微量α測量的屏柵電離室譜儀的研制

楊 璐，王 強，鄭玉來，王國保

(中國原子能科學研究院 核技術應用研究所，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，鄭玉來，王國保

(中國原子能科學研究院 核技術應用研究所，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。設計了一套帶獨立真空系統的屏柵電離室。該譜儀系統將電離室主體、充氣系統及電子學系統三部分集成為一體，可縮小體積，節省放置空間，使操作智能化。電離室測試結果顯示，239Pu源能量分辨率可達26 keV，在4～6 MeV能區本底計數率為10 h-1，24 h系統漂移不大于0.5%。結果表明，該譜儀系統可用于測量核素的α射線能量，分析能譜結構，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α能譜探測器，應用廣泛。該裝置適用于核爆、模擬核爆試驗中的核素分析，貧鈾彈的核素分析，乏燃料后處理Pu和總α活度的測量。也可用于各種環境樣品中對放射性核素的檢測，適用的環境樣品，如土壤、水、空氣、生物樣品、食品、建材、地質及考古樣品，后處理中的α發射體、禁產核查及物料衡算樣品中微量α射線的測量，以及核設施周圍環境介質中人工放射性核素的監測[1]。α屏柵電離室譜儀系統在核物理研究領域也有諸多應用，如裂變碎片的探測，快中子引起核反應的帶電粒子研究工作等[2],快中子(n，α)反應截面測量對反應堆的設計、核反應機理、核結構研究也有重要意義。屏柵電離室可同時測量帶電粒子的能量和角分布，對帶電粒子的探測效率近100%，立體角近2π，可根據所測的粒子種類選擇合適的結構、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行鈾、钚產品中微量镎的分析。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。因此，需要設計一臺大面積的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電極之間加入一道柵極能使分辨率大大提高，構成屏柵電離室的基本構造(如圖1)。在平行板電離室中設置一個柵極，將電離室電離部分與產生信號部分分離，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，使正負離子對在陰極-柵極運動期間能感應到收集極C，當電子在外加電場的作用下通過柵極進入G-C區域后，在收集極C上產生感應，到達收集極。在屏柵電離室中，電離事件產生的電子云通過同樣的電位差Vs1，與原點位置無關。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，從而使屏柵電離室具有較高能量分辨率。

2 系統結構與組成

2.1 電離室主體

2.1.1 蒙特卡羅模擬計算

帶電粒子穿過探測器工作氣體時，在飛行路徑上產生電子離子對。應用Geant4模擬這一電離過程，并記錄電離產生電子離子對數。在模擬過程中，氣體探測器體積定義為與電離室實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。當帶電粒子穿過電離室時，與氣體分子發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，對電離過程，能量覆蓋范圍最低達到250 eV。低能區原子的殼結構在粒子與物質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構的相關數據。模擬在屏柵電離室氣體壓強為1.01×105Pa的條件下，4～6 MeV能區，α粒子在不同種類的工作氣體的射程及產生的電子離子對數。

蒙特卡羅方法模擬α粒子在不同工作氣體條件下的關鍵參數列于表1。模擬計算5 MeV的α粒子在充氣為90%Ar+10%CH4的屏柵電離室內不同飛行距離的電離能損分布，結果示于圖2。由圖2可見，該實驗條件下的α粒子的最遠飛行距離為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鍵參數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行本底檢測。檢測設備采用反宇宙射線低本底γ譜儀,HPGe探測器相對效率為105%；100～2 000 keV能區本底5.6 min-1；本底測量時間18.1 d；樣品規格46 mm×30 mm×15 mm，本底比活度結果列于表2。

通過對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部各結構的支撐材料并起到絕緣的作用。

2.1.3 電離室結構的設計

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，電極系統采用無氧銅制作。電離室內徑φ238 mm，高度314 mm，壁厚3.3 mm。電離室內極板均呈圓形，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，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。

3) 柵極環。柵極環是外直徑φ250 mm，內直徑φ220 mm的圓環，安裝在具有相同內外直徑，厚4 mm的不銹鋼圓環上，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，當電子在外加電場的作用下通過柵極進入G-C區域后在收集極C上產生感應，最后到達收集極。柵極的屏蔽無效系數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的衰減以及溫度影響，將前置放大器置于真空室內。前置電源引線、檢驗端子、柵極電壓、信號引出插頭等均固定在電離室上蓋，便于安裝和調試。

2.2 控制系統

控制系統集成了氣體系統和電子學系統的功能在一個控制面板上。控制面板包含一個流量計，一個設備運行狀態顯示模塊和多個控制按鈕等。設備運行狀態由指示燈顯示，以數字形式顯示測量室壓力。

2.3 氣體系統

氣體系統包括抽真空系統和充氣系統，互相獨立。真空系統包括機械泵、電磁隔斷閥、真空計等。充氣系統主要是充有工作氣體的氣瓶、壓力計、減壓閥和控制氣體流量的微調針閥和氣體流量計。

2.4 電子學系統

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

3 調試

3.1 結構參數的選擇

為了測試不同電極間距對能量分辨率的影響，調整陰極-柵極、柵極-陽極之間的距離，改變各電極間的電場強度，使粒子在電離室腔內的漂移速度發生改變，進而影響能量分辨率的指標。通過加高壓，柵極-陽極間的電場強度大于柵極-陰極間電場強度，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度足以克服電子附著和離子復合，并且避免次級電子形成并進入正比區狀態，為了防止柵極俘獲電子，須收集極和柵極之間的電場強度與陰極和柵極之間的電場強度的比值大于某一臨界值zc。

(2)

式中：ρ=2πr/d，r為柵極絲半徑，d為柵極絲的間距。本實驗設計的電離室r=0.04 mm，d=1 mm，計算得理論值為:

(3)

則

(4)

固定陰極高壓為-2 700 V，微量調節柵極高壓，確定最佳能量分辨率，結果列于表3。

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

由表3數據可以看出，陰極電壓-2 700 V，柵極電壓-500 V時能量分辨率最好，由公式(4)計算,收集極和柵極之間的電場強度與陰極和柵極之間的電場強度的比值為1.36，小于理論計算的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時能量分辨率較好，結果表明，當工作氣體壓力偏低時，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，增大電子復合的幾率，不利于電子的收集。

4 小結

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)，穩定性為24 h漂移小于0.5%，在4～6 MeV能區，放射性計數率為10 h-1。

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

[1] 佟伯庭,汪建清,董明理，等. 高分辨α屏柵電離室譜儀的研制[C]∥第十屆全國核電子學與核探測技術學術年會論文集. 成都：[s. n.]，2000：196.

[2] 陳迎棠，齊卉荃，陳澤民，等. 用于快中子引起帶電粒子核反應研究的屏柵電離室及雙參數測量系統[J]. 核電子學與探測技術，1995，15(2)：72-78.

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[4] 凌球，郭蘭英. 核輻射探測[M]. 北京:原子能出版社，1992：52-54.

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