基于PIPS探測器的天然氡釷子體探測裝置研究

鄒功江， 夏　源， 曾國強， 葛良全， 李　強， 魏世龍， 譚承君

(成都理工大學　地學核技術重點實驗室，成都　610059)

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基于PIPS探測器的天然氡釷子體探測裝置研究

鄒功江， 夏源， 曾國強*， 葛良全， 李強， 魏世龍， 譚承君

(成都理工大學地學核技術重點實驗室，成都610059)

對基于PIPS探測器的天然氡釷子體探測裝置進行了研究。探討了探測器與放射源之間最佳探測距離為3 mm；對電荷靈敏前置放大器性能進行了分析，結果與理論參數相符。PIPS探測器能量分辨率好，實測對214Po的特征峰能量分辨率為4.9%。整個探測裝置的不穩定度小于5%，保證了測量氡釷子體α粒子潛能濃度時結果穩定可靠。探測裝置可以不需要人工更換濾膜而連續運行，適合在無人操作的情況下對天然氡釷子體進行連續在線測量。

PIPS探測器； 氡釷子體； α能譜測量； α潛能濃度

0　引言

222Rn/220Rn分別是由天然放射性系列鈾系和釷系經過放射性衰變產生的氣體元素，我們稱之為天然氡釷。它沒有顏色，沒有氣味，由于222Rn/220Rn的母體鈾普遍存在于土壤和建筑材料中，母體經一系列衰變不斷釋放222Rn/220Rn，所以222Rn/220Rn在大氣中的含量是不可忽略的。222Rn/220Rn衰變產物在常溫下空氣中能形成放射性氣溶膠而污染空氣，容易被呼吸系統截留，并在局部區域不斷累積造成內照射而誘發肺癌[1]。氡釷子體的生物學危害特別是其子體產生的α射線，對人體造成的危害已引起人們越來越廣泛的重視，對其的調查測量和研究工作也顯得非常重要。

空氣中氡釷子體的濃度隨氣象條件變化而有很大不同，欲準確評價氡子體的危害，必須連續可靠測量氡釷子體的放射性強度，尤其是α粒子的活度。本探測裝置通過抽氣的方式將含有氡釷子體的放射性氣溶膠采集到濾膜上，利用PIPS探測器對濾膜上的α粒子進行探測。

1　α粒子的探測

α粒子是帶正電的高能粒子(He原子核)，它在穿過介質后迅速失去能量。它們通常由一些重原子或一些人造核素衰變時產生。

對α射線進行α能譜測量的主要探測器為半導體探測器(包括：金硅面壘型半導體探測器、鋰離子注入型半導體探器、Si-PIN半導體光電二極管等)。該探測器具有能量分辨率高、性能穩定、探測效率較高、體積小、抗磁性好、光電轉換效率高、反向漏電流小以及價格便宜等優點[2]，被廣泛應用，而在半導體探測器中，PIPS探測器長期穩定性好,其表面采用了鈍化處理工藝，并且具有可擦拭，不易損壞、探測靈敏面積大等特點，是目前放射性氣溶膠監測的首選探測器。本探測裝置使用的是PIPS探測器。

2　PIPS探測器

2.1PIPS探測器特點

探測裝置采用的是Canberra公司CAM系列PIPS探測器，PIPS半導體探測器屬于結型半導體探測器，利用加速器產生的具有一定能量的正離子束流，直接穿透半導體材料(硅) 表面而形成PN 結。帶電粒子在探測器的耗盡區里發生相互作用產生大量的電子空穴對，它們最初的空間分布取決于射線的種類和能量。隨后在一定時間內這些電子空穴對被分離和收集，這一時間取決于電子空穴對的幾何位置、探測器耗盡區的電場強度和電場的分布以及器件工作溫度下的載流子遷移率[3]。PIPS探測器的能量分辨率好，探測器使用0.5 μm厚的鋁和1 μm的凡立水封裝，它不漏光且抗惡劣環境。凡立水的厚度相當于0.6 μm硅等效厚度,它對α粒子引起的能量散射、吸收和濾紙和探測器之間的空氣引起的散射、吸收相比可以忽略[4]。

2.2PIPS探測器的技術指標

PIPS探測器具有較大的工作溫度范圍，最高可達50℃，最低溫度為-30℃，保存溫度需要在100℃以下，漏電流一般情況下小于10 nA，加在探測器上的偏置電壓一般為+70 V，在這個偏壓下，以CAM450為例，此時探測器的電容接近200 pF。系統采用的CAM900靈敏區域為900 mm2，靈敏區厚度為120 μm ～325 μm。對α射線的分辨率好，當偏壓為15 V～24 V時，半高寬為45 KeV,當偏壓為70 V時，半高寬為39 KeV。

2.3PIPS 探測器與樣品距離的選擇

α粒子在物質中的射程很短，氡釷子體衰變產生的α粒子在空氣中的射程約在4 cm～9 cm范圍內，具體會因空氣濕度等影響而略有差異。在進行α能譜測量時，主要是利用α粒子的電離物質的特性對其進行探測。在α能譜測量時，為了保持能量的線性關系，必須使α粒子能量損耗具有一致性，即使其處于同一能量衰減條件下對其進行探測。

圖1為PIPS探測器對α粒子探測效率與探測器到放射源之間距離的關系。圖1中采用的兩種探測器型號分別為CAM450與CAM1700，放射源半徑分別為24 mm和42 mm，從1圖中可以看出探測器到樣品的距離越大，探測器的探測效率越低。為了盡可能提高探測效率，而又不影響濾膜的更換，我們應選擇一個合適的探測距離。

圖1　探測器-放射源距離與α粒子探測效率的關系Fig.1　Geometrical efficiency for alpha counting as a function of the source-detector distance for PIPS

圖2　空氣中探測器-放射源距離與半高全寬的關系Fig.2　Variation of the resolution (FWHM) as function of the detection source distance in air

圖2為空氣中PIPS探測器對238Pu(5 499.2 KeV)源測量的能量半高全寬(FWHM)與探測器到放射源距離的關系。探測器能量分辨率的計算公式為：

(1)

其中：FWHM為α粒子能峰的半高全寬；E0為α粒子能量。

在多道脈沖幅度分析器中，探測器能量分辨率通常表示為全能峰最大高度的一半所占的道數與全能峰所在道址的比值，即：

η=(ChR-ChL)/ChE

(2)

其中，ChR表示全能峰一半高度較大的道址；ChL表示全能峰一半高度較小的道址；ChE表示全能峰所在的道址。

從圖2我們可以看出：探測器離樣品距離越大，對238Pu的α粒子測量時的半高全寬越大，結合式(1)可知此時的能量分辨率也越大；當探測器與樣品距離小于10 mm時，探測器的能量分辨率小于10%。

我們使用標準镅-241α源測量了在不同距離下，PIPS探測器對α粒子的探測效率，以便選擇最佳的探測距離。表1為測量數據，其中241Am源的直徑為5 mm。

表1　探測效率測量數據

由于探測器對不同能量的α粒子探測效率相差不大[5]，在整個探測過程中，我們可以參考探測器對241Amα源的探測效率，來選擇對氡釷子體測量時的探測距離，為了得到更好的測量結果，而又不影響系統自動走紙的情況下，通常使探測器與樣品的距離保持在1 cm的距離內，本探測裝置中選擇的探測器與樣品距離為3 mm。

3　氡釷子體連續測量方法

3.1氡釷子體測量原理

α粒子潛能εp是該原子到210Pb或208Pb的過程中所發射的α粒子總能量[6]。而α潛能濃度(PAEC)定義為單位體積空氣中存在的222Rn/220Rn的短壽命子體的α潛能之和，因此如果Ci是衰變產物i的放射性濃度(Bq/m3)，則短壽命子體混合物的α潛能濃度Cp(對氡222Rn子體表示為Cp，Rn；對220Rn子體表示為Cp，Tn)為[7]：

(3)式中：εpi為i種核素的原子的α潛能；λi為第i種核素的衰變常數，單位為s-1。因此由測量222Rn/220Rn子體的濃度代入(1)式可求出α粒子潛能濃度，由于222Rn/220Rn的子體存在一定的平衡比，實際上可以測量一定時間內的α計數，通過一定的平衡比，簡單地求出α潛能濃度。

在222Rn和220Rn兩個放射性氣體的衰變鏈中，天然α放射性主要由218Po、214Po、212Po、214Bi等核素構成，另外216Po產生的α粒子能量為0.36 MeV～0.59 MeV，在空氣中的射程小于3 mm，再加上抽氣濾膜自吸收的影響，探測器幾乎無法探測到，因此我們主要測量對象為218Po、214Po、212Po、214Bi四種核素。

3.2測量裝置及測量方法

如圖3所示，基于PIPS探測器的氡釷子體連續測量儀分為兩個部分：①氣溶膠采樣裝置；②后端信號處理電路。PIPS探測器和電荷靈敏前置放大器放在金屬屏蔽外殼內，減少外界電磁等干擾。后端電路放在屏蔽殼外，包括主板電路和數字多道能譜儀。探測裝置采用的電源模塊給電荷靈敏前置放大器提供+6 V/-6 V電壓，給PIPS半導體探測器提供+24 V/+70 V偏壓。

圖3　儀器結構Fig.3　Instrument structure

工作狀態開始后，氣泵開始抽氣，自動滾紙裝置將濾膜夾緊，含有天然放射性氡釷子體的氣溶膠被收集到濾膜上，探測器測量沉積的放射性氣溶膠發射的α射線，產生的脈沖信號由緊挨探測器的前置放大器放大后輸出到后端電子學系統進行處理，抽氣速度和走紙裝置都由主板的單片機控制。

4　硬件電路部分

4.1電荷靈敏前置放大器參數的選擇

圖4為探測裝置使用實驗室已有的電荷靈敏前置放大器原理圖，配合不同探測器，電荷靈敏前置放大器的一些參數也有所不同，偏置電阻R4太小不僅會給電荷靈敏前置放大器輸出信號帶來極零點，還會使探測器的噪聲變大，通常偏置電阻上的壓差為0.5V時，探測器噪聲最小[8]，考慮到PIPS探測器的漏電流在5 nA ～10 nA，因此選擇偏置電阻R4=51 MΩ；為了獲得更好的信噪比，應該選擇和探測器等效電容值相近的場效應管作為第一級放大環節，而系統使用的PIPS探測器具有較大電容，因此選擇2N6550作為第一級場效應管。

圖4　低噪聲電荷靈敏前置放大器原理圖Fig.4　Low noise charge sensitive amplifier

圖5為我們用此電荷靈敏前置放大器連接PIPS探測器時，對241Amα源探測得到的脈沖信號，電壓幅度VOM=520 mV。241Am放射的α粒子主要能量為5 485.74 KeV，查詢工作手冊可知對于PIPS探測器每產生一個電子-離子對需要的能量為 3.61 eV，經計算可知每個脈沖輸入的電荷量為Q=2.43×10-13C,故電荷靈敏前置放大器的電荷靈敏度ACQ=VOM/Q=2.14×1012V/C，而理論電荷靈敏度ACQ≈1/Cf，其中Cf為反饋電容，反饋電容大小Cf=0.5 pF,故理論電荷靈敏度為2×1012V/C，可見電荷靈敏前置放大器性能良好。

圖5　241Amα源經過前放后的輸出信號Fig.5　The output signal of 241Am with CSA

5　軟件部分

軟件分為上位機數據管理軟件和儀器控制軟件，儀器控制軟件功能包括通訊模塊、顯示模塊、控制模塊和氡釷子體潛能濃度算法模塊，本探測裝置選用基于INTEL低功耗凌動處理器的工業單板一體機，該工控機小巧、輕便，便于安裝，且可在該機上運行基于windows XP系統的人機界面，使整個實驗過程簡便易行。同時為了方便地儲存測量到的α粒子的計數、譜線圖、測量環境溫度、濕度等數據，我們加入了嵌入式數據庫，以便對數據進行有效地管理，查詢數據將更加方便。

6　性能指標及結論

6.1探測器能量分辨率

圖6為我們測量得到的222Rn/220Rn子體譜線圖，測試時間為6 h，測試環境溫度14℃。對于特征峰214Po，我們經過數字多道能譜儀得到的道址如表2所示。

圖6　222Rn/220Rn子體α能譜圖Fig.6　Alpha spectrum of 222Rn and 220Rn progeny

測量對象ChRChLChE道址/道786826818

將表2數據代入公式(2)進行計算，得到空氣中PIPS探測器對214Po特征峰的能量分辨率為4.9%。

6.2系統穩定性測定

保持測量條件不變，對同一樣品進行8次測量，記錄探測裝置α粒子總計數，測量溫度為25℃，測量時間為1分鐘，測量對象為239Pu固體面源，測量結果如表3所示。計算表3測量值的相對標準差δ，其計算公式為：

表3　穩定度測量數據表

(4)

其中：Ni為第i次測量值；n為實驗組數，經計算測裝置的不穩定度為δ=1.72%。

6.3天然氡釷子體潛能濃度測量結果

將測量系統放到通風的室內進行連續測量，時間為2015年3月23日早上8:00到第二天早上 8:00，每隔2 h進行一次測量，測量結果如表4所示。

表4　室內氡釷子體潛能濃度測量結果

一般來講，220Rn子體在空氣中含量的漲落很大，在早上3:00～7:00最高，下午到晚上8:00最低，最高與最低值之間相差約2倍～3倍。陰天較高，晴天、有風的天氣較低，并且與222Rn變化趨勢相同[9-10]，我們的實驗結果也基本符合此規律，達到了預期的結果。

7　結語

基于PIPS探測器的氡子體測量裝置，實現了對大氣中含有氡釷子體的放射性進行快捷、有效、準確的測量。PIPS探測器抗干擾能力強，對環境中γ射線不靈敏，同時我們在系統中加入了金屬屏蔽外殼，減小了外界電磁對信號的影響。整個探測裝置可以不需要人工更換濾膜而連續運行，適合在無人操作的情況下對天然氡釷子體進行連續在線測量，該套裝置也適合用于地震預測中氡氣的連續在線監測。

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A study on detection device for natural radon progeny and thorium progeny based on PIPS detector

ZOU Gong-jiang, XIA Yuan, ZENG Guo-qiang*,GE Liang-quan, LI Qiang, WEI Shi-long, TAN Cheng-jun

(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu610051, China)

Studying on detection system for natural radon progeny and thorium progeny based on PIPS detector is carried out in this study. The discussion indicates that the best detecting distance between detector and source is 3 mm. It has good consistent with the theoretical data by analyzing the performance of charge sensitive preamplifier. The PIPS detector has advantages of high energy resolution, which is 4.9% t for α-ray of214Po. The instability of detection device is less than 5%, ensuring reliable results when measuring for α radioactivity of natural thorium and radon and their progeny. The detecting device can be operated continuously without replacing the filter. This is suitable for the measurement for natural thorium and radon and their progeny without manual operation.

PIPS semiconductor detector; progeny of radon and thorium; alpha energy spectrum ; potential alpha-energy

2015-04-23改回日期：2015-09-19

國家自然科學基金(41474159);國家863計劃項目(2012AA061803)；地學核技術四川省重點實驗室開放基金(gnzds2014006)

鄒功江(1971-)，男，副教授，博士，從事機械設計及核輻射探測，E-mail：zgl@cdut.edu.cn。

曾國強(1980-)，男，副教授，博士，從事核輻射探測與核電子學,E-mail:zgq@cdut.edu.cn。

1001-1749(2016)04-0487-06

P 631.6

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.08