薄窗型多陽極氣體探測器研究進展

趙慶章，于 波，龐義俊，張宇軒，王芳芳，孟 齊，武紹勇，姜 山，何 明

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

電離室、正比計數器和蓋革-彌勒(G-M)計數器均以氣體為探測介質，且在結構上有相似之處，統稱為氣體探測器。在核物理發展早期，氣體探測器應用最廣。五十年代以后，由于閃爍計數器和半導體技術的發展而逐步被取代。但是氣體探測器制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便，至今仍應用在高能物理和重離子物理領域。隨著加速器質譜小型化、低能量化發展，粒子探測技術精確測定低能量下的重離子是研究者關注的重要科學問題。硅探測器可有效分辨輕離子，但對重離子分辨不佳，同時有輻射損傷，而氣體探測器無輻射損傷，是目前重離子檢測的最佳選擇。將氣體探測器陽極分區，可以測量粒子損失能量與剩余能量。以往氣體探測器入射窗的厚度較厚，同時硅探測器的死層較厚，測量低能量粒子時，其在入射窗中損失能量占總能量比例大，沉積到探測器介質中的能量小，故一般氣體探測器和硅探測器用于高能離子的探測(能量高于1 MeV/u的粒子)。現用薄的氮化硅膜替代常用的Mylar膜，并配合低噪聲前置放大器鑒別低能量重離子。本文主要對現有薄窗型氣體探測器的探測技術進行綜述。

1 基本原理

ΔE-E技術廣泛應用于粒子鑒別。此方法由兩個或多個探測器組成的測量系統接收同一方向的入射帶電粒子，就像望遠鏡觀測某個方向，所以又稱為ΔE-E探測器望遠鏡方法。最簡單的探測器望遠鏡包括兩個探測器，待測粒子穿過第一個探測器停止在第二個探測器中。第一個探測器稱為通過探測器，或者投射探測器，也叫ΔE探測器；第二個探測器的厚度應大于待測粒子在其中的剩余射程，稱為停止探測器，也叫E探測器[1]。

離子穿過物質時因電離作用造成的能量損失率，可以用Bethe-Block公式[1]表示。在非相對論區，Bethe-Block公式可化簡為：

(1)

式中，dE/dX為入射離子與電子碰撞(使原子電離或者激發)引起的能量損失率，MeV/cm；C為與阻擋介質有關而與入射粒子無關的參數；v為入射粒子速度，cm/s；m為電子的質量；I為阻擋介質原子的平均電離電位，I≈12ZA(eV)，ZA為阻擋介質的原子序數；Ze為入射粒子的有效電荷，即以電子電荷為單位的均方根電荷。在非相對論區，E=1/2Mv2，公式(1)可化簡為：

(2)

式中，B和b為與離子無關的常數；M為離子質量，kg。能量為E(MeV)的離子在厚度為t(cm)的透射探測器中損失能量為ΔE，忽略對數項隨離子能量的慢變化，則有：

(3)

對于固定ΔE探測器，t為常數，則：

(4)

入射帶電粒子在探測器氣體中生成一對離子對需要的能量約為30 eV，稱為電離能。電離能和入射粒子的類型還與探測器中的氣體有關。如果探測的離子在氣體電離室中完全停止，則輸出信號高度與電離出的載流子總數成正比，電離出的載流子數目N=E/w與入射到探測器中的離子能量有關(已經減掉在窗上損失的能量)。因此，當加速器加速離子的動能確定時，為使探測器輸出信號最大化，對能量一定的離子需要減少在探測器窗中損失的能量，另一方面需要尋找合適的氣體。雖然入射帶電粒子在探測器氣體中生成一對離子對需要的能量約30 eV，但要尋找盡可能小的電離能w，使脈沖的高度最大化，達到探測器能量分辨率最優上限。

電離碰撞是隨機過程，即使離子在氣體中損失相同的能量，總電離仍然有統計漲落，電離的統計漲落決定了探測器能量分辨率的下限。提高探測器能量分辨率上限除了增加脈沖高度，還可減少能量一定的重離子在探測器窗中能量的歧離。每種離子類型的分辨率可近似表示為：

(5)

式中，a、b為擬合參數。

由于探測器中氣體不純，電子與氣體分子碰撞時，可能被O2、水蒸氣等捕獲而形成負離子，其結果是漂移速度沒有電子快，增加了復合損失，減少了脈沖高度，降低了探測能量分辨率，因此嚴格要求探測器中的氣體純度，氣體一般選擇高純異丁烷。

2 技術方法

2.1 薄氮化硅膜與Mylar膜對比

利用氣體探測器作為探測手段的加速器質譜，被鑒別的離子必須具有一定動能才能穿過ΔE探測器，并在E探測器中損失一定的能量。傳統的加速器質譜基于核物理實驗中的大型加速器建立，傳輸效率較低，為提高加速器質譜的傳輸效率，加速器質譜小型化和低能化是發展趨勢。剩余能量隨入射離子的質子數Z變大而變小(圖1)。離子的總能量變低后，為了增大低能重粒子在探測器中沉積的能量，需要入射窗的厚度越薄越好，即入射窗材料的面密度越小越好。

圖1 TRIM計算1 MeV的粒子穿過50 nm氮化硅和500 nm的Mylar膜[2]Fig.1 Calculation of 1 MeV particle through TRIM pass 50 nm silicon nitride and 500 nm Mylar film[2]

2.2 不同質子數Z的低能量粒子脈沖高度對比

氣體探測器與硅探測器相比，硅探測器產生電子-空穴對所需的能量僅約3 eV，對相同能量的離子，此時氣體探測器輸出電子離子對數是硅探測器輸出電子空穴對數的10%～12.5%。所以氣體探測器中產生的電子在陽極板上必須有效的收集。在氣體探測器中，使用幾乎不俘獲自由電子形成負離子的工作氣體，通常因為收集電子在氣體中的漂移速度比離子更快(大約高3個數量級)。電路的時間常數(RC)值應遠小于正離子收集時間，但要大于電子收集時間，這時可認為電子已經被收集而正離子幾乎還沒有在電場中移動，由于輸出脈沖的幅度與離子對產生的地點有關，為了使電荷收集獨立于離子對產生位置，設計Frisch-柵網安裝在陽極前面，柵網屏蔽了電離區域，使電子在沒有穿過柵網前，不能在陽極板上產生信號。設計并選擇柵網絲直徑和柵網絲的間距，仔細調整柵極和陽極之間的電壓差才能獲得最佳電子傳輸率和屏蔽效果。電子穿過柵網而不被柵網俘獲才會在陽極有脈沖信號，脈沖的高度與離子對產生的位置無關，只與入射離子在氣體中產生的離子對數有關[4-7]。

相同能量不同原子序數的入射離子在氣體探測器中產生的脈沖高度不同(圖2)，由于不同Z的粒子在入射窗中損失的能量不同，一般隨原子序數的增高脈沖高度降低，稱為脈沖高度虧損。

圖2 不同Z與不同能量的粒子在探測系統中產生的脈沖高度[3]Fig.2 Pulse heights generated by detection systems using different Z and different energy particles[3]

2.3 薄窗型氣體探測器與硅探測器對比

氣體電離室設計的關鍵是提高其能量分辨率。現采用兩種方法：(1) 調節探測器的輸入參數(如極板電壓和氣體壓力)使相同能量的粒子在探測器中達到最大脈沖高度，硅探測器不能改變面密度，但氣體探測器可通過調節氣壓大小改變面密度，使用方便；(2) 由于氣體探測器入射窗的厚度較厚，在硅探測器中相當于其死層較厚。測量低能粒子時，在窗中損失能量占總能量的比例大，沉積到探測器介質中的能量就小，所以一般氣體電離室與硅探測器用于高能離子的探測(能量高于1 MeV/u的粒子)。但是，現在可使用薄的氮化硅膜替代常用厚的Mylar膜，并配合低噪聲前置放大器使用。所以提高窗的材料強度、減小窗的厚度，用均勻性高的氮化硅窗可以使氣體探測器信號脈沖高度穩定，且相同能量的低能重離子在探測器窗的能量歧離最小。此外，氣體探測器中氣體的均勻性高于1%，很薄的硅探測器難以達到，保證了低能量下重離子氣體探測器能量分辨率優于硅探測器。

圖3顯示了能量分辨率作為所有研究粒子類型的能量的函數，硅探測器測量重離子的分辨率也可從中得知。氮、硫、鐵、碘、金元素在能量0～3 000 keV時，對比氣體探測器與硅探測器探測到的半高寬(FWHM)，可以發現相同元素種類且相同能量的粒子，用氣體探測器得到的半高寬比硅探測器得到的半高寬小。

圖3 氣體探測器與硅探測器半高寬對比[2]Fig.3 Comparison of half height and width of gas detector and silicon detector[2]

綜上所述，氣體探測器的輸出信號高度對單能粒子的響應由探測器入射窗口中的能量損失和散射、載流子產生的統計漲落、電子學的噪聲造成。在低能量(約1 MeV)下用氣體探測器測量重離子，必須使用幾十納米的均勻薄氮化硅膜[2]。該膜薄、強度高、均勻性高(例如50 nm時，小于2 nm的變化)。探測器的入射窗越薄，入射離子在其中損失的能量越小。如果入射窗的膜不均勻，能量歧離越明顯。因為低能量入射離子射入到氣體探測器中，產生的信號很小，所以使用的前置放大器噪聲越小越好。在陽極上收集到的微弱信號可由前置放大器轉換成整形電壓脈沖，實驗證明使用AMPTEK Cool FET前置放大器效果優于ORTEC前置放大器142[3]。

3 薄窗型氣體探測器的重要應用

3.1 129I測量

低能量重離子氣體探測器的能量分辨率高于硅探測器。硅探測器的死層較厚，導致一定能量的低能量離子在其中損失能量較大，所以沉積到固體探測介質中能量較少，分辨率較低；而薄窗型氣體探測器入射窗薄，相同低能量離子在其中損失能量較小，所以沉積到氣體探測介質中能量較多，分辨率較高。

圖4 加速器質譜使用薄窗型氣體探測器和硅探測器測量129I能譜對比[2]Fig.4 Comparison using a thin window gas detector and silicon detector to measure 129I energy spectrum by accelerator mass spectrometry[2]

加速器質譜用薄窗型氣體探測器和硅探測器測量129I能譜的對比示于圖4。經過低能端磁鐵，97Mo16O2的磁剛度與129I的磁剛度相同，兩者經過剝離氣體后，剝離后選取4+價態129I離子，經過高能端磁鐵和高能端靜電分析器，4+的129I與3+的97Mo的磁鋼度和電剛度近似，兩種粒子軌跡接近，幾乎同時進入探測器。對比硅探測器和薄窗型氣體探測器發現，硅探測器分辨不出129I和97Mo，而薄窗型氣體探測器能夠分辨129I和97Mo。

3.2 Pu測量

240Pu樣品(黑線)或160Dya——從金硅面壘探測器獲得的能譜；b——具有100 nm Si3N4入射窗的氣體探測器；c——具有40 nm Si3N4入射窗的氣體探測器圖5 薄窗型氣體探測器和硅探測器測量160Dy和240Pu[8]a——The spectra obtained from a surface barrier detector；b——A gas ionization detector with a 100 nm Si-N window；c——A gas ionization detector with a 40 nm Si-N windowFig.5 The measurements of 160Dy and 240Pu using thin window gas detector and silicon detector[8]

對于低能量重離子探測，若使用500 nm 的Mylar膜作為氣體探測器的入射窗，粒子將被阻止到Mylar膜中，無法測量到粒子，這是氮化硅膜和Mylar膜之間的顯著區別。探測低能重離子時，薄窗型氣體探測器較硅探測器表現出更好的分辨優勢。薄窗型氣體探測器和硅探測器測量160Dy和240Pu結果示于圖5[2,8]。由圖5結果可知，分離160Dy2+和240Pu3+時，金硅面壘探測器分辨率不夠，Si3N4入射窗氣體探測器用小于40 nm的入射窗完全分離160Dy2+和240Pu3+是可能的，虛線表示探測器切斷幾乎所有160Dy2+離子[8]。

4 小結

通過氮化硅薄窗型氣體探測器的應用，顯著改善了低能量重離子的探測與鑒別。薄窗型氣體探測器的發展提高了小型化(低能量)加速器質譜裝置的應用潛力。在低能量粒子鑒別中，通過使用薄的氮化硅膜作為氣體探測器入射窗，使得氣體探測器的分辨率顯著提高，性能顯著改善，可有效滿足檢測低能量重離子的需求。該種薄窗型氣體探測器為低能重離子探測技術研究奠定了基礎，同時在探測低能重離子中有廣泛應用前景。