飞行时间技术

通过测量粒子飞过给定飞行距离的时间来决定粒子速度的方法。在非相对论情况下,粒子的质量M、能量E和它飞过距离l所需的时间t有如下关系:

其中MEtl分别以MeV、ns和m作单位。从上式看到,对于确定质量的粒子,通过测量它飞行距离l所需要的飞行时间t,就可以得到它的能量。用飞行时间法测量中子能谱就是这种应用的一个典型例子。在这种应用中,所测能量的精度主要取决于飞行时间的测量精度。对于一个具体的实验,在确定的飞行时间测量精度(称分辨时间)的前提下,可以通过增加飞行距离ll可长达几百米)来改善时间分辨率(分辨时间与飞行时间之比)。所以,通常用单位飞行距离的分辨时间来描述飞行时间测量系统的性能。

另一方面,如果同时测定粒子的能量E和飞过距离l的时间t,则可以确定粒子的质量,这是飞行时间技术在鉴别粒子方面的重要应用(见核物理实验中的粒子鉴别技术)。总之,飞行时间测量无论应用于粒子的能谱测量还是应用于鉴别粒子的质量都要求整个测量系统具有尽可能小的分辨时间。目前已经可以达到几百皮秒( 1皮秒=10-12秒)或更小。

为了测得粒子的飞行时间,首先必须获得标志粒子“起飞”的零时信号和到达终点的终止信号,并经过对这些信号作“定时”处理,得到相应的定时信号,然后,测量这两个定时信号的时间间隔。目前测量时间间隔的常用方法是将这两个定时信号输进“时间-幅度转换器”,把时间间隔转换成输出脉冲幅度,分析这些脉冲的幅度,就可得到关于粒子飞行时间的信息。因此整个测量系统的时间分辨率决定于零时和终止信号的时间晃动,以及在对它们定时和进行时间间隔测量过程中产生的误差。由于快电子学的迅速发展,特别是各种性能优异的定时线路的出现,后者的影响是比较小的,因而零时和终止信号本身的时间晃动则成为主要的因素。

终止信号是用具有快时间响应的探测器得到的,例如快响应的闪烁计数器、半导体探测器或气体雪崩型探测器(不能测粒子能量)。在需要同时测量粒子的能量的情况下,还要求这些探测器具有好的能量分辨率。响应很快的塑料闪烁体,配合快光电倍增管,在具有良好的光收集的条件下,其固有分辨时间可做到200~300ps,金硅面垒型探测器的时间性能同探测粒子种类和能量有关,其固有分辨时间可达1×10-10s左右,气体雪崩型探测器的分辨时间也可优于2×10-10s。

零时信号的获得主要有下列几种方法:直接从粒子穿过零时探测器的时间信号来得到。目前,在鉴定重离子核反应产物时,广泛使用了零时探测器,当被测量的粒子穿过它时,它即能给出粒子穿过的时间信息,又几乎不改变粒子的飞行速度。例如将塑料闪烁体制成几微米厚的闪烁薄膜,配合快光电倍增管就可作为零时探测器。此外还有一种固有分辨时间小至几个皮秒的微通道板探测器,它主要用于比α粒子重的带电粒子。其原理是当重带电粒子穿过 5~10μg/cm2的碳箔时,会产生许多低能电子,用电或磁场将这些低能电子加速并聚集到微通道板上。微通道板一旦接收到电子就会输出一个上升时间非常短的电脉冲,对此信号作定时处理就可得到重带电粒子穿过碳箔时的定时信号,平行板雪崩探测器也是较好的零时探测器。零时信号也可以利用探测与测量粒子同时发生的伴随粒子或γ光子来得到。例如通过探测T(d,n)α反应中的α粒子和(d,nγ)反应中的γ光子都可得到测量中子飞行时间的零时信号。

对于脉冲化束流,零时信号可以从加速器本身的束流偏转脉冲振荡器得到,也可以从脉冲束流在靶上产生的电信号得到。这时,零时信号的时间晃动主要取决于束流脉冲的宽度。目前已经能够将束流脉冲宽度减少到2×10-10s以下。在利用反应堆中子源的测量中,可用机械斩波器(由高速转动的带有狭缝的转子,和固定的带有狭缝的准直器组成,在两狭缝重合时,中子才能直接通过)将连续的中子束脉冲化,从机械斩波器可测到脉冲束的零时信号,其分辨时间一般在10-4-6s。

由于飞行时间测量精度提高,飞行时间方法也逐渐从原子核物理范围扩展到其他领域,例如原子物理、化学、生物学和医学方面。利用飞行时间质谱计已经测定了像阿托品(C17H23O3N,分子量M=289)、胆甾醇(C27H46O,M=386)等分子的质量,同通常的化学方法比较,飞行时间方法不仅所需时间短,而且可以节省样品。

参考书目
  1. J. B. Marion and J. L. Fowler, Fαst Neutron Physics,Part 1, Interscience, New York, 1960.
  2. F. S. Goulding and B. G. Harvey,Ann. Rev. Nucl.Sci.,vol.25, p. 167, 1975.