］計(jì)算隨注入深度變化電離阻止本領(lǐng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的體刻蝕速率，采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒R39探測(cè)器刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬程序，實(shí)現(xiàn)徑跡幾何參數(shù)與粒子能量的關(guān)聯(lián)計(jì)算。結(jié)合ICF帶電粒子診斷能區(qū)，利用加速器質(zhì)子源和241Am同位素放射性源完成CR39探測(cè)器對(duì)0.7～10MeV質(zhì)子和α粒子能量響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并擬合模擬程序的模型參數(shù)。分別在粒子正入射和斜入射條件下計(jì)算CR39探測(cè)器徑跡形狀對(duì)p、D、T和α粒子的能量響應(yīng)。針對(duì)ICF中不同粒子種類和能區(qū)，對(duì)CR39探測(cè)器載體型粒子譜儀和磁譜儀進(jìn)行探測(cè)器單元優(yōu)化分析。

1 CR39探測(cè)器帶電粒子能量響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

1.1 質(zhì)子能量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為避免CR39探測(cè)器表面徑跡飽和，單能質(zhì)子累積計(jì)數(shù)需低于105cm－2。0.7～10MeV加速器質(zhì)子源主要可通過(guò)兩種方式產(chǎn)生：1）利用加速器核反應(yīng)產(chǎn)生特定能量質(zhì)子，使用不同厚度Al箔和Mayor膜等濾片進(jìn)行能量衰減得到不同能量的質(zhì)子束；2）調(diào)節(jié)加速器加速電壓得到不同能量的質(zhì)子束。方式1可較好地控制質(zhì)子束強(qiáng)度在不飽和水平，但質(zhì)子能譜展寬隨濾片厚度的增加而增大，不利于寬能區(qū)范圍的質(zhì)子能量響應(yīng)測(cè)量。方式2產(chǎn)生的質(zhì)子束能量連續(xù)可調(diào)，且在寬能區(qū)范圍內(nèi)保持較好的單能性，其缺點(diǎn)是束流強(qiáng)度較高，易造成CR39探測(cè)器徑跡計(jì)數(shù)飽和。本文采用方式2，通過(guò)在加速器束流終端安裝高速機(jī)械快門(mén)和使用閃爍體探測(cè)器監(jiān)測(cè)等方式，控制輻照到CR39探測(cè)器表面的質(zhì)子束小于105cm－2，其中0.7～3MeV能區(qū)內(nèi)11個(gè)能點(diǎn)的質(zhì)子測(cè)量在北京大學(xué)2×1.7MV串列加速器上完成，加速器束流小于10pA，束斑直徑約2～5cm，設(shè)置機(jī)械快門(mén)的曝光時(shí)間小于10ms；3～10MeV能區(qū)內(nèi)4、6和10MeV質(zhì)子的測(cè)量在北京大學(xué)2× 6MV串列加速器上完成，將束斑擴(kuò)大到較大范圍，CR39探測(cè)器旁邊安裝閃爍體探測(cè)器束流監(jiān)測(cè)器（入口光闌直徑1mm），通過(guò)監(jiān)測(cè)束流質(zhì)子計(jì)數(shù)和束流時(shí)間，控制CR39探測(cè)器表面質(zhì)子計(jì)數(shù)為104～105cm－2。

1.2 α粒子能量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本文使用241Am同位素放射源測(cè)量CR39探測(cè)器對(duì)5.5MeVα粒子的響應(yīng)。為避免在抽真空和真空放氣過(guò)程中空氣對(duì)α粒子能量的衰減，采用機(jī)械快門(mén)控制α粒子的曝光時(shí)間和入射角度。強(qiáng)度約104Bq的241Am放射源置于真空腔室中央，距源表面30cm處正對(duì)放置CR39探測(cè)器，在CR39探測(cè)器正前方10cm處放置光闌直徑20mm的機(jī)械快門(mén)，限制α粒子的入射角小于3°，曝光30min控制CR39探測(cè)器表面α粒子計(jì)數(shù)約104cm－2。

1.3 CR39探測(cè)器的刻蝕與徑跡測(cè)量

CR39探測(cè)器的刻蝕液通常為NaOH溶液，刻蝕后的徑跡直徑隨NaOH的濃度升高而增大，在約6.25mol／L時(shí)達(dá)到峰值，同時(shí)也隨刻蝕液溫度的升高和刻蝕時(shí)間的增加而增大［11］。在ICF帶電粒子診斷中，根據(jù)粒子通量水平，結(jié)合各類基于CR39探測(cè)器帶電粒子診斷設(shè)備的需求，常用刻蝕條件為6mol／L、80℃、6h。本文將經(jīng)粒子輻照的CR39探測(cè)器置于6mol／L的NaOH溶液中，80℃恒溫水浴6h，刻蝕液不重復(fù)使用?？涛g結(jié)束后，先使用清水沖洗CR39探測(cè)器表面NaOH殘液，然后在去離子水中浸泡5min，再將CR39探測(cè)器在5%濃度稀醋酸溶液中浸泡30min，最后使用清水沖洗表面酸溶液后在去離子水中浸泡30min以去除殘余離子，取出后用冷風(fēng)吹掉表面水滴，恒溫恒濕保存于干燥柜中。

CR39探測(cè)器的徑跡測(cè)量通過(guò)顯微鏡成像和徑跡圖像的數(shù)字化程序處理實(shí)現(xiàn)，使用一臺(tái)Keyence數(shù)字化激光共聚焦顯微鏡實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦采集CR39探測(cè)器表面徑跡灰度圖，物鏡放大倍數(shù)為20和50，對(duì)徑跡圖像進(jìn)行處理，完成徑跡直徑、徑跡光學(xué)襯度和徑跡橢圓度等參數(shù)的測(cè)量，甄別去除本底徑跡，完成不同能量質(zhì)子和α粒子的徑跡直徑測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，圖1示出0.7、1.4、3.0MeV質(zhì)子和5.5MeVα粒子的徑跡圖像。

2 刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬分析

2.1 體刻蝕速率與徑跡刻蝕速率

體刻蝕速率vB是指在沒(méi)有被粒子輻射損傷的區(qū)域，刻蝕液沿著垂直表面方向刻蝕CR39探測(cè)器的速率。本文采用稱重法測(cè)量CR39探測(cè)器的體刻蝕速率。將1片邊長(zhǎng)h＝（50±0.02）mm的正方形CR39探測(cè)器（ρ＝1.32g／cm3）在6mol／L、80℃的NaOH溶液中刻蝕t＝6h±2min，刻蝕前后稱重得其質(zhì)量變化為m＝（0.071±0.001）g，根據(jù)式（1）、（2）得該刻蝕條件下體刻蝕速率vB＝（1.793± 0.015）μm／h。

徑跡刻蝕速率vT是指刻蝕液沿著粒子徑跡方向向前擴(kuò)散的速度。帶電粒子穿過(guò)CR39探測(cè)器時(shí)沿著路徑通過(guò)電離損失機(jī)制產(chǎn)生大量的次級(jí)電子，探測(cè)器材料的大分子鍵被破壞，形成橫向尺度為nm級(jí)的永久性微損傷。在刻蝕液中，被損傷的區(qū)域更易被刻蝕，刻蝕液沿著粒子徑跡快速進(jìn)入徑跡孔內(nèi)，以vT速率前進(jìn)，同時(shí)以vB速率垂直徑跡孔壁向外刻蝕徑跡孔，形成橫向尺度為μm級(jí)的刻蝕孔。vT與粒子徑跡上的局域電離損傷程度有關(guān)，在較多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁捎枚囗?xiàng)指數(shù)函數(shù)相加的形式來(lái)表示v函數(shù)（v＝vT／vB）［810］。文獻(xiàn)［5］提出了一半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將vT／vB描述為電離阻止本領(lǐng)（dE／dx）elec的函數(shù)（式（3）），其中系數(shù)k、n僅與刻蝕液濃度和溫度相關(guān)。本文使用TRIM程序計(jì)算沿著粒子徑跡的（dE／dx）elec分布，結(jié)合式（3），建立新的CR39探測(cè)器刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬程序。

2.2 粒子正入射的刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬模型

1）非過(guò)刻蝕條件下的模型

以帶電粒子徑跡方向?yàn)閦軸建立y-z軸坐標(biāo)系，圖2為粒子正入射CR39探測(cè)器刻蝕后徑跡形狀。在刻蝕時(shí)間t內(nèi)，CR39探測(cè)器表面以vB速率被向下刻蝕（式（4）），同時(shí)刻蝕液以vT（z）速率沿著徑跡孔損傷區(qū)域刻蝕，并以vB速率向外側(cè)刻蝕徑跡孔壁，其中vT（z）隨徑跡沿途的局域粒子的電離阻止本領(lǐng)的變化而變化。在t′時(shí)刻，刻蝕液到達(dá)徑跡上A′點(diǎn)（式（5）），然后按式（6）的徑跡孔壁刻蝕角ξ以vB的速率向外刻蝕徑跡孔壁，經(jīng)t－t′時(shí)間到達(dá)A點(diǎn)（式（7））。根據(jù)式（5）～（8）計(jì)算得到徑跡孔壁方程（y，z，t），結(jié)合式（4）確定的CR39探測(cè)器表面刻蝕深度，得到徑跡孔在CR39探測(cè)器刻蝕后表面的直徑D。

圖2 粒子正入射CR39探測(cè)器刻蝕后徑跡形狀Fig.2 Particle track shape in etched CR39detector under perpendicular incident condition

沿粒子徑跡前進(jìn)方向，粒子能量降低，（dE／dx）elec增大，在（dE／dx）elec達(dá)到峰值前，vT（z）沿著徑跡逐漸加快，ξ逐漸增大，形成圖2中斜率逐漸變大的徑跡孔壁。在顯微鏡下，整個(gè)徑跡孔區(qū)域的透光性非常低，呈現(xiàn)為一黑色圓斑。當(dāng)徑跡刻蝕深度遠(yuǎn)小于粒子射程時(shí)，（dE／dx）elec近似為常數(shù)，徑跡孔呈倒置圓錐形，D可解析表達(dá)為式（9），如當(dāng)Ep＞4.5MeV、ED＞6.6MeV、ET＞7.6MeV時(shí)，前述條件下刻蝕深度范圍內(nèi)（dE／dx）elec變化小于2%。另一方面，當(dāng)荷能重離子入射時(shí)，（dE／dx）elec非常大，vT／vB?1，ξ接近90°，D≈2vBt。

2）過(guò)刻蝕條件下的模型

當(dāng)徑跡刻蝕深度達(dá)到粒子射程R后，（dE／dx）elec迅速減小，vT（z）迅速下降并趨近于vB，最終刻蝕液以vB速率向四周以圓弧形刻蝕徑跡孔壁。圖3為粒子正入射CR39探測(cè)器條件下過(guò)刻蝕徑跡形狀。

圖3 粒子正入射CR39探測(cè)器過(guò)刻蝕徑跡形狀Fig.3 Over-etched track shape in CR39detector under perpendicular incident condition

經(jīng)t時(shí)間刻蝕，若刻蝕深度還未達(dá)到R，如圖3中A點(diǎn)所在的實(shí)線表面，徑跡直徑仍可按式（5）～（8）計(jì)算，徑跡孔壁區(qū)域透光性仍較低，但徑跡孔底部弧頂區(qū)域較為平坦，透光性較好，在顯微鏡下徑跡呈現(xiàn)出中心透光的圓環(huán)狀暗環(huán)結(jié)構(gòu)。

若刻蝕深度已達(dá)到或超過(guò)R，如圖3中B點(diǎn)所在的虛線表面，徑跡孔壁呈圓弧形，徑跡直徑由刻蝕后表面和1個(gè)圓心為射程點(diǎn)、半徑為vB（tB－tR）圓弧面的相交線計(jì)算。此時(shí)徑跡孔大部分區(qū)域均較平坦，透光性較好，在顯微鏡下徑跡孔邊界相對(duì)模糊，徑跡圖像光學(xué)襯度顯著下降，不利于徑跡參數(shù)的測(cè)量。另一方面，當(dāng)帶電粒子超過(guò)射程位置時(shí)，粒子束的角度岐離較為顯著，不再滿足粒子沿直線徑跡前進(jìn)的假設(shè)，需在本文刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬模型基礎(chǔ)上結(jié)合蒙特卡羅（MC）方法進(jìn)一步建立單粒子跟蹤模擬程序，計(jì)算表面刻蝕深度超過(guò)粒子射程后的徑跡形貌統(tǒng)計(jì)特征。因此，本文暫且計(jì)算表面刻蝕深度小于粒子射程條件下的帶電粒子徑跡形貌。

3）正入射帶電粒子能量響應(yīng)曲線

根據(jù)非過(guò)刻蝕條件和過(guò)刻蝕條件模型，由TRIM程序計(jì)算p、D、T和α粒子在CR39探測(cè)器中的電離阻止本領(lǐng)曲線，建立CR39探測(cè)器中帶電粒子徑跡形貌的模擬程序。針對(duì)6mol／L、80℃NaOH溶液、6h刻蝕的刻蝕條件，根據(jù)多能點(diǎn)質(zhì)子和α粒子的徑跡直徑實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)式（3）中k、n參數(shù)進(jìn)行二維迭代擬合，得到該刻蝕條件下最優(yōu)參數(shù)為k＝3.3×10－4、n＝2.4。進(jìn)一步計(jì)算得到p、D、T和α粒子的能量響應(yīng)曲線如圖4a所示，圖4b為p、D、T和α粒子在CR39探測(cè)器中的射程隨粒子能量的變化曲線，其中橫直線為前述刻蝕條件下刻蝕6h后的表面刻蝕深度。

2.3 粒子斜入射的刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬模型

當(dāng)帶電粒子斜入射CR39探測(cè)器時(shí)，徑跡形狀與正入射條件不同。沿粒子徑跡方向建立y′-z′坐標(biāo)系（圖5），刻蝕過(guò)程中刻蝕液以vT（z′）沿著粒子徑跡向前擴(kuò)散，同時(shí)以vB刻蝕孔壁形成傾斜徑跡孔，徑跡孔與CR39探測(cè)器表面存在一夾角，在顯微鏡下徑跡圖像非圓孔。按式（5）～（8）在y′-z′坐標(biāo)系下求解徑跡孔壁方程，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到y(tǒng)-z坐標(biāo)系，同時(shí)按式（4）計(jì)算刻蝕后表面位置，結(jié)合徑跡孔壁方程，得到CR39探測(cè)器的表面徑跡形狀。

當(dāng)表面刻蝕深度較小時(shí)，刻蝕后表面與徑跡孔壁的相交線處于徑跡孔的錐形區(qū)（圖5a面1），表面徑跡形狀為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸a、短軸b、偏心率e如式（10）～（14）所示。當(dāng)表面刻蝕深度繼續(xù)增大時(shí)，刻蝕后表面與徑跡孔壁相交于徑跡孔的加速收縮區(qū)（圖5a面2），表面徑跡形狀仍近似為橢圓，如圖5b所示。當(dāng)表面刻蝕深度非常大或粒子入射傾角非常大時(shí)，刻蝕后表面與徑跡孔壁相交于過(guò)刻蝕形成的圓弧區(qū)（圖5a面3），此時(shí)表面徑跡形狀為卵形，如圖5c所示，這種徑跡輪廓較多地出現(xiàn)在嚴(yán)重過(guò)刻蝕條件或中子反沖質(zhì)子測(cè)量中。

圖4 CR39探測(cè)器的p、D、T和α粒子能量響應(yīng)曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的比較（a）和p、D、T和α粒子射程隨能量的變化（b）Fig.4 Energy response of CR39detector to p，D，T andαparticles and experimental data（a）and projective ranges vs particle energy of p，D，T andα（b）

圖5 粒子斜入射CR39探測(cè)器刻蝕后徑跡形狀（a）和未過(guò)刻蝕面（b）、過(guò)刻蝕面（c）的表面徑跡輪廓Fig.5 Longitudinal track shape of oblique incident particle in CR39detector（a）and surface track shapes under non-overetched（b）and over-etched（c）conditions

對(duì)于某一能量質(zhì)子，徑跡橢圓度隨入射角增大而增大；對(duì)于某一入射角質(zhì)子，在一定能量范圍內(nèi)，由于（dE／dx）elec隨入射能量的增大而減小，式（6）的ξ減小導(dǎo)致刻蝕后徑跡的孔壁傾角增大，在同一表面刻蝕深度下，徑跡橢圓度則呈增大趨勢(shì)。非圓徑跡不利于徑跡圖像處理與參數(shù)測(cè)量，橢圓形徑跡橢圓度同時(shí)受入射角度和入射粒子能量的影響，能量響應(yīng)關(guān)系復(fù)雜，不利于粒子種類甄別和能量測(cè)量，且非規(guī)則形狀徑跡易誤判為本底雜散徑跡而被排除。實(shí)驗(yàn)中需根據(jù)粒子能量，適當(dāng)限制入射角度以保證探測(cè)效率。在6mol／L、80℃NaOH溶液、刻蝕6h的刻蝕條件下，若限制質(zhì)子徑跡橢圓度小于1.1，則1MeV質(zhì)子入射角須小于22°，3MeV質(zhì)子入射角須小于14°。隨質(zhì)子入射能量的進(jìn)一步增大，入射角容許范圍更小。因此，在中子反沖質(zhì)子譜儀等ICF診斷設(shè)備中，需根據(jù)待測(cè)質(zhì)子能量，設(shè)計(jì)質(zhì)子濾片和探測(cè)器結(jié)構(gòu)，選擇合適的質(zhì)子入射角度范圍。

3 CR39探測(cè)器在ICF帶電粒子能譜診斷的應(yīng)用

在CR39載體型譜儀帶電粒子譜儀中，本文刻蝕條件下CR39探測(cè)器對(duì)10MeV以下p、D和T粒子均靈敏（圖4a），隨著粒子能量增加，能量響應(yīng)曲線變化放緩，能量分辨率下降?？紤]徑跡讀數(shù)系統(tǒng)的徑跡空間分辨率等因素，CR39探測(cè)器徑跡能量響應(yīng)變化率應(yīng)大于1μm／MeV，圖6a為CR39探測(cè)器對(duì)p、D和T的能量響應(yīng)變化率曲線，p在1～4MeV的能區(qū)內(nèi)徑跡的能量分辨率較好，D、T在1～6MeV能區(qū)內(nèi)的較好。當(dāng)將此類譜儀用于測(cè)量D-3He燃料聚變反應(yīng)和D-D燃料聚變的次級(jí)D-3He反應(yīng)的高能（8～18MeV）質(zhì)子能譜時(shí)，需根據(jù)具體的待測(cè)質(zhì)子能量范圍優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)子譜儀的濾片結(jié)構(gòu)，圖6b為使用不同厚度Al濾片所適合的質(zhì)子能量范圍（質(zhì)子能量被衰減至1～4MeV）。

在ICF帶電粒子磁譜儀中，不同粒子種類和能量需設(shè)計(jì)不同的濾片與CR39探測(cè)器組合使用。當(dāng)測(cè)量D-D燃料聚變1～4MeV初級(jí)質(zhì)子時(shí)，僅需10μm厚Al濾片用于阻止靶丸殼層等CH材料在激光燒蝕作用下產(chǎn)生的低能質(zhì)子等本底粒子。當(dāng)測(cè)量D-3He反應(yīng)質(zhì)子（10～17.4MeV）時(shí)，使用具有4種厚度的臺(tái)階Al濾片（610μm用于測(cè)量10～12MeV的質(zhì)子、850μm用于測(cè)量12～13.8MeV的質(zhì)子、1 100μm用于測(cè)量13.8～15.8MeV的質(zhì)子、1 400μm用于測(cè)量15.8～17.4MeV的質(zhì)子）將質(zhì)子能量衰減至1～6MeV范圍。測(cè)量D-T反應(yīng)中子在燃料或殼層區(qū)彈性散射產(chǎn)生的高能D（9.6～12.5MeV）和T（7.3～10.6MeV）的計(jì)數(shù)和能譜可用于內(nèi)爆壓縮面密度測(cè)量［12］，需分別使用350μm和160μm厚Al濾片將D和T能量衰減至CR39探測(cè)器靈敏區(qū)。圖7為使用不同厚度Al濾片后CR39探測(cè)器記錄的粒子徑跡直徑與磁譜儀偏轉(zhuǎn)半徑約化能量（AE／Z2）的關(guān)系。

圖6 p、D和T的能量響應(yīng)變化率曲線（a）和不同厚度Al濾片適合的質(zhì)子能量范圍（b）Fig.6 Energy response slopes of p，D and T（a）and suitable proton energy range for Al filters with different thicknesses（b）

4 結(jié)論

CR39探測(cè)器的帶電粒子能量響應(yīng)關(guān)系是ICF帶電粒子診斷探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)。本文測(cè)量了CR39對(duì)多個(gè)能點(diǎn)質(zhì)子和α粒子的能量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)將TRIM程序與CR39探測(cè)器半經(jīng)驗(yàn)刻蝕模型相結(jié)合，建立了CR39探測(cè)器刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬程序，模擬粒子正入射和斜入射條件下的表面徑跡形狀。在正入射條件下，模擬計(jì)算了p、D、T和α粒子的徑跡直徑能量響應(yīng)曲線，分析了ICF診斷中的RFP和WRF質(zhì)子譜儀及帶電粒子磁譜儀中CR39探測(cè)器的帶電粒子能量衰減濾片設(shè)計(jì)。在斜入射條件下，粒子徑跡的橢圓度隨粒子能量和傾斜角度的增大而增大，在本文刻蝕條件下測(cè)量3MeV質(zhì)子時(shí)傾斜角不宜超過(guò)14°。本文的刻蝕動(dòng)力學(xué)模擬程序和粒子徑跡能量響應(yīng)曲線還可與粒子譜儀的蒙特卡羅模擬程序和解譜程序相結(jié)合，建立完整的粒子譜儀模擬分析程序。

圖7 磁譜儀CR39探測(cè)器徑跡直徑與偏轉(zhuǎn)半徑約化能量的關(guān)系Fig.7 Relation between CR39detector track diameter and reduced energy of particle gyro-radius in magnetic charged particle spectrometer

北京大學(xué)物理學(xué)院馬宏驥、任曉堂為本工作運(yùn)行2×1.7MV加速器和2×6MV加速器，并在實(shí)驗(yàn)期間提供了大量幫助，在此表示衷心感謝。

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Charged Particle Energy Response Research of CR39 Detector

ZHANG Xing1，2，SU Ming1，ZHENG Jian-hua1，YANG Zheng-hua1，＊，YANG Pin1，CHEN Li1，CHEN Ming1，JIANG Shao-en1，LIU Shen-ye1
（1.Laser Fusion Research Center，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China；2.State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology，Peking University，Beijing100871，China）

For the application in the charged particle diagnostics on the SG serial laser facilities，the energy responses of CR39detector with 0.7-10MeV protons andαparticle were investigated by the accelerator proton source and241Am radioactive isotope source，respectively.An etching kinetic simulation code was developed based on the TRIM code and semi-empirical model.The characterizations of the energy responses and track shapes of p，D，T andαparticles were simulated under the perpendicular incident and oblique incident conditions.Some schemes were proposed to optimize the CR39detector unit for some application in ICF charged particle spectrometers.

ICF charged particle diagnostics；CR39detector；energy response；etching kinetic

O532.13；TL65；TL815.7

：A

：1000-6931（2015）01-0140-07

10.7538／yzk.2015.49.01.0140

2014-05-21；

2014-06-29

北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目（2014-02）

張 興（1986—），男，四川華鎣人，助理研究員，博士，粒子物理與原子核物理專業(yè)

＊通信作者：楊正華，E-mail：yzh＠caep.ac.cn