CR-39探测器中α粒子最大径迹长度的二次参数化研究：能量与入射角度的定量分析

本研究通过Geant4蒙特卡洛模拟，系统分析了CR-39固体核径迹探测器(SSNTD)中α粒子能量(0.1–20 MeV)和入射角度(0°–80°)对最大纵向径迹长度(Lmax)的影响，揭示了其二次参数化规律。研究发现，临界探测角度为71°，并确定了不同蚀刻时间(40/400分钟)下的能量阈值范围(0.191–14.3 MeV)，为辐射监测和α粒子能谱测定提供了关键理论依据。

　　

在辐射监测领域，α粒子的精确检测始终是环境安全和核医学研究的核心挑战。尽管CR-39固体核径迹探测器(SSNTD)因其高灵敏度被广泛应用，但长期以来缺乏对粒子能量与入射角度影响径迹形态的定量模型。传统方法难以解释复杂几何条件下的探测效率变化，尤其在宇宙射线或放射性污染监测中，斜入射粒子的行为规律亟待系统研究。

来自巴西圣保罗研究基金会(FAPESP)支持的Luiz Augusto Stuani Pereira团队在《Applied Radiation and Isotopes》发表的研究，通过Geant4蒙特卡洛模拟工具，首次建立了CR-39中α粒子最大纵向径迹长度(L_max)的二次参数化模型。研究采用6.25 N NaOH蚀刻体系(70±0.1°C)，模拟了0.1–20 MeV能量范围和0°–80°入射角度的粒子行为，揭示了三个关键发现：一是L_max与粒子能量呈二次函数关系；二是临界探测角度阈值为71°，超过此角度时400分钟蚀刻后无径迹形成；三是短蚀刻(40分钟)与长蚀刻(400分钟)的能量阈值差异达14倍，为实际应用提供明确操作窗口。

关键技术方法包括：1) Geant4模拟粒子输运过程，精确计算能量沉积；2) 动态追踪体蚀刻速率(V_B)与径迹蚀刻速率(V_T)的竞争机制；3) 光学显微镜定量分析径迹锥角形态演变。

【模拟方法论】
通过Geant4的电磁相互作用模块，模拟α粒子在CR-39中的非电离能量损失过程。设置0.1 μm步长记录次级电离事件，结合化学蚀刻动力学方程，重建径迹三维形貌。

【蚀刻径迹测量】
数据显示，径迹直径随蚀刻时间呈非线性增长。在急性锥形相(蚀刻初期)，径迹尖端保持锐利形态；当蚀刻突破粒子射程终点E后，进入过蚀刻相，径迹转变为钝头结构。

【结论与意义】
该研究首次量化了CR-39中α粒子径迹的二次能量-角度依赖关系，解决了斜入射粒子探测的效率校准难题。建立的参数化模型可直接应用于：1) 环境氡监测中能谱重建；2) 空间辐射剂量评估；3) 核医学靶向治疗中的微剂量学计算。特别值得注意的是，71°临界角的发现为探测器阵列的几何优化提供了理论边界，而400分钟蚀刻的14.3 MeV阈值数据则成为高能α事件筛选的重要判据。这项工作推动了固体径迹探测器从定性检测向定量分析的技术跨越。