楊 璐，王 強(qiáng)，鄭玉來，王國保

(中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413)

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微量α測量的屏柵電離室譜儀的研制

楊 璐，王 強(qiáng)，鄭玉來，王國保

(中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413)

為了測量微量α放射性活度，研究了平行板α屏柵電離室譜儀系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一套帶獨(dú)立真空系統(tǒng)的屏柵電離室。該譜儀系統(tǒng)將電離室主體、充氣系統(tǒng)及電子學(xué)系統(tǒng)三部分集成為一體，可縮小體積，節(jié)省放置空間，使操作智能化。電離室測試結(jié)果顯示，239Pu源能量分辨率可達(dá)26 keV，在4～6 MeV能區(qū)本底計(jì)數(shù)率為10 h-1，24 h系統(tǒng)漂移不大于0.5%。結(jié)果表明，該譜儀系統(tǒng)可用于測量核素的α射線能量，分析能譜結(jié)構(gòu)，鑒定核素。

屏柵電離室；能量分辨率；低放射性α測量

屏柵電離室屬于傳統(tǒng)α能譜探測器，應(yīng)用廣泛。該裝置適用于核爆、模擬核爆試驗(yàn)中的核素分析，貧鈾彈的核素分析，乏燃料后處理Pu和總α活度的測量。也可用于各種環(huán)境樣品中對(duì)放射性核素的檢測，適用的環(huán)境樣品，如土壤、水、空氣、生物樣品、食品、建材、地質(zhì)及考古樣品，后處理中的α發(fā)射體、禁產(chǎn)核查及物料衡算樣品中微量α射線的測量，以及核設(shè)施周圍環(huán)境介質(zhì)中人工放射性核素的監(jiān)測[1]。α屏柵電離室譜儀系統(tǒng)在核物理研究領(lǐng)域也有諸多應(yīng)用，如裂變碎片的探測，快中子引起核反應(yīng)的帶電粒子研究工作等[2],快中子(n，α)反應(yīng)截面測量對(duì)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、核反應(yīng)機(jī)理、核結(jié)構(gòu)研究也有重要意義。屏柵電離室可同時(shí)測量帶電粒子的能量和角分布，對(duì)帶電粒子的探測效率近100%，立體角近2π，可根據(jù)所測的粒子種類選擇合適的結(jié)構(gòu)、工作氣體及電壓，有較好的粒子分辨率[3]。

在乏燃料后處理過程中需要進(jìn)行鈾、钚產(chǎn)品中微量镎的分析。α能譜測量法(一般樣品盤直徑為22 mm)是目前镎分析的主要測量方法。鈾钚產(chǎn)品中镎的含量一般低于10-6g/L，從鈾钚中分離出來的镎濃度很低，一般在10-8g/L量級(jí)。因此，需要設(shè)計(jì)一臺(tái)大面積的α屏柵電離室譜儀，提高分辨率和分離效率，降低測量下限，以提高低濃度α樣品測量的準(zhǔn)確性。

1 屏柵電離室原理

為了提高電離室的分辨率，分辨能量比較接近的各種α粒子，在普通電離室的兩個(gè)電極之間加入一道柵極能使分辨率大大提高，構(gòu)成屏柵電離室的基本構(gòu)造(如圖1)。在平行板電離室中設(shè)置一個(gè)柵極，將電離室電離部分與產(chǎn)生信號(hào)部分分離，保存能量信息。

圖1 屏柵電離室示意圖Fig.1 Sketch map of grid ionization chamber

柵極G具有屏蔽作用，使正負(fù)離子對(duì)在陰極-柵極運(yùn)動(dòng)期間能感應(yīng)到收集極C，當(dāng)電子在外加電場的作用下通過柵極進(jìn)入G-C區(qū)域后，在收集極C上產(chǎn)生感應(yīng)，到達(dá)收集極。在屏柵電離室中，電離事件產(chǎn)生的電子云通過同樣的電位差Vs1，與原點(diǎn)位置無關(guān)。由于柵極的屏蔽作用，陽極脈沖高度與電離徑跡的位置及取向無關(guān)，從而使屏柵電離室具有較高能量分辨率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

2.1 電離室主體

2.1.1 蒙特卡羅模擬計(jì)算

帶電粒子穿過探測器工作氣體時(shí)，在飛行路徑上產(chǎn)生電子離子對(duì)。應(yīng)用Geant4模擬這一電離過程，并記錄電離產(chǎn)生電子離子對(duì)數(shù)。在模擬過程中，氣體探測器體積定義為與電離室實(shí)際尺寸等大的充滿工作氣體的圓柱體，且將其定義為敏感體積。當(dāng)帶電粒子穿過電離室時(shí)，與氣體分子發(fā)生電磁相互作用損失能量，在模擬過程中考慮能損方式主要為與靶核外電子的非彈性碰撞，以及在入射粒子能量很低時(shí)與靶核的彈性碰撞。Geant4提供了低能電磁相互作用庫，該庫含蓋了更低的能量范圍，對(duì)電離過程，能量覆蓋范圍最低達(dá)到250 eV。低能區(qū)原子的殼結(jié)構(gòu)在粒子與物質(zhì)相互作用過程變得非常重要， Geant4在低能庫中直接使用原子殼結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)。模擬在屏柵電離室氣體壓強(qiáng)為1.01×105Pa的條件下，4～6 MeV能區(qū)，α粒子在不同種類的工作氣體的射程及產(chǎn)生的電子離子對(duì)數(shù)。

蒙特卡羅方法模擬α粒子在不同工作氣體條件下的關(guān)鍵參數(shù)列于表1。模擬計(jì)算5 MeV的α粒子在充氣為90%Ar+10%CH4的屏柵電離室內(nèi)不同飛行距離的電離能損分布，結(jié)果示于圖2。由圖2可見，該實(shí)驗(yàn)條件下的α粒子的最遠(yuǎn)飛行距離為4 cm。

表1 蒙特卡羅方法模擬α粒子 在不同工作氣體條件下的關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Monte Carlo simulation of key parameters for α particle under different working gas condition

圖2 蒙卡方法模擬α粒子在電離室內(nèi)的電離能損Fig.2 Monte Carlo simulation of ionization energy loss for α particle in the ionization chamber

2.1.2 電離室主體材料的選擇

制作屏柵電離室的常用材料有不銹鋼、無氧銅和聚乙烯，分別選取不同批次和年份的上述樣品進(jìn)行本底檢測。檢測設(shè)備采用反宇宙射線低本底γ譜儀,HPGe探測器相對(duì)效率為105%；100～2 000 keV能區(qū)本底5.6 min-1；本底測量時(shí)間18.1 d；樣品規(guī)格46 mm×30 mm×15 mm，本底比活度結(jié)果列于表2。

通過對(duì)以上幾種不同樣品的本底檢測，采用2#不銹鋼樣品制作屏柵電離室的外殼。由于無氧銅的本底較低，選用1#無氧銅制作屏柵電離室的電極材料。選用1#聚乙烯材料作為屏柵電離室內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的支撐材料并起到絕緣的作用。

2.1.3 電離室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

考慮到低本底的要求，電離室外殼采用不銹鋼材料，呈圓柱形，電極系統(tǒng)采用無氧銅制作。電離室內(nèi)徑φ238 mm，高度314 mm，壁厚3.3 mm。電離室內(nèi)極板均呈圓形，由樣品托、陰極、柵極、收集極組成。陰極、柵極、收集極之間的距離均可調(diào)，以提高能量分辨率。

表2 部分金屬材料的本底值Table 2 The radioactive background of some metals

注：表中比活度值為譜儀95%置信水平的探測下限。

1) 陰極。厚度為2 mm的無氧銅圓盤，直徑φ200 mm，陰極中間有φ50 mm的凹槽放置源托盤，在測量時(shí)保證源托盤位于陰極的中間位置。

2) 收集極。收集極是直徑φ250 mm的無氧銅板，在收集極上引出測得的脈沖信號(hào)。

3) 柵極環(huán)。柵極環(huán)是外直徑φ250 mm，內(nèi)直徑φ220 mm的圓環(huán)，安裝在具有相同內(nèi)外直徑，厚4 mm的不銹鋼圓環(huán)上，柵極為直徑0.08 mm的鍍金鎢絲，柵極絲之間距離為1 mm。柵極G具有屏蔽作用，當(dāng)電子在外加電場的作用下通過柵極進(jìn)入G-C區(qū)域后在收集極C上產(chǎn)生感應(yīng)，最后到達(dá)收集極。柵極的屏蔽無效系數(shù)σ與柵極絲直徑d、柵絲絲距ξ及柵極與陽極間距L有如下關(guān)系式：

(1)

4) 前置放大器：為了減少收集極到前置放大器之間的分布電容和信號(hào)的衰減以及溫度影響，將前置放大器置于真空室內(nèi)。前置電源引線、檢驗(yàn)端子、柵極電壓、信號(hào)引出插頭等均固定在電離室上蓋，便于安裝和調(diào)試。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)集成了氣體系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)的功能在一個(gè)控制面板上?？刂泼姘灏粋€(gè)流量計(jì)，一個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊和多個(gè)控制按鈕等。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)由指示燈顯示，以數(shù)字形式顯示測量室壓力。

2.3 氣體系統(tǒng)

氣體系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)，互相獨(dú)立。真空系統(tǒng)包括機(jī)械泵、電磁隔斷閥、真空計(jì)等。充氣系統(tǒng)主要是充有工作氣體的氣瓶、壓力計(jì)、減壓閥和控制氣體流量的微調(diào)針閥和氣體流量計(jì)。

2.4 電子學(xué)系統(tǒng)

電子學(xué)系統(tǒng)包括高壓電源、前置放大器、主放大器和微機(jī)多道脈沖幅度分析器。前置放大器置于電離室主體內(nèi)，陰極和柵極供電均采用負(fù)高壓。

3 調(diào)試

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

為了測試不同電極間距對(duì)能量分辨率的影響，調(diào)整陰極-柵極、柵極-陽極之間的距離，改變各電極間的電場強(qiáng)度，使粒子在電離室腔內(nèi)的漂移速度發(fā)生改變，進(jìn)而影響能量分辨率的指標(biāo)。通過加高壓，柵極-陽極間的電場強(qiáng)度大于柵極-陰極間電場強(qiáng)度，使電子有效被陽極收集，減少柵極俘獲幾率，改善能量分辨率。

3.2 工作電壓的選擇

合理的工作電壓使陰極和柵極之間的電場強(qiáng)度足以克服電子附著和離子復(fù)合，并且避免次級(jí)電子形成并進(jìn)入正比區(qū)狀態(tài)，為了防止柵極俘獲電子，須收集極和柵極之間的電場強(qiáng)度與陰極和柵極之間的電場強(qiáng)度的比值大于某一臨界值z(mì)c。

(2)

式中：ρ=2πr/d，r為柵極絲半徑，d為柵極絲的間距。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電離室r=0.04 mm，d=1 mm，計(jì)算得理論值為:

(3)

則

(4)

固定陰極高壓為-2 700 V，微量調(diào)節(jié)柵極高壓，確定最佳能量分辨率，結(jié)果列于表3。

表3 不同柵極電壓對(duì)分辨率的影響Table 3 Effect of different gate voltage on resolution

由表3數(shù)據(jù)可以看出，陰極電壓-2 700 V，柵極電壓-500 V時(shí)能量分辨率最好，由公式(4)計(jì)算,收集極和柵極之間的電場強(qiáng)度與陰極和柵極之間的電場強(qiáng)度的比值為1.36，小于理論計(jì)算的1.67，但該電離室的性能較好。

3.3 充氣氣壓的選擇

不同充氣壓力情況下，能量分辨率的數(shù)值曲線示于圖3。陰極-柵極距離121 mm，柵極-陽極距離19.4 mm；陰極高壓-2 700 V,柵極高壓-500 V。氣壓從0.1～0.28 MPa，每次增加0.01 MPa，觀察脈沖的變化情況。

圖3 不同氣壓情況下的能量分辨率Fig.3 The energy resolution in different pressure condition

由圖3可見，充氣壓力在0.11 MPa時(shí)能量分辨率較好，結(jié)果表明，當(dāng)工作氣體壓力偏低時(shí)，α能譜的低能尾較長，主要是電荷收集不完全；工作氣體壓力過高，E/P值變小，使電子的漂移速度過慢，增大電子復(fù)合的幾率，不利于電子的收集。

4 小結(jié)

本研究研制的屏柵電離室譜儀能量分辨率為26 keV(239Pu 5 155 keV α源)，穩(wěn)定性為24 h漂移小于0.5%，在4～6 MeV能區(qū)，放射性計(jì)數(shù)率為10 h-1。

利用本裝置對(duì)中國原子能科學(xué)院放射化學(xué)研究所的部分含微量镎(10-8g/L量級(jí))的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測試，均可在2 h內(nèi)分辨出其核素種類及含量，結(jié)果滿足測量精度及準(zhǔn)確度的要求。該裝置適用于核爆、模擬核爆實(shí)驗(yàn)中的核素分析，貧鈾彈的核素分析，乏燃料后處理Pu和總α活度的測量，也可用于各種環(huán)境樣品中對(duì)放射性核素的檢測等。

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Development of a Grid Ionization Chamber for a Dram of α Ray

YANG Lu, WANG Qiang, ZHENG Yu-lai, WANG Guo-bao

(DepartmentofNuclearTechnologyApplication,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

This article introduced the parallel grid ionization chamber that used to measure the α radioactivity, which had a independent vacuum system. The system was composed of main body of the chamber, gas-filled and electronics system. Energy resolution was 26 keV for239Pu, background was 10 counts for one hour from 4 MeV to 6 MeV energy range, the stability of 24 hours was less than 0.5% . The chamber can measure the energy of nuclide and analyze the energy spectrum structure to identify nuclear.

grid ionization chamber; energy resolution; α low level measurement

2016-05-10;

2016-08-15

TL364.5

A

1000-7512(2016)04-0230-05

10.7538/tws.2016.29.04.0230