正电子致电离截面实验中束流强度的在线测量

蓝文鸿，吴 英，杜永琪，刘泽坤，李 臻，高 峰

(华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206)

低能正电子致原子内壳层电离截面的测量在理论研究和实际应用中有着重要意义。在理论研究方面，能量在靶原子电离阈能附近的正负电子与原子之间的碰撞作用机制尚不清楚。尽管相关理论模型不断被提出，如DWBA量子理论模型[1-3]、PWBA-C-Ex量子理论模型[4]等，但理论模型的可靠性需准确的电离截面实验数据加以检验。在实际应用方面，正电子致原子内壳层电离截面数据广泛应用于完善相关模拟计算所基于的截面数据库、天体物理及核聚变等高技术领域[5-6]。

目前由于正电子束流的获取方法有限，因此对正电子致原子内壳层电离的实验研究较少。Nagashima等[7-9]关于5～30 keV正电子致Ag原子L壳层和Cu原子K壳层电离截面的测量及田丽霞等[10-11]关于6～20 keV正电子致Ti原子K壳层电离截面的测量中，均采用离线法获取正电子束流强度，即在整个实验过程中将正电子束流强度视为不变。而基于离线法确定的正电子束流强度很可能会导致实验结果不可靠，原因为：1)22Na衰变产生的正电子束流强度较弱(<106s-1)，在实验中需测量较长时间(每个靶需测量数天甚至数周)才能得到满足统计性要求的特征峰净计数，但22Na的半衰期相对较短(约2.6 a)，因此22Na源的衰变对正电子束流强度的影响不可忽略；2) 基于22Na源的慢正电子束流装置产生的正电子束流强度可能存在波动。因此，有必要在实验中实时监测与靶碰撞的正电子束流强度。本文使用厚靶方法进行8～9.5 keV正电子致Ti原子K壳层电离截面测量实验，采用HPGe探测器实时收集正电子碰撞厚Ti靶产生的湮灭光子，并结合HPGe探测器对放置在碰撞点处22Na标准源产生的511 keV湮灭光子的探测效率刻度值，得到Ti原子K壳层电离截面实验中正电子束流强度的实时测量结果。

1 实验

1.1 实验装置

正电子碰撞纯厚靶的实验在中国科学院高能物理研究所的慢正电子束流装置上完成，实验装置示意图如图1所示。22Na标准源衰变产生的正电子能量在0～545 keV范围内连续分布，经Ne慢化体将其能量慢化至eV量级[12-14]，慢化后的正电子在靶托负高压的作用下沿y轴方向加速至8～9.5 keV后，碰撞在与x-y平面呈45°倾斜放置的纯厚Ti靶上，靶室的真空度约为10-6Pa。正电子与靶碰撞后湮灭产生511 keV的光子，该光子由ORTEC公司生产的GEM20P4型同轴HPGe探测器(对称轴沿x轴方向放置于靶室外)收集，HPGe探测器表面距靶室的管道外表面46 mm。正电子与纯厚Ti靶碰撞产生的X射线能谱由KETEK公司生产的VITUS H80型硅漂移X射线能谱仪(SDD)收集，SDD沿z负半轴方向插入靶室，与靶样品法向呈45°。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of experiment device

1.2 实验方法

采用HPGe探测器在线监测正电子碰撞靶样品伴随产生的湮灭光子计数率nγ，结合HPGe探测器对放置在碰撞点处标准源产生的511 keV γ能量的探测效率ε，可得到与靶碰撞的入射正电子束流强度P为：

(1)

式中，Ep为湮灭光子的能量，Ep=511 keV。

式(1)中的nγ(Ep)可由HPGe γ能谱分析软件获取。本工作采用22Na标准点源对HPGe探测器进行511 keV γ能量的效率刻度来获取ε(Ep)：将标准源放置在碰撞点处，用HPGe探测器收集22Na标准源发射的正电子湮灭后产生的湮灭光子，得到HPGe探测器在511 keV能量处的探测效率ε(Ep)为：

(2)

式中：t为测量时间；N0为HPGe探测器记录到的湮灭光子净计数；A0为22Na标准源标定时的活度；I为22Na标准源发生β+衰变的分支比；T和T1/2分别为22Na标准源从活度标定到进行刻度的时间间隔和22Na的半衰期。

2 结果与分析

由式(2)得到ε(Ep)为2.81×10-3，将8～9.5 keV正电子致Ti原子K壳层电离截面测量实验中记录到的nγ(Ep)代入式(1)，可得到不同能量的正电子在其测量时间内的平均束流强度，结果列于表1。本方法得到的正电子束流强度相对误差主要来源于：采用22Na标准源对HPGe进行效率刻度时标准源活度的相对误差(约5%)；HPGe探测器在线收集湮灭光子净计数的相对误差(约1%)。基于式(1)，由误差传递公式可得到束流强度的相对误差约为5%。

表1 正电子平均束流强度Table 1 Average positron beam intensity

本工作每隔约1 h记录1次HPGe探测器在该时间段收集的湮灭光子净计数，图2为正电子束流强度实时测量结果，可看出，束流强度总体呈逐渐衰减的趋势，在实验测量的38 h内，束流强度从测量初始时的3.64×105s-1衰减到测量结束时的3.20×105s-1，衰减幅度达到11%，表明22Na标准源较短的半衰期对束流强度的影响不可忽略。图2中束流强度虽有小幅波动(测量时间在23～24 h期间)，但未出现明显的跃变，可见对Ti靶测量时22Na标准源慢正电子束流装置基本处于稳定运行的状态。

图2 正电子束流强度实时测量结果Fig.2 Real-time measurement result of positron beam intensity

表2为在线法与离线法(假设实验中正电子束流强度稳定，采用开始测量时的束流强度计算电离截面)获得的8～9.5 keV正电子致Ti原子K壳层电离截面[15]。可见，采用离线法会导致电离截面被低估，仅经历38 h的测量，截面被低估程度已达-11%。

表2 8～9.5 keV正电子致Ti原子K壳层电离截面Table 2 K-shell ionization cross section of Ti impacted by 8-9.5 keV positron

3 结论

本文采用HPGe探测器收集正电子碰撞靶样品过程中伴随产生的湮灭光子，并结合HPGe探测器对碰撞点处放置的22Na标准源产生的511 keV光子的探测效率刻度值，实现了8～9.5 keV正电子引起Ti原子内壳层电离实验中正电子束流强度的实时监测。测量结果表明，基于22Na标准源慢正电子束流装置产生的正电子束流强度不稳定，随测量时间有着不同程度的衰减。在实验测量的38 h内，束流强度在某些时段出现小幅波动。因此离线法获取的截面结果不可靠，对正电子束流强度进行在线监测十分必要。

感谢中国科学院高能物理研究所王宝义、况鹏和张鹏在正电子束流的获取上给予的支持和帮助，感谢华北电力大学核科学与工程学院徐梦霞、梁烨和袁野在实验及论文撰写上给予的指导。