用于核材料检测的两种宇宙射线μ子位置灵敏探测器

　　自从911恐怖袭击以后,反恐怖袭击越来越引起国际社会的重视,其中打击非法核材料的运输成为重中之重。恐怖分子对特殊核材料进行少量分装和良好屏蔽(如使用高原子序数材料铅、含高氢物质聚乙烯和中子吸收截面大的锂或硼材料作屏蔽体),使得这些非法核材料在港口、边境及车站等地躲过了常规被动探测设备的检测。为此开发和研究更有效的隐匿核材料检测的仪器和方法是亟待解决的问题。

　　1　探测原理

　　宇宙射线μ子探测核材料的方法正是在这一大国际背景下提出来的,μ子能量主要分布在1GeV ~10 GeV之间,它与物质的作用主要有电离能损、库仑散射、韧致辐射。其中当μ子通过物体时,与物体中的原子不断发生库仑散射,发生小角度的偏转,当最终穿透物体时,累计达到θ。μ子探测核材料方法便是利用θ实现对核材料的位置定位。θ近似于高斯分布宽度。c为光速,p为入射μ子的动量,x/x0是以辐射长度为单位的散射介质的厚度[1]。

　　μ子探测核材料的原理如图1,在待测量物质的上下平行垂直放置几组位置灵敏探测器来确定粒子的入射和出射位置和方向。快时间响应的闪烁体计数器符合电路去除其它宇宙射线对探测器的干扰。通过添加已知厚度的物质来选定一定入射动量μ子。

　　2　漂移管(DT)

　　DT是一种性能优越的小型同轴圆柱漂移室,从长寿命工作角度考虑,漂移管内一般都充Ar+CO2的混合气体。漂移时间的测量,可以达到很高的空间分辨。空间粒子径迹确定时通常将漂移管紧密排列在一起,形成多层的模块结构。典型代表是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室利用宇宙射线μ子探测隐匿的核材料研究。高能物理领域的大型物理实验代表是欧洲核子研究中心运行的大型强子对撞机上的ATLAS[2,3]。

　　漂移管的电场强度沿径向不均匀,原初电离电子的漂移速度v(t)在漂移空间内变化较大,漂移距离s可以由下面的公式推导出,

　　其中t0为μ子入射到漂移管内某位置处产生原初电离的时间,tk-t0为电子漂移到阳极丝附近并产生雪崩的时间,可得到原初电离位置到阳极丝的距离,从而获得粒子位置信息。采用射线均匀照射漂移空间的积分时间谱法可以得出漂移管内的位置和时间关系[4]。为了更精确地确定μ子在空间的入射方向和出射方向,需要多层漂移管的模块结构,层数越多定位的精度也越高。采用在每个漂移管横截面做入射μ子路径切线圆的方法[5](最接近阳极丝法)如图2所示来实现对μ子路径的判断和确定。两个相互垂直的模块可以确定两组二维坐标,从而实现对μ子在空间三维坐标的确定,进而确定入射和出射方向。