組織等效正比計數(shù)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張偉華，王志強，肖雪夫，劉毅娜，李春娟，駱海龍

(中國原子能科學(xué)研究院 放射性計量測試部，北京 102413)

組織等效正比計數(shù)器(TEPC)系統(tǒng)可直接模擬測量人體細(xì)胞組織的吸收劑量及劑量當(dāng)量，已被廣泛應(yīng)用于微劑量學(xué)、輻射防護等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科研究。探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(電子學(xué)設(shè)計)主要考慮氣體電離增益、電場均勻性、電子學(xué)噪聲等。圓柱體計數(shù)器端效應(yīng)的問題可通過以下方法解決[1]：在圓柱體計數(shù)器末端各附加一場管(金屬管)，場管的作用使彎曲的電場線終止于場管而不是陽極，這樣計數(shù)器的靈敏區(qū)域變?yōu)橛蓤A柱壁和兩個垂直于陽極的場管界面所組成的區(qū)域。此方法設(shè)計的探測器制作工藝較復(fù)雜，且損失了部分靈敏區(qū)體積。近年來，文獻[2]以場成型電極取代場管，該電極在結(jié)構(gòu)上對原電極進行了改進，既可抑制端效應(yīng)，又不會損失靈敏區(qū)體積。球體計數(shù)器的優(yōu)點是其響應(yīng)的各向同性，缺點是陽極絲末端電場有畸變即端效應(yīng)。為解決這一問題，通常采用金屬絲繞制成螺旋管，環(huán)繞陽極絲裝配即可形成場強均勻的正比區(qū)。但螺旋管易震動而產(chǎn)生顫噪噪聲，為了降低噪聲，文獻[3]舍棄螺旋管通過陽極絲末端的支撐結(jié)構(gòu)達(dá)到抑制電場畸變的目的。

本文利用Ansoft公司的Maxwell軟件，分別對球體加金屬螺旋管結(jié)構(gòu)及圓柱體加場管結(jié)構(gòu)的TEPC的電場分布進行模擬，并對兩者的結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果進行比較。為檢驗探測器結(jié)構(gòu)是否有效抑制末端電場畸變，設(shè)計制作流氣式TEPC，對其電場分布的均勻性進行實驗測試。根據(jù)流氣式TEPC的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作密閉式TEPC裝置，對其電子學(xué)噪聲水平進行測試，并與美國遠(yuǎn)西公司的TEPC進行對比。

1 電場分布模擬

制作TEPC前，采用Maxwell軟件對探測器的電場分布進行模擬，并得到探測器對地的電容，尋求最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。模擬的探測器尺寸與待加工的探測器尺寸相同，中心陽極絲為鉑金絲，壁材料以石墨代替組織等效塑料。

圖1 球體探測器電位分布

球體探測器的中心陽極絲周圍環(huán)繞金屬螺旋管，此螺旋的直徑相對球腔內(nèi)徑足夠小，且相對陽極絲直徑又足夠大，即可形成電場強度均勻的正比區(qū)。通過Maxwell軟件對球體探測器的電位分布進行的初步模擬結(jié)果示于圖1。通過改變螺旋管與中心陽極絲的電位差可得到不同的電場分布，一般螺旋管電位是中心陽極絲的20%，即螺旋管與中心陽極絲的電位差是球壁與陽極絲電位差的80%(圖1)。球體探測器電場分布示于圖2，圖2中箭頭指向為電場方向(下同)。從圖2可看出，裝配了金屬螺旋管的球體探測器在螺旋管內(nèi)的電場基本均勻，末端的電場畸變得到有效抑制。

采用同樣方法對圓柱探測器的電場分布進行了模擬，未加場管探測器的電場分布示于圖3，不同場管長度對電場分布影響的模擬結(jié)果示于圖4、5。由模擬結(jié)果可知，場管長度的改變對電場分布有一定的影響，場管直徑的改變對電場分布影響并不明顯。

圖2 球體探測器電場分布

圖3 未加場管圓柱探測器電場分布

圖4 場管長度2 mm的探測器電場分布

圖5 場管長度3 mm的探測器電場分布

2 流氣式TEPC的制作

由模擬的電場分布可看出，球體加金屬螺旋管的結(jié)構(gòu)及圓柱體加場管的結(jié)構(gòu)均可形成均勻的電場。考慮到球體TEPC的金屬螺旋管的制作較復(fù)雜，且螺旋管易震動而引入顫噪噪聲，本工作采用圓柱體加場管作為TEPC的主體結(jié)構(gòu)。為驗證探測器結(jié)構(gòu)是否有效抑制端效應(yīng)，設(shè)計制作一個流氣式TEPC對其電場均勻性進行檢驗。該流氣式TEPC結(jié)構(gòu)與模擬的圓柱TEPC相同，場管的尺寸初步確定為長度2 mm、直徑(0.8 mm、0.3 mm)可替換；末端支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計為活動可拆卸式，以便在裝配時可改變場管伸入探測器內(nèi)的長度，方便實驗調(diào)試。

探測器除通過場管來抑制電場畸變外，陽極絲末端加絕緣體可在一定程度上補償電場畸變的影響[4]。制作流氣式TEPC時，在陽極絲末端支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)裝配絕緣體，此絕緣體尺寸設(shè)計依據(jù)文獻[3]。通過實驗測量來驗證電場分布的均勻性，實現(xiàn)方法為：在流氣式TEPC一側(cè)開9個孔，將探測靈敏區(qū)分9個區(qū)域；中心孔位置是靈敏區(qū)的幾何中心，兩端各布置4個孔，一端4個孔中心間距相同，另一端的4個孔中心間距不同，以便觀測到更多的探測器區(qū)域。為便于實驗記錄，對1至9個準(zhǔn)直孔進行了順序編號。流氣式TEPC結(jié)構(gòu)示于圖6。

圖6 流氣式TEPC結(jié)構(gòu)

3 電場均勻性測試

流氣式TEPC的靈敏區(qū)分9個區(qū)域，241Am源的α射線經(jīng)準(zhǔn)直后分別通過各孔進入TEPC的靈敏區(qū)，收集的電離信號由陽極絲輸出，以所測的各孔脈沖幅度與中心孔脈沖幅度之比的變化量來判別電場分布是否均勻。

首次測試探測器的場管長度為2 mm，直徑為0.3 mm。241Am源的α射線經(jīng)準(zhǔn)直后分別通過9個孔進入TEPC靈敏區(qū)(某一孔測量時其他孔均封閉)，依次測量其脈沖幅度譜。以中心孔脈沖幅度為基準(zhǔn)，其他孔的脈沖幅度分別與中心孔相比，用其變化量來考察沿陽極絲的電場分布是否均勻。測試結(jié)果表明，脈沖幅度沿陽極絲變化較大。分析其原因是氣體流速大、氣壓不穩(wěn)定造成的，需保證整個測量過程中氣體流速穩(wěn)定且流量小。因此改進實驗方案，選用轉(zhuǎn)子流量計來控制氣體流量，整個測量時間內(nèi)氣體流量變化小于2%。測試發(fā)現(xiàn)，場管直徑變化對脈沖幅度影響較小(脈沖峰位相差幾道)，故本設(shè)計僅改變場管的長度，對脈沖幅度變化進行測量實驗，實驗結(jié)果示于圖7。從圖7可看出，以編號5孔為中心，其兩端的脈沖幅度變化較對稱，出現(xiàn)的微小波動可能是氣流變化所致；圖中顯示長度為3 mm的場管所對應(yīng)的脈沖幅度變化較平穩(wěn)。由此判定，3 mm長度是較為理想的場管尺寸。

圖7 脈沖幅度變化對比

4 TEPC噪聲水平測試

TEPC應(yīng)用于不同的核輻射探測時，射線粒子在低密度氣體中沉積能量較少，部分信號對應(yīng)的脈沖幅度很小，往往淹沒在噪聲之中而難以區(qū)分。因此，TEPC探頭固有的電子學(xué)噪聲水平是TEPC探測下限設(shè)計的重要參數(shù)。根據(jù)上述實驗結(jié)果，以流氣式TEPC尺寸參數(shù)制作密閉式TEPC，對其噪聲水平進行測試，與美國遠(yuǎn)西公司的TEPC(型號LET-1/2)噪聲水平進行比較。其中，美國遠(yuǎn)西公司的TEPC主體為球體加金屬螺旋管結(jié)構(gòu)。

將兩個探測器充入相同的組織等效氣體，氣體組分及其含量(摩爾分?jǐn)?shù))為：甲烷64.4%，二氧化碳32.5%，氮氣3.1%。在電子學(xué)線路及器件完全相同的情況下，從示波器觀測自前放(型號ORTEC 142PC)引出的信號，美國遠(yuǎn)西公司TEPC噪聲水平約200 mV，自制的TEPC噪聲水平約20 mV。比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，美國遠(yuǎn)西公司的TEPC噪聲水平高于自制的TEPC，原因是金屬螺旋管引入了顫噪噪聲。

為保證自制的探測器在實際應(yīng)用時噪聲水平滿足需求，對其在較寬的高壓范圍內(nèi)進行了噪聲水平測試(圖8)，由圖8可看出，噪聲幅度基本不隨高壓的變化而變化。

圖8 TEPC電子學(xué)噪聲譜

5 小結(jié)

本工作基于軟件對電場均勻性的模擬結(jié)果初步設(shè)計了TEPC主體結(jié)構(gòu)，為驗證此結(jié)構(gòu)是否有效抑制末端電場畸變而研制了流氣式TEPC，通過實驗對電場分布的均勻性進行了測試。基于流氣式TEPC的結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作了密閉式TEPC裝置，對其電子學(xué)噪聲水平進行了測試。電場分布均勻性測試及噪聲水平測試結(jié)果證明，此TEPC的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本已經(jīng)滿足測量應(yīng)用要求。

密閉式TEPC設(shè)計制作時在末端支撐結(jié)構(gòu)添加了絕緣體，在一定程度上補償了電場畸變。本工作僅設(shè)計了一種絕緣體尺寸，對絕緣體補償電場畸變的作用未作定量分析，在今后的工作中，設(shè)計一種絕緣體結(jié)構(gòu)活動可變的探測器，對末端絕緣體的作用進行更深入的研究。

參考文獻：

[1] BRABY L A, JOHNSON G W, BARTHE J. Practical considerations in the design and construction of tissue-equivalent proportional counters[J]. Radiation Protection Dosimetry, 1995, 61(4): 351-379.

[2] WAKER A J, ASLAM J L. Design of a multi-element TEPC for neutron monitoring[J]. Radiation Protection Dosimetry, 2011, 143(2-4): 463-466.

[3] BENJAMIN P W, KEMSHALL C D, REDFEARN J. A high resolution spherical proportional counter[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1968, 59: 77-85.

[4] RIEDL G. Method for controlling end effect on anodes used for cathodic protection and other application: US, 4420382[P]. 1983-12-13.