嚴(yán) 愷,康 璽,閆先瑞

(南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

氡及其子體是人們所受天然輻射照射的最大來源，其測(cè)量問題引起了人們的廣泛關(guān)注。氡的實(shí)時(shí)測(cè)量方法主要包括閃爍室法、靜電收集法、脈沖電離室法等[1]。脈沖電離室通過直接測(cè)量氡衰變產(chǎn)生的α粒子來實(shí)現(xiàn)氡的測(cè)量，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)氡的絕對(duì)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為氡測(cè)量裝置的一個(gè)重要研究方向[2-5]。

脈沖電離室對(duì)氡的探測(cè)效率與其測(cè)氡靈敏度有著密切關(guān)系，提高脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率對(duì)提高脈沖電離室測(cè)氡靈敏度有著十分重要意義。脈沖電離室的多個(gè)因素(幾何形狀、體積和電極數(shù)目)影響著其測(cè)氡探測(cè)效率，采用實(shí)驗(yàn)方法獲得這些因素與測(cè)氡探測(cè)效率的關(guān)系較為繁瑣、成本較高，本文擬通過蒙特卡羅程序Geant4模擬得到這些因素與測(cè)氡探測(cè)效率之間關(guān)系，為提高脈沖電離室靈敏度提供參考。

1 測(cè)氡脈沖電離室

圓柱形電離室和平行板電離室是脈沖電離室的兩種基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。脈沖電離室的正負(fù)極間加有高壓，可分別收集氡衰變所產(chǎn)生的α粒子在空氣中電離產(chǎn)生的電子和正離子，其收集到的總電荷數(shù)可反映氡衰變?chǔ)亮Ｗ幽芰?，從而?shí)現(xiàn)氡衰變?chǔ)亮Ｗ訙y(cè)量，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)氡濃度水平測(cè)量。

圖1 脈沖電離室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of pulse ion chamber

空氣中正離子漂移速度比電子小3個(gè)量級(jí)，其在大體積電離室內(nèi)的收集時(shí)間可達(dá)幾十毫秒，為縮短脈沖電離室對(duì)氡衰變?chǔ)亮Ｗ与婋x產(chǎn)生正離子的收集時(shí)間，提高脈沖計(jì)數(shù)率，人們發(fā)展了多電極結(jié)構(gòu)脈沖電離室。V.V.Kuzminov[6]設(shè)計(jì)了一種多電極平板型脈沖電離室；S.Rottgera等人[7]設(shè)計(jì)了一種多電極圓柱形脈沖電離室(如圖2所示)，邱天力等人[8]構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)電離室并做了實(shí)際氡測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖2 雙阿基米德螺旋多電極脈沖電離室截面圖Fig.2 Cross section of double Archimedes spiral multi electrode pulse ionization chamber(黑色代表正極，白色代表負(fù)極)

此外，氡衰變產(chǎn)生的氡子體帶正電荷，在電場(chǎng)作用下會(huì)漂移并吸附在脈沖電離室負(fù)極，其衰變釋放的α粒子會(huì)對(duì)脈沖電離室測(cè)量氡α粒子產(chǎn)生干擾。

2 仿真模擬

采用蒙特卡羅程序Geant4構(gòu)建了基本結(jié)構(gòu)和多電極結(jié)構(gòu)的脈沖電離室模擬模型。Geant4程序是歐洲核子中心開發(fā)的蒙特卡羅程序，可模擬α、β、γ等多種粒子，具有靈活的幾何構(gòu)建和結(jié)果統(tǒng)計(jì)能力[9]。模擬中氡氣衰變釋放α粒子的位置在脈沖電離室空氣內(nèi)均勻抽樣；帶正電的氡子體附著于脈沖電離室負(fù)極，其衰變釋放α粒子位置在負(fù)極表面均勻抽樣。氡及其子體α粒子發(fā)射方向按各向同性分布抽樣，它們的能量和在空氣中射程[10]如表1所示。

表1 氡及其子體α粒子在空氣中射程Table 1 Air range of alpha particles of radon and its daughters

模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)了氡及其子體衰變產(chǎn)生的α粒子在脈沖電離室空氣內(nèi)沉積能量分布譜，脈沖電離室對(duì)氡及其子體衰變產(chǎn)生的α粒子的探測(cè)效率按式(1)計(jì)算：

(1)

式(1)中ni為α粒子在感興趣能量區(qū)的粒子計(jì)數(shù)，對(duì)α粒子一般為全能峰單峰計(jì)數(shù)；N為脈沖電離室內(nèi)氡發(fā)射α粒子數(shù)目。模擬中未考慮脈沖電離室對(duì)電離離子收集不全及電子學(xué)噪聲的影響，故模擬結(jié)果為理論值。

在模擬中，通過不斷調(diào)整脈沖電離室體積以獲得不同體積下脈沖電離室測(cè)量氡α粒子探測(cè)效率；在相同體積下模擬了多電極結(jié)構(gòu)下的脈沖電離室測(cè)量氡α粒子探測(cè)效率和脈沖電離室對(duì)氡子體衰變產(chǎn)生α粒子的探測(cè)效率。在這些模擬的基礎(chǔ)上，分析了這些因素對(duì)脈沖電離室測(cè)量氡α粒子探測(cè)效率的影響。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 單電極脈沖電離室模擬結(jié)果與討論

脈沖電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率主要受電離室結(jié)構(gòu)和體積的影響。此外，氡子體衰變釋放的α粒子可能會(huì)對(duì)脈沖電離室測(cè)量222Rn α粒子產(chǎn)生干擾。

首先對(duì)不同幾何尺寸的平板型和圓柱形單電極電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率進(jìn)行了模擬。結(jié)果如圖3所示，數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2是固定圓柱形(或平板型)電離室底面直徑(或邊長(zhǎng))為8 cm時(shí)，改變其高度時(shí)的模擬結(jié)果；數(shù)據(jù)3和數(shù)據(jù)4是固定圓柱形(或平板型)電離室高度為8 cm時(shí)，改變其底面直徑(或邊長(zhǎng))時(shí)的模擬結(jié)果。從圖3中可知，幾何尺寸相近的圓柱形和平板型電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率相差不大；相比于高度，增加底面直徑(或邊長(zhǎng))對(duì)脈沖電離室的222Rn α粒子探測(cè)效率提高更多。此外，電離室高度(半徑)增加至5倍222Rn α粒子射程長(zhǎng)度后其探測(cè)效率增加較為緩慢，單從提高電離室探測(cè)效率看，進(jìn)一步增加電離室尺寸對(duì)提高氡測(cè)量靈敏度效果有限。

圖3 不同尺寸下電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率Fig.3 Detection efficiency of the decay alphaparticle of 222Rn in ion pulse chamber with different size

進(jìn)一步計(jì)算表明，電離室比表面積(表面積/體積比，表面積指電離室外殼電極表面積)是影響電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率的直接因素，兩者基本呈線型遞減關(guān)系，如圖4和式(2)所示。式(2)中ε為圓柱形電離室探測(cè)效率，t為比表面，R為擬合優(yōu)度。由于比表面積不可能為0，因而增大電離室體積不可能使222Rn α粒子探測(cè)效率達(dá)到1。

圖4 不同比表面積下電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率Fig.4 Detection efficiency of the decay alphaparticle of 222Rn in ion pulse chamber with different surface-volume ratio

(2)

為分析氡子體α粒子對(duì)脈沖電離室測(cè)量222Rn α粒子產(chǎn)生的影響，對(duì)以222Rn 5.49 MeV α粒子在空氣中的射程(4.0 cm)為半徑的單電極圓柱形電離室(φ8.0 cm×8.0 cm，中心負(fù)極φ0.1 cm)對(duì)222Rn、218Po和214Po(222Rn、218Po和214Po處于放射性平衡)的α粒子能量沉積進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，受限于電離室體積，部分氡及其子體α粒子未將全部能量沉積在電離室內(nèi)。由式(1)計(jì)算得到的222Rn、218Po和214Po α粒子的全能峰探測(cè)效率分別為0.381、0.172和0.028；218Po和214Po α粒子形成了5 MeV和3.5 MeV低能峰，這些低能峰對(duì)應(yīng)于附著在中心電極上218Po和214Po α粒子穿過電離室半徑距離(4.0 cm)時(shí)的沉積能量(模擬表明218Po 6.0 MeV α粒子、214Po 7.69 MeV α粒子沿圓柱體徑向穿過4.0 cm空氣的平均能量沉積分別為4.92 MeV、3.38 MeV，這些α粒子的剩余能量在電離室陽極外殼損失)。氡子體的低能峰會(huì)增加222Rn α粒子全能峰的計(jì)數(shù)，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，應(yīng)加以扣除。

圖5 單電極電離室對(duì)氡及其子體α粒子模擬能譜Fig.5 Simulated energy spectra from the decay alpha particles of radon and its daughters in ion pulse chamber with single electrode

3.2 多電極脈沖電離室模擬結(jié)果與討論

多電極電離室主要可有效解決大體積電離室難以有效收集α粒子電離電荷和正電荷收集時(shí)間過長(zhǎng)問題，但多電極的引入會(huì)造成電離室有效探測(cè)體積的減小，進(jìn)而影響電離室對(duì)222Rn α粒子的測(cè)量效率。圖6給出了不同電極數(shù)目(1、15、29、57和113根)的雙阿基米德螺旋多電極電離室(φ8.0 cm×8.0 cm，各電極直徑1 mm)對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率模擬結(jié)果。從圖6和式(3)可知，隨著電極數(shù)目(或電極/電離室體積比)的增加，電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率呈指數(shù)下降，因而減少電極數(shù)目有助于提高電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率。式(3)中ε為歸一化探測(cè)效率(多電極電離室對(duì)單電極電離室探測(cè)效率的歸一)，t為電極/電離室體積比，R為擬合優(yōu)度。

圖6 不同數(shù)目電極下電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率Fig.6 Detection efficiency of the decay alphaparticle of 222Rn in ion pulse chamber with different number of electrodes

ε=0.972 3e-84.151t，t<0.02，R2=0.996 5

(3)

雙阿基米德螺旋多電極電離室(φ8.0 cm×8.0 cm，各電極直徑1 mm)對(duì)222Rn、218Po和214Po α粒子的能量沉積模擬譜如圖7所示。從圖7中可知，相比于單電極電離室，多電極電離室降低了218Po和214Po α粒子對(duì)222Rn α粒子全能峰計(jì)數(shù)的干擾，電極數(shù)目越多，對(duì)干擾的降低越明顯。這可能是218Po和214Po附著于多根電極(部分電極分布于電離室外側(cè)，如圖2所示)，它們的α粒子穿過電離室內(nèi)空氣的距離變短，能量沉積變小，低能區(qū)尾部計(jì)數(shù)增加，對(duì)較高能量222Rn α粒子的全能峰影響變小。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上探測(cè)效率模擬的有效性。邱天力等人[8]構(gòu)造了一個(gè)雙阿基米德螺旋電極電離室(φ28.0 cm×22.0 cm)，含有433個(gè)電極(φ0.1 cm)，電極間相距為1 cm。對(duì)氡水平為22 Bq/m3的空氣，該電離室在10 min內(nèi)222Rn α粒子測(cè)量計(jì)數(shù)為87，由此計(jì)算得到其對(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率為0.497。依據(jù)該電離室比表面積(0.234 cm2/cm3)和式(2)可計(jì)算得到單電極電離室探測(cè)效率，再依據(jù)電極/電離室體積比(0.005 52)和式(3)計(jì)算得到該多電極電離室探測(cè)效率為0.469。該理論值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差為5.6%，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，兩者具有較好的一致性，佐證了本論文仿真過程的準(zhǔn)確性，該工作目前在國(guó)內(nèi)尚未見到報(bào)道。多電極的引入會(huì)降低脈沖電離室的探測(cè)效率，但為縮短脈沖電離室對(duì)正離子的收集時(shí)間，提高脈沖計(jì)數(shù)率，測(cè)氡脈沖電離室多采用多電極結(jié)構(gòu)。

圖7 雙阿基米德螺旋電極電離室對(duì)氡及其子體α粒子的模擬能譜Fig.7 The simulated energy spectra from the decay alpha particles of radon and its daughters in ion pulse chamber with double Archimedes spiral multi electrode

4 結(jié) 論

為提高脈沖電離室對(duì)氡的探測(cè)效率，開展了脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率影響因素的模擬研究。對(duì)不同幾何形狀、大小和電極數(shù)目的脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率進(jìn)行了模擬和分析。結(jié)果表明，脈沖電離室對(duì)氡探測(cè)效率與其比表面積(表面積/體積比)成反比關(guān)系，電離室高度、底面半徑增加至5倍222Rn α粒子射程長(zhǎng)度后其探測(cè)效率增加較為緩慢；多電極脈沖電離室對(duì)氡探測(cè)效率隨電極數(shù)目(或電極/電離室體積比)成負(fù)指數(shù)關(guān)系，減少電極數(shù)目可以提高脈沖電離室探測(cè)效率，但會(huì)增加氡子體α粒子對(duì)氡α粒子測(cè)量的干擾。該模擬結(jié)果的有效性為文獻(xiàn)報(bào)道的多電極脈沖電離室測(cè)氡實(shí)驗(yàn)結(jié)果所檢驗(yàn)，可用于提高多電極脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。