光学信息处理在电介质探测器粒子径迹模拟中的应用

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近年来,固态核径迹探测器不论是在工业界还是学术界都引起了人们的巨大的兴趣。这种探测器是一种有效的电介质探测器。这方面的研究尤其是在诸如现代纳米技术(包括生物及类生物样品)、纳米电极生物电化学、生物磁化验和探测等领域的研究工作日益增加。核径迹在引力场中中子量子态、核-核相互作用的探测,寻找新的化学超重元素等基础科学以及在例如辐射在人体组织中的行为的精细测量和癌症治疗等应用科学中的新应用也显而易见。  另一方面,电化学蚀刻被确认为是一种良好的隐性粒子径迹显象过程并已被广泛采用。但是,电化学蚀刻引起的隐性径迹的形貌和固态核径迹探测器的电介质结构的破损现象以及相应的蚀刻斑的形成机理还不完全清楚。所以理解固态核径迹探测器中电化学蚀刻的机制和支配固态核径迹探测器中电化学蚀刻径迹形成的理论是重要的。  本文试图研究固体中核径迹显现过程的某些根本机制。核径迹本质上是一些光学现象。既然电化学蚀刻实际是固体中隐性径迹的显象过程,所以蚀刻过程的机制的研究与这一研究中的光学问题之间有着明显联系。因此,本文首先评述固态核径迹探测器中的光学问题;其次,我们试图给出部分目前还不十分明确的核径迹探测器电化学过程的机理的正确解释。我们讨论了著名的Mason方程和Smythe方程,这两个著名的传统模型可基于粒子径迹末端电介质结构破损现象来解释固体中径迹的形成。然而,人们注意到,在考虑几何参数对引起蚀刻径迹末端树状破损现象的临界电场强度的影响的情况下,这两个模型都无法解释固体中径迹形成过程中的所有问题。  本文既包含对电化学蚀刻机理的实验研究也包含理论研究。在实验部分,我们测量了PC探测器对厚度的响应关系并且测量了不同探测器的临界电压关系。研究表明,径迹末端的场强正比于宏观电场强度,这与利用Smythe方程计算所得的结果相符合得很好。虽然Mason和Smythe的传统电介质模型分别部分地适用于电介质中的短程和长程径迹,但它们都不能解释“一般情况下”电场强度的变化行为。我们认为,为了精确地解决这一问题,应该对粒子径迹末端的拉普拉斯方程进行数值求解。  最后,本文提出了一个关于电介质探测器中电化学径迹形成的几何模型。利用Matlab生成的径迹被转换成初始电压的M×N阶矩阵。我们利用一种基于邻域法的数值方法计算了拉普拉斯函数和典型的固态核径迹探测器最终电压的矩阵。随后,我们采用另一数值计算方法计算了探测体单元的电场强度,我们得到了粒子径迹末端的最终电场强度。在计算的每一步,我们都利用图象处理方法把探测体上的电压和电场强度的变化情况通过所产生的强度像显现出来。我们利用上述方法模拟了固态核径迹探测器中基于“电介质性质”的蚀刻径迹。我们认为粒子径迹末端的电压分布和电场强度的变化对破损现象的产生起主要作用,粒子径迹末端破损是电化学蚀刻引起的固态核径迹探测器中粒子径迹加粗的主要原因。  我们认为,电化学蚀刻过程中粒子径迹末端的电场强度和径迹的几何参数是确切相关的。另外,我们的结论还表明电场强度与轰击粒子的入射角之间存在明显的对应关系,而上述两个传统模型却无法解释这一现象。
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