正電子致電離截面實(shí)驗(yàn)中束流強(qiáng)度的在線測(cè)量

藍(lán)文鴻，吳 英，杜永琪，劉澤坤，李 臻，高 峰

(華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

低能正電子致原子內(nèi)殼層電離截面的測(cè)量在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中有著重要意義。在理論研究方面，能量在靶原子電離閾能附近的正負(fù)電子與原子之間的碰撞作用機(jī)制尚不清楚。盡管相關(guān)理論模型不斷被提出，如DWBA量子理論模型[1-3]、PWBA-C-Ex量子理論模型[4]等，但理論模型的可靠性需準(zhǔn)確的電離截面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以檢驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用方面，正電子致原子內(nèi)殼層電離截面數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于完善相關(guān)模擬計(jì)算所基于的截面數(shù)據(jù)庫(kù)、天體物理及核聚變等高技術(shù)領(lǐng)域[5-6]。

目前由于正電子束流的獲取方法有限，因此對(duì)正電子致原子內(nèi)殼層電離的實(shí)驗(yàn)研究較少。Nagashima等[7-9]關(guān)于5～30 keV正電子致Ag原子L殼層和Cu原子K殼層電離截面的測(cè)量及田麗霞等[10-11]關(guān)于6～20 keV正電子致Ti原子K殼層電離截面的測(cè)量中，均采用離線法獲取正電子束流強(qiáng)度，即在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將正電子束流強(qiáng)度視為不變。而基于離線法確定的正電子束流強(qiáng)度很可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠，原因?yàn)椋?)22Na衰變產(chǎn)生的正電子束流強(qiáng)度較弱(<106s-1)，在實(shí)驗(yàn)中需測(cè)量較長(zhǎng)時(shí)間(每個(gè)靶需測(cè)量數(shù)天甚至數(shù)周)才能得到滿足統(tǒng)計(jì)性要求的特征峰凈計(jì)數(shù)，但22Na的半衰期相對(duì)較短(約2.6 a)，因此22Na源的衰變對(duì)正電子束流強(qiáng)度的影響不可忽略；2) 基于22Na源的慢正電子束流裝置產(chǎn)生的正電子束流強(qiáng)度可能存在波動(dòng)。因此，有必要在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與靶碰撞的正電子束流強(qiáng)度。本文使用厚靶方法進(jìn)行8～9.5 keV正電子致Ti原子K殼層電離截面測(cè)量實(shí)驗(yàn)，采用HPGe探測(cè)器實(shí)時(shí)收集正電子碰撞厚Ti靶產(chǎn)生的湮滅光子，并結(jié)合HPGe探測(cè)器對(duì)放置在碰撞點(diǎn)處22Na標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生的511 keV湮滅光子的探測(cè)效率刻度值，得到Ti原子K殼層電離截面實(shí)驗(yàn)中正電子束流強(qiáng)度的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

正電子碰撞純厚靶的實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的慢正電子束流裝置上完成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。22Na標(biāo)準(zhǔn)源衰變產(chǎn)生的正電子能量在0～545 keV范圍內(nèi)連續(xù)分布，經(jīng)Ne慢化體將其能量慢化至eV量級(jí)[12-14]，慢化后的正電子在靶托負(fù)高壓的作用下沿y軸方向加速至8～9.5 keV后，碰撞在與x-y平面呈45°傾斜放置的純厚Ti靶上，靶室的真空度約為10-6Pa。正電子與靶碰撞后湮滅產(chǎn)生511 keV的光子，該光子由ORTEC公司生產(chǎn)的GEM20P4型同軸HPGe探測(cè)器(對(duì)稱軸沿x軸方向放置于靶室外)收集，HPGe探測(cè)器表面距靶室的管道外表面46 mm。正電子與純厚Ti靶碰撞產(chǎn)生的X射線能譜由KETEK公司生產(chǎn)的VITUS H80型硅漂移X射線能譜儀(SDD)收集，SDD沿z負(fù)半軸方向插入靶室，與靶樣品法向呈45°。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experiment device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用HPGe探測(cè)器在線監(jiān)測(cè)正電子碰撞靶樣品伴隨產(chǎn)生的湮滅光子計(jì)數(shù)率nγ，結(jié)合HPGe探測(cè)器對(duì)放置在碰撞點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生的511 keV γ能量的探測(cè)效率ε，可得到與靶碰撞的入射正電子束流強(qiáng)度P為：

(1)

式中，Ep為湮滅光子的能量，Ep=511 keV。

式(1)中的nγ(Ep)可由HPGe γ能譜分析軟件獲取。本工作采用22Na標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源對(duì)HPGe探測(cè)器進(jìn)行511 keV γ能量的效率刻度來(lái)獲取ε(Ep)：將標(biāo)準(zhǔn)源放置在碰撞點(diǎn)處，用HPGe探測(cè)器收集22Na標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)射的正電子湮滅后產(chǎn)生的湮滅光子，得到HPGe探測(cè)器在511 keV能量處的探測(cè)效率ε(Ep)為：

(2)

式中：t為測(cè)量時(shí)間；N0為HPGe探測(cè)器記錄到的湮滅光子凈計(jì)數(shù)；A0為22Na標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定時(shí)的活度；I為22Na標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)生β+衰變的分支比；T和T1/2分別為22Na標(biāo)準(zhǔn)源從活度標(biāo)定到進(jìn)行刻度的時(shí)間間隔和22Na的半衰期。

2 結(jié)果與分析

由式(2)得到ε(Ep)為2.81×10-3，將8～9.5 keV正電子致Ti原子K殼層電離截面測(cè)量實(shí)驗(yàn)中記錄到的nγ(Ep)代入式(1)，可得到不同能量的正電子在其測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均束流強(qiáng)度，結(jié)果列于表1。本方法得到的正電子束流強(qiáng)度相對(duì)誤差主要來(lái)源于：采用22Na標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)HPGe進(jìn)行效率刻度時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源活度的相對(duì)誤差(約5%)；HPGe探測(cè)器在線收集湮滅光子凈計(jì)數(shù)的相對(duì)誤差(約1%)?；谑?1)，由誤差傳遞公式可得到束流強(qiáng)度的相對(duì)誤差約為5%。

表1 正電子平均束流強(qiáng)度Table 1 Average positron beam intensity

本工作每隔約1 h記錄1次HPGe探測(cè)器在該時(shí)間段收集的湮滅光子凈計(jì)數(shù)，圖2為正電子束流強(qiáng)度實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，可看出，束流強(qiáng)度總體呈逐漸衰減的趨勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的38 h內(nèi)，束流強(qiáng)度從測(cè)量初始時(shí)的3.64×105s-1衰減到測(cè)量結(jié)束時(shí)的3.20×105s-1，衰減幅度達(dá)到11%，表明22Na標(biāo)準(zhǔn)源較短的半衰期對(duì)束流強(qiáng)度的影響不可忽略。圖2中束流強(qiáng)度雖有小幅波動(dòng)(測(cè)量時(shí)間在23～24 h期間)，但未出現(xiàn)明顯的躍變，可見對(duì)Ti靶測(cè)量時(shí)22Na標(biāo)準(zhǔn)源慢正電子束流裝置基本處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

圖2 正電子束流強(qiáng)度實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果Fig.2 Real-time measurement result of positron beam intensity

表2為在線法與離線法(假設(shè)實(shí)驗(yàn)中正電子束流強(qiáng)度穩(wěn)定，采用開始測(cè)量時(shí)的束流強(qiáng)度計(jì)算電離截面)獲得的8～9.5 keV正電子致Ti原子K殼層電離截面[15]。可見，采用離線法會(huì)導(dǎo)致電離截面被低估，僅經(jīng)歷38 h的測(cè)量，截面被低估程度已達(dá)-11%。

表2 8～9.5 keV正電子致Ti原子K殼層電離截面Table 2 K-shell ionization cross section of Ti impacted by 8-9.5 keV positron

3 結(jié)論

本文采用HPGe探測(cè)器收集正電子碰撞靶樣品過(guò)程中伴隨產(chǎn)生的湮滅光子，并結(jié)合HPGe探測(cè)器對(duì)碰撞點(diǎn)處放置的22Na標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生的511 keV光子的探測(cè)效率刻度值，實(shí)現(xiàn)了8～9.5 keV正電子引起Ti原子內(nèi)殼層電離實(shí)驗(yàn)中正電子束流強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)量結(jié)果表明，基于22Na標(biāo)準(zhǔn)源慢正電子束流裝置產(chǎn)生的正電子束流強(qiáng)度不穩(wěn)定，隨測(cè)量時(shí)間有著不同程度的衰減。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的38 h內(nèi)，束流強(qiáng)度在某些時(shí)段出現(xiàn)小幅波動(dòng)。因此離線法獲取的截面結(jié)果不可靠，對(duì)正電子束流強(qiáng)度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)十分必要。

感謝中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所王寶義、況鵬和張鵬在正電子束流的獲取上給予的支持和幫助，感謝華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院徐夢(mèng)霞、梁燁和袁野在實(shí)驗(yàn)及論文撰寫上給予的指導(dǎo)。