GEM-TEPC 調研分析及原理研究

李春娟 張偉華 肖雪夫 王志強 劉毅娜

（中國原子能科學研究院，計量與校準技術重點實驗室，北京102413）

1 引 言

組織等效正比計數器（Tissue-Equivalent Proportional Counter，TEPC）通過測量與微劑量學量直接相關的量，即線能譜，得到吸收劑量、有效品質因子和劑量當量，具有其他探測方法所不具備的優點：一是由于各種輻射在TEPC 內的線能不同，因此其具有一定的粒子分辨能力，適合混合輻射場的劑量測量；二是體積小、重量輕、便于攜帶。 因此，其作為空間輻射劑量測量裝置已得到國際上的廣泛認可，另外，《IAEA 安全標準系列—職業外照射評估》也把TEPC 作為n、γ 混合場劑量測量方法之一列入其中。 但在高注量率輻射場測量時，常規TEPC 與一般的正比計數器類似，存在信號堆積現象。 這就需要制作微型尺寸的mini-TEPC［1］，在低注量率輻射場測量時，為提高靈敏度而又不過度增大體積，可多個微型探測器組成多室TEPC［2，3］，而由于微型氣體探測器的加工制作難度很大，尤其是中心陽極絲的裝配等。 歐洲核子中心的F.Sauli 等將氣體電子倍增技術（Gas Electron Multiplier，GEM）應用于氣體探測器，1997年首次進行了公開報導［4］，解決了微型氣體探測器容易斷絲報廢的缺點。 該探測器具有高計數率、抗輻照、信號讀出模式多樣等優點。 在傳統的TEPC 靈敏體積內引入GEM 膜取代陽極絲，可降低微型TEPC 探測器的加工難度，并提高其性能，在國際上已有發展。 本工作對GEMTEPC 工作原理進行研究，并對其國際發展現狀進行調研，通過比較，對GEM-TEPC 的制作關鍵技術進行總結。

2 GEM-TEPC 工作原理

2.1 基于TEPC 的微劑量學實驗方法

基于TEPC 的微劑量學實驗方法的基本出發點是使用一個組織等效氣體體積來模擬一個正常密度的小生物組織體積［5］。 其用于模擬微小體積的原理為法諾定理。 依據法諾定理［6］，輻射與物質相互作用的截面和密度的比值與密度無關，即帶電粒子在介質中穿過單位質量厚度時的作用幾率與介質的密度無關。 TEPC 正是據此原理，以厘米／毫米量級的靈敏體積模擬μm 量級的微觀組織，測定中子或者帶電粒子在微觀組織中的能量轉移和沉積。

探測器內充入組織等效氣體，其質量阻止本領和細胞組織相同，則對腔室靈敏體積的直徑和所充入組織等效氣體的密度要求如式（1）

式中：ρm——模擬人體組織密度；ΔXm——模擬組織直徑；ρg——組織等效氣體的密度； ΔXg——組織等效氣體腔室靈敏體積直徑。

滿足該條件，就可以通過在TEPC 內充入稀薄氣體以實現對μm 量級的人體組織的模擬測量。

根據人體細胞等效的組織等效氣體的密度可按式（2）計算組織等效氣體的壓強

TEPC 測量輻射場的能量信號，經過線能校準后，可將實驗測量脈沖幅度譜轉換后可得到線能頻率幾率密度與劑量幾率密度，將TEPC 測量得到的劑量幾率密度即d（y） 分布以半對數坐標畫出圖形轉化為yd（y） 分布，通常稱之為微劑量譜。 此微劑量譜可以比較直觀的給出各種粒子對劑量譜的貢獻。

根據ICRU 的定義，品質因子與吸收劑量D 的乘積為劑量當量H，如式（3）

ICRU 40 號報告中將品質因子Q 定義為線能y的函數，如式（4）

因為在任何照射產生的線能y 都是一種分布，所以在任何情況下都需要計算有效品質因數，如式（5）

故劑量當量H 可表示如式（6）

圖1 GEM 微孔內電場分布圖Fig.1 Electric fields of the GEM for two apertures

2.2 GEM-TEPC 工作原理

基于GEM 的氣體探測器一般主要由漂移電極、GEM 膜和PCB 讀出電極三層組成，如圖1所示。 探測器工作時，在漂移電極、GEM 上下銅層和PCB 讀出電極上分別加上不同的電壓，入射粒子與氣體分子碰撞產生電離，電子在漂移區的電場作用下向下漂移，部分電子進入GEM 微孔通道中，由于GEM 微孔通道直徑很小，漂移電極和讀出電極之間的電力線在通道中密集產生高強度雙極電場，電子在這個電場中獲得足夠大的能量使更多中性氣體原子產生電離，從而發生雪崩放大，如圖1所示。放大后的電子在收集區的電場作用下繼續向下漂移，最后被PCB 收集。 將GEM 膜應用于TEPC，漂移電極使用組織等效塑料A150，內充組織等效氣體，即為GEM-TEPC。

GEM 膜是整個GEM 探測器的核心，標準GEM膜是雙面覆銅且雙錐形通孔呈均勻分布的Kapton膜，如圖2所示。 其中Kapton 膜厚度為50μm，銅箔厚度為5μm，雙錐形孔間距140μm，孔表面直徑70μm 以及孔心直徑50μm。 當在上下兩層銅箔上加一定電壓，會在孔中形成很強的電場（ ＞100kV／cm），電子穿過小孔時在強電場的驅動下會在工作氣體中倍增放大。 目前使用的GEM 膜大多是從歐洲核子中心（CERN）購買，也有個別實驗室自制厚層GEM 膜。

圖2 標準結構GEM 顯微鏡圖像Fig.2 The electron microscope photograph of a GEM foil with standard geometry

3 GEM-TEPC 國際發展現狀

基于GEM 的工作原理，荷蘭Delft 大學的M.Farahmand 率先研制了基于GEM 的TEPC［7，8］，如圖3所示。 探測器有效區域內設有5 個直徑為2mm的等高圓柱腔室，利用5.4keVX 射線和252Cf 中子源分別進行低線能端和高線能端的能量校準。 利用該探測裝置，M. Farahmand 分別探測了中子管產生的14MeV 中子源、252Cf 中子源以及X 射線的微劑量譜。

圖3 M.Farahmand 研制的GEM-TEPC 三維示意圖Fig.3 Schematic 3D view of GEM-TEPC developed by M.Farahmand

美國格魯吉亞科技大學（GIT）同樣研制了基于GEM 的TEPC［9］，初步設計結構為基于單層GEM，如圖4所示，后期為獲得更大的增益，設計了基于多層GEM 級聯放大的GEM-TEPC，如圖5所示。 通過電阻鏈分壓電路進行GEM-TEPC 的高壓供電，為得到周圍劑量當量H?（10），其結構設計時，探測器的最上層為10mm 的聚乙烯。 但該設計為基于GEM 的TEPC 的初步研究，整個探測器輸出單路獨立信號，尚未進行多室結構的設計及相關研究。

圖4 GIT 研制的基于單層GEM 的TEPCFig.4 A single-layer GEM-based TEPC developed by GIT

圖5 GIT 研制的基于三層GEM 的TEPCFig.5 Three GEM-based TEPC developed by GIT

2004年，Amos Breskin 等人用一般PCB 打孔法發明了厚型GEM，即THGEM，其厚度一般在（0.2 ～1. 2）mm，甚至可達3mm，孔徑與厚度相當，按三角形排列，其孔距約比孔徑大一倍。 雖然它的極限空間分辨率比GEM 稍差，但也可達到亞毫米量級。 另外，其具有易于制造維護、清潔要求較GEM 低、高增益、相對價廉等優點。 因此，加拿大G.M.Orchard 等人在GEM-TEPC 的基礎上研制了基于THGEM 的TEPC［10］，結構示意如圖6所示，用兩路高壓進行供電，其中一路用于漂移極高壓供電，另一路通過電阻鏈分壓模式為THGEM 上下電極供電。 該探測器通過單層THGEM 獲得了足夠的氣體增益用以探測中子、γ 射線的微劑量譜測量。

圖6 G.M.Orchard 研制的THGEM-TEPCFig.6 Schematic view of THGEM-TEPC developed by G.M.Orchard

“十二五”期間，中國原子能科學研究院開展了常規劑量水平的TEPC 劑量測量裝置相關研究［11－13］，研制出國內首臺低功耗便攜式TEPC 系統，目前其自制的絲室TEPC 探頭有等高圓柱和球體兩種結構。 集成電路依據TEPC 探頭輸出信號，采用三種模式測量，滿足（0.2 ～1000）keV／μm 線能區輻射測量需求，系統有劑量值LCD 實時顯示、USB 存儲、計算機通信等功能，供用戶選擇。 為進一步擴展其注量率及劑量當量率測量范圍，提出研制GEM-TEPC。

4 GEM-TEPC 設計關鍵技術

綜上，通過對GEM-TEPC 工作原理及國外實驗室設計方案的分析，GEM-TEPC 系統主要包括陰極窗、GEM 膜、陽極板、電阻鏈高壓分配電路、電子學系統以及供氣系統。 其設計需考慮探測器材料的組織等效性、GEM 膜的選擇及裝配、分壓電路的設計等方面。

4.1 GEM-TEPC 組織等效性

為保證探測器的組織等效性，漂移極選用國際通用的A150 組織等效塑料，壁厚滿足帶電粒子平衡要求。 探測器內充組織等效氣體，組織等效氣體的選擇須考慮到組織成分的性質、氣體增益性質，以及氣體成分和壁材料成分是否匹配。 目前組織等效氣體主要選用兩種混合氣體，一種混合氣體以甲烷為主（64.4%CH4，32.5%CO2，3.1%N2）；另外一種混合氣體以丙烷為主（55%C3H8，39.6%CO2，5.4%N2），基于丙烷的混合氣體增益更高。

在長期測量應用時，探測器需要外加金屬保護殼。 保護殼材料的性能，主要是考慮機械強度、氣體滲透性、表面特性、導電率、組織等效性、相應的加工技術等方面。 對于中子、γ 混合輻射場，γ 能量較低，鋁的組織等效性優于其他金屬材料。

4.2 GEM 膜漏電流的測量

標準GEM 膜是雙面覆銅且雙錐形通孔呈均勻分布的Kapton 膜，若不考慮微孔的影響，Kapton 膜等效電阻在幾千GΩ 量級。 由于GEM 膜在微孔處不再是絕緣的Kapton 材料，而是以組織等效氣體充當介質，當GEM 膜上下表面加電壓時，GEM 膜的等效電阻降低。 GEM 膜的漏電流是GEM 膜性能優劣的一個關鍵指標。 GEM 膜的漏電流越小，在高電壓下出現打火的幾率越小，性能越好。 所以探測器在組裝前需測量GEM 膜的漏電流。 具體測量方法如下。

首先，將待測量的GEM 膜置于密閉氣室中，充入氮氣（純度為99.999%），在GEM 膜上、下表面加載高壓測試漏電流。 漏電流可以采用美國KEITHLEY 公司的弱電流靜電計測量。

其次，每張GEM 膜由于制作蝕刻工藝的影響，漏電流測量結果會有一定的差異。 一般情況下，GEM 膜的漏電流應該小于1nA，若漏電流大于10nA，則說明該GEM 膜被導通，不能使用。

4.3 探測器實體組裝

GEM-TEPC 的實體主要包括A150 陰極板、GEM 膜和PCB 陽極板，使用不同厚度的尼龍墊片隔出漂移區、收集區的距離。 由于GEM 膜孔較小，當空氣中的灰塵等雜質進入后，會使GEM 膜導通而無法加高壓，所以整個組裝過程均需要在清潔間內完成，并且需要用酒精清潔每一個部件。 密封完好后才可在潔凈間外進行測試。 實體組裝完成后，為了檢驗GEM 膜的好壞，需要在純氮氣的環境下加高壓檢測其漏電流的大小。 當GEM 膜上下兩端的高壓加至500V 時，若漏電流小于10nA，則GEM膜正常。

4.4 探測器分壓電路的設計

基于GEM-TEPC 的工作原理，探測器工作時，需要在漂移極、GEM 的上下銅層上連接不同的高壓，以獲取合適的漂移區、倍增區、收集區電場，得到合適的探測器增益［14］。

目前普遍采用的GEM 探測器的供電模式主要有兩種：多路分立高壓供電模式和電阻鏈分壓供電模式。 其中多路分立高壓供電需要多路獨立的高壓引出，較為繁瑣，而且需要防止多路高壓不同時饋入或其中一路出現問題時，GEM 膜上、下表面電壓突然增大，擊穿GEM 膜。 這種高壓供電模式由于易于配置，常在調試期間采用。 而電阻鏈分壓供電模式僅采用一路的高壓供電，非常簡便，工作高壓的加載通過電阻鏈分壓完成，安全可靠。

可首先利用多路分立高壓供電模式對GEMTEPC 不同氣壓下的工作電壓進行調試，其電路示意圖如圖7所示，確定漂移區及收集區最佳場強，使探測器獲得最大有效增益，為電阻鏈高壓供電分壓板的設計提供參數。

圖7 GEM-TEPC 的多路分立高壓供電模式Fig.7 Muti-channel mode of HV power supply for GEM-TEPC

電阻鏈分壓供電等效電路圖如圖9所示，陰極板、GEM 膜的上下表面電位分別為VD、VG1U、VG1D，R2確保GEM 膜處于正常工作狀態，R1、R3的阻值根據探測器的漂移區及收集區的場強來設置。 為保證分壓的一致性，電阻鏈在組裝前需要對分壓電阻阻值的一致性進行選擇，測量所得的電阻阻值與分壓電阻標稱值之間的差值不能超過1%。 另外，R2的阻值不易過大，避免其與GEM 的本征阻值可以相比較，從而引起電阻鏈分壓值和GEM 膜上所加電壓的改變，使得探測器不能正常工作。 為了保證放大倍數的穩定性，電阻的數值要求必須十分穩定，功率也要考慮，一般選金屬膜電阻。

圖8 GEM-TEPC 電阻鏈分壓供電模式示意圖Fig.8 Resistive chain-dividing mode of HV power supply for GEM-TEPC

5 結束語

綜上，通過對GEM-TEPC 工作原理的研究以及國際發展現狀的調研，在傳統的TEPC 靈敏體積內引入GEM 膜取代陽極絲是切實可行的，可以將電子倍增區和收集區分開，具有位置分辨力好及信號讀出模式多樣等優點，相比于絲室結構的氣體探測器，可以有效解決陽極絲裝配困難，而且容易斷絲報廢的缺點，使得微型及多室結構設計變得簡單，擴展注量率測量范圍。 本工作對通過對GEM-TEPC工作原理及國外實驗室設計方案的分析，對GEMTEPC 設計關鍵技術進行初步總結，為本實驗室GEM-TEPC 的研制奠定了一定基礎。