低能量下用于AMS测定36CI的充气飞行时间探测方法研究

摘要

加速器质谱技术（AcceleratorMassSpectrometry，简称AMS）是一种基于加速器和离子探测技术的超灵敏质谱技术，主要应用于自然界中超痕量长寿命放射性核素的测量。从上世纪70年代末AMS兴起到现在，AMS技术得到了极快的发展，AMS可测量的核素在不断增加，目前AMS的小型化及多核素测量已成为当今AMS装置发展的重要趋势之一。36C1是一种半衰期为3.01×105a的长寿命放射性核素，广泛的应用于地下水定年和第四纪研究中。AMS测定36C1的难点在于其同量异位素36S的干扰，如果离子入射能量较低，则使得同量异位素离子之间在气体介质中的能量差别较小而能量崎离较大，所以对于小型AMS系统36C1和36S的鉴别存在很大困难。充气飞行时间（gas-filledtimeofflight，简称GF-TOF）探测方法是一种新的用于AMS测量的同量异位素鉴别方法，它综合了电离室能量测量和充气飞行时间探测器时间测量的优点，很有希望在离子入射能量较低时实现对36C1的测量。本文介绍了GF-TOF探测系统的基本原理、结构及其用于测定36C1开展的工作和所取得的结果。
　　 GF-TOF探测系统主要由起始时间探测器(微通道板，简称MCP)、终止时间探测器(金硅面垒半导体探测器，简称SBD)和充气室（可同时做为△E-E多阳极电离室使用）组成。本文在前人研究的基础上对GF-TOF探测器进行了一系列的改进，主要包括：1）MCP的优化；2)选用100nm的Si3N4膜作为充气室的入射窗。使用241Amα源对GF-TOF探测器进行调试，发现SBD对241Amα粒子的能量分辨率为1.6％，上升时间大约为20ns。对于充气室，充46mbar丙烷气体使241Amα粒子完全阻止在灵敏体积内，经过一个长度为2cm的准直器(准直孔的直径为1.5mm)准直后，充气室中△E1，△E2和ET的能量分辨率分别为5％，8.5％和4.6％。在中国原子能科学研究院串列加速器的AMS管道上用32.11MeV的36S和36C1离子对GF-TOF系统进行了调试，充气飞行距离为450mm，得到真空下系统的时间分辨(FWHM)为1.3ns；当给充气室充5mbar的丙烷气体时系统的时间分辨(FWHM)为2.4ns。实验中通过与△E-E多阳极电离室的比较，表明充气飞行时间方法在离子能量较低时比△E-E多阳极电离室能够更有效地鉴别同量异位素。
　　 本论文的主要工作是对一种同量异位素鉴别技术——GF-TOF探测方法的发展。本人在论文中的主要工作为：负责设计和建立起GF-TOF探测系统；完成对GF-TOF探测系统的调试；作为主要实验人员参与了实验的全过程。