原子核乳胶探测技术

原子核乳胶是一种能记录一定能量范围的单个带电粒子径迹的特殊乳胶。在它以前，照相胶片是最早的核辐射探测工具。贝克勒尔(1896)偶然将照相底片和矿石放在一起，底片被感光，由此发现了天然放射性元素的存在。1938年威尔金斯发展了一种“乳胶径迹法”测量入射粒子的能量。但当时的照相乳胶只能记录大量射线的总效应。1948年又出现了原子核乳胶。其探测技术有时也称为放射自显影术。
径迹形成原理 核乳胶主要由卤化银（如溴化银）微晶粒和明胶组成。溴化银是感光材料，明胶是支持物，明胶遇水膨胀后离子能透入，因而可进行显影、定影。溴化银微晶粒是Ag⁺和Br-构成的离子型晶体（见图）。在乳胶制备过程中，总要使AgBr晶粒表面存在一些过剩银原子（称为灵敏中心），而且由于晶体的缺陷和其他杂质存在，晶格中还常有

些间隙银离子。带电粒子射入晶粒时，由于电离作用，在晶格中产生一些自由电子，而失掉电子的Br-离子，则变成中性Br原子。Br原子容易在晶格中移动而离开原来的位置，形成空穴。一部分电子被过剩银原子俘获（图中实线所示），使其带负电荷。Ag-离子排斥其附近的Br-离子使之向空穴移动（图中点划线所示）。同时吸引其附近的Ag⁺离子(或间隙银离子Ag⁺)而还原为Ag原子。如此反复进行，结果使银原子汇集而形成潜影。

⊕Ag⁺ (-)Br^- ○正空穴

潜影形成示意

当某一晶粒中的潜影超过一定大小后，与显影剂接触时，该晶粒就能被还原成黑色银粒，没有潜影的晶粒则被定影液溶解掉。因此，显影、定影的结果，在乳胶里只留下被还原了的黑色银粒，它们反映了带电粒子的径迹。
径迹的长度称为射程。入射粒子能量愈大则射程愈长。若预先用一系列已知能量的带电粒子测得它们的射程与能量的关系，则测得射程即可定出入射粒子的能量。
径迹单位长度中的银粒子称为颗粒密度，它与射线的电离本领有关。而电离本领与粒子的电荷和速度有关。在一定电荷的条件下，根据颗粒密度可以推知粒子的速度。
此外，由于带电粒子与乳胶中的原子相互作用而发生多次散射，所以径迹往往稍有弯曲。质量小或速度慢的粒子容易改变运动方向，因而径迹弯曲程度大。所以根据径迹长短、弯曲及颗粒疏密程度可以鉴别粒子的性质和推知其能量。
原子核乳胶的成分和特性 原子核乳胶与普通照相乳胶相比，溴化银含量较高，颗粒较细，颗粒均匀度要求较高。核乳胶的成分比较复杂，并且对元素含量的精确度要求亦严格。
核乳胶有许多类型。不同类型的核乳胶有不同的成分和不同的适用范围，国内研制的各种核乳胶的特性及适用范围见下表。

中国研制的原子核乳胶的种类和特性

型 号	主 要 特 性	适 用 范 围
核-0	对α粒子不灵敏，只对 裂变碎片与重离子灵敏	重离子探测，裂变碎片 探测
核-2	对α粒子灵敏，可以记 录10MeV以下的质子。 对能量为5Mev的α粒 子，能量分辨率约为3%	用于α粒子探测，低能 核反应10MeV以下的质 子探测与快中子能谱测量

（续表）

型 号	主 要 特 性	适 用 范 围
核-3	能记录α粒子以及 50MeV以下的质子，能量 分辨率及其他性能与核-2 同	用于快中子能谱测量， 低能核反应工作
核-4	对相对论粒子灵敏	可用于β线探测，高能 粒子探测
核-5	对相对论粒子灵敏，比 核-4灵敏度高，径迹浓，在 适当条件下只能保存一个 月	可用于β线探测，高能 粒子探测
核-0载铀	只对裂变碎片灵敏，干 乳胶中含铀量为 210mg/cm2	裂变研究
核-1载硼	每厘米2 干乳胶中含硼 量为50mg，对γ线与质 子比较不灵敏	强γ线本底下8MeV以 上快中子能谱测量
核-2载硼	干乳胶中含硼量为 200mg/cm2	适于作慢中子探测
核-6a载锂	干乳胶中含锂量为 14mg/cm2	几百keV快中子能谱 测量
核-6b	可记录14MeV的质子， 其粒子分辨本领较高	核反应研究
HW-2	灵敏度与核-3相仿，其 溴化银颗粒直径为0.1μm	强γ线本底下测快中子 谱
HW-3	对相对论粒子灵敏，其 溴化银颗粒直径为0.1μm	可探测β线，用于电子 显微镜放射自显影
HW-4	对相对论粒子灵敏，其溴 化银颗粒直径为0.14μm	可探测β线，用于电子 显微镜放射自显影
彩色片	品、青两色，对β线灵敏	可作宏观双标记放射自 显影(可测定2H与14C ……32P)

核乳胶对各种核辐射的探测及其应用 有以下三点。
(1)带电粒子的探测： 用显微镜观测带电粒子在乳胶中形成的径迹，根据其射程分布，可推知粒子的能量和鉴别粒子的类型，因而也可鉴定放射性核素的种类。β-粒子的核乳胶探测在医学生物学中应用很广泛，通过用核乳胶作放射自显影可了解物质在体内、组织内，甚至细胞内不同部位的分布情况(见“生物医学中的放射自显影术”条)。
(2) 中子的探测： 通过核乳胶，能借助于记录次级带电粒子间接地探测中子。
快中子(En>0.5MeV)探测，可使用载氢乳胶（称为内辐射体法），或在乳胶前放置含氢物质如聚乙烯（称为外辐射体法）。快中子与氢作用产生的反冲质子可被乳胶记录，用暗视野显微镜（径迹呈现为一系列亮点）测量反冲质子径迹数，可估测快中子剂量，所以核乳胶是一种用于放射防护的快中子个人剂量计。测量反冲质子射程及飞出的角度还可算出中子能量。
慢中子探测，可使用载硼乳胶。慢中子极易与¹⁰B发生¹⁰B(n,α)⁷Li反应；亦易与乳胶中的氮核起¹⁴N (n,p)¹⁴C反应。通过记录α粒子或质子径迹数即可推算出慢中子通量。
热中子探测，可利用覆盖在乳胶片上的镉、银等材料俘获热中子后放出β和γ线，被乳胶记录，使用光电密度计测量乳胶黑度，估测热中子剂量。
(3) γ线的探测： 次级电子在乳胶中产生的黑度，可估测γ线外照射剂量。在辐射防护领域中，经常使用核乳胶监督个人所受的γ或X线照射量，称为乳胶个人剂量计。
原子核乳胶探测技术的优缺点 主要优点：
❶阻止本领大，空间分辨本领高，连续灵敏，长期照射不影响其灵敏度，故适宜于微量放射性元素的测量和稀有现象的探索；
❷轻便而简单，无需附属电子仪器，并且不受射频和磁场(<2400 Oe)的影响，故核乳胶能在电子仪器很难或不能工作的地方使用；
❸处理后的胶片，可以长期保存，以备将来需要时重新估读，故适宜于个人剂量监督。
主要缺点：
❶操作比较繁复，目前除径迹读数能自动扫描外，其他参量测量还难以实现自动化；
❷乳胶不能作绝对测量，“照射胶片”必须与一套同一批乳胶的“刻度胶片”（已知照射量）和“对照胶片”（本底灰雾的修正）同时冲洗；
❸不能作及时测量，只能在照射后经过处理才能得到结果。另外在显影过程中，难以精确地控制温度、时间等参量，使测量结果的重复性受到限制，并且有较大的统计误差，有时仅能做到半定量。