测氡火花计数器的研制

过惠平 王洪超 徐智林 张 磊

（第二炮兵工程学院102教研室 西安 710025）

环境氡的测量方法可分为两大类[1]：一类为瞬时监测法，如双滤膜法、闪烁法、气球法、活性炭吸附解析法等；另一类为累积监测法，如活性碳能谱法、固体径迹法、热释光法等。在估算空气中氡及子体对人群的辐射剂量时，通常须测量空气中氡及子体的平均浓度，这就得进行氡的累积测量。目前公认的最佳累积测量方法是固体径迹法[2,3]。然而，为读出探测器薄膜上的径迹信息，须对其蚀刻再用光学显微镜观测[4]，费时费力，效率低下。上世纪80年代发展的固体核径迹的图像分析系统[5]，其显微阅读器价格较昂贵，不利于推广。

火花计数器原理是：a粒子等照射过的固体径迹探测器片(聚酯膜)经化学蚀刻后出现孔状径迹，将此径迹片放在镀铝膜电极和不锈钢中心电极间并加高压，蚀刻径迹孔处将依次发生火花放电，用电子学线路记录放电脉冲，便可对固体径迹自动计数，此法结构简单、操作方便、计数迅速、价格适宜。

1 结构设计

火花计数器主要由高压、成形电路、电极和计数部分组成。

1.1 高压及计数部分

该高压部分为NIM机箱的高压电源(FH1016A型)，该插件提供 kV以下的正或负极性的稳定的直流电压。计数部分采用BH1-FH463B型智能定标器进行计数。

1.2 成形电路部分

火花计数器的成形电路多采用图1所示的4种形式[6–9]。比较这四种电路，图1(a)成形电路的镀铝膜电极需直径d较大的放电圆孔，这不利于提高火花计数器径迹密度测量上限。火花脉冲电量Q=0.5CtV2，其中Ct是整个电路的电容，V是放电电压。Ct大，则Q大，故d也相应变大。图1(b)中的微分电容与电极电容呈并联关系，不利于降低整个电路的电容。图1(c)需一个大的负载电阻R0去限制放电电流，否则易引起多次放电，增加假计数；且由于镀铝膜电极为负，放电氧化产生的铝屑容易填充径迹孔，影响火花计数器的正常计数。本文火花计数器采用图1(d)所示的电路，它能克服上述弊端，电路更加稳定。

图1 四种成形电路Fig.1 Four types of shaping circuit.

1.3 电极部分

该火花计数器装置如图2所示，中心电极直径30 mm，环电极的内径40 mm、外径50mm；中心电极和环电极均采用不锈钢材料制成，表面抛光(13级抛光度)；中心电极与环电极间用绝缘木相隔，绝缘木可耐千伏以上高压；用木质材料做箱体，箱体尺寸20 cm´20 cm´15 cm，箱体上表面扣圆柱形槽体，用螺栓将电极固定在箱体槽内；在箱体表面加缓冲垫，用于支撑有机玻璃板，保证有机玻璃板能平整地压在镀铝膜上。探测膜与中心电极平面接触，要求探测膜直径介于中心电极直径和环电极内径。探测膜上覆盖镀铝膜，其上覆盖有机玻璃板，再置放适当重物以确保探测膜与镀铝膜平整接触，以免放电时的电压瞬时变化导致镀铝膜电极产生振动而影响火花计数器计数的准确性。

图2 火花计数器装置Fig.2 Schematics of the spark counter device.

2 火花计数器性能试验

2.1 重物重量对计数的影响

将镀铝膜压紧的压力大小会导致电极电容的变化，从而导致火花计数器的坪曲线变化[10]。为此，重物试验采用2、4、6、7、8和10 kg的重物。取6组聚酯膜，每50片/组，在19°C、70%湿度、氡浓度为1800 Bq/m3的氡室内照射36 h(如无特别说明，下文的氡室照射条件均同此处)。每组聚酯膜对应一定质量的重物进行计数，每片计数5次，取平均值，结果如图3所示。图中数据点为该电压下50片聚酯膜计数的平均计数，平均误差≤8%。

由图3，火花计数器从电压350 V开始有计数，计数随电压升高。2 kg压力下，500–700 V出现坪；700 V后计数明显变高，杂放电现象较为明显。4 kg压力下，400 V后出现计数坪，坪长约300 V。6 kg时，坪长约为400 V，且计数相对稳定。与6 kg压力相比，7–10 kg的火花计数略高，但坪长基本相同。综上所述，本火花计数器选择6 kg的重物较为合适。

图3 重物质量对计数的影响Fig.3 Spark counts under different pressures.

2.2 电极表面抛光程度对计数的影响

火花计数器的电极是关键部件，其表面抛光程度影响着火花计数器计数的准确性[11]。用现代抛光技术对两个条件相同的电极抛光至6级和13级抛光度，用于火花计数器，对两组50片聚酯膜进行氡室照射和读数，结果如图4 所示，电极表面抛光程度13级的坪特性曲线据优。从两种抛光度下获得的火花计数平均值的相对误差也有显著差异：电极表面抛光度为6级时的最大相对误差达16.7%，而抛光度为13级的最大相对误差为7.2%。电极表面滑则产生电场的均匀性好，使火花计数更稳定，避免了局部电压过高引起的重复计数，又减少了尖端放电现象。

图4 电极表面光滑程度对计数的影响对比Fig.4 Spark counts using the central electrode polished differently.

2.3 聚酯膜蚀刻面积大小对计数的影响

本文所用火花计数器中心电极直径De=30 mm。选用两组50片/组聚酯膜作氡室照射，蚀刻时，第一组蚀刻径迹区直径Dt=32 mm；第一组蚀径迹区直径Dt=27mm。进行火花计数器读数，取平均值，它们的坪特性曲线如图5所示。DtDe时，坪长较长、坪斜较小，坪特性好于Dt>De时。同时，Dt>De时镀铝膜边缘产生的火花孔远多于DtDe时。这是受中心电极边缘电场非均匀性的影响，电极边缘的电场略高于中间的电场[9]，电极边缘电场随着电压增大，电压升至800V时Dt>De的电极边缘发生多次火花放电，计数重复性增强，导致边缘区分布着密集的火花孔。而DtDe，可避免这种效应。而且电极边缘做成圆弧形也有利于减少这种效应。

图5 不同的蚀刻区直径对计数的影响对比Fig.5 Spark counts of polyester film trackers with an etching diameter of Dt=27 or Dt=32 mm.

2.4 清扫电压的确定以及其对计数的影响

火花计数器工作时，在对未做过火花计数的聚酯膜进行火花计数前，应在较高电压下进行火花放电冲击，对聚酯膜上已穿透和邻近穿透的蚀刻径迹孔进行清扫，这样的高压称为清扫电压。冲击电压的大小和冲击次数与聚酯膜厚度和蚀刻条件有关[10]，为确定本文所用聚酯膜的清扫电压，用1000 V、1200 V和1400 V清扫电压对三组50片/组聚酯膜进行电压清扫、氡室照射、蚀刻、计数，结果见图6。在1200 V或1400 V的电压冲击一次所得计数基本达到可重复的程度，效果好于在1000 V电压冲击；效果相近，选用较小的电压，故清扫电压为1200 V。图7是聚酯膜在1200 V的清扫电压下，冲击1次、2次、5次以及冲击多次得到计数与电压的关系，可见在该蚀刻条件下聚酯膜经5次1200 V电压冲击，计数可达到可重复的程度。

图6 不同的清扫电压下得到的火花计数Fig.6 Spark counts of polyester films under different sweeping voltages.

图7 高压冲击后电压与计数关系Fig.7 Spark counts of polyester films after different times of sweeping under 1200 V.

3 结束语

通过对火花计数器研制及性能试验分析，得出本火花计数器的特点是高压持续稳定，电路设计更加合理，电极部分更加适合火花计数器准确计数需要；而且为了更准确的得到聚酯膜固体径迹探测器上径迹的信息，本火花计数器最佳工作条件应包含：

(1) 重物重量为6 kg；

(2) 聚酯膜径迹探测器在最佳条件下蚀刻；

(3) 聚酯膜蚀刻面积稍小于中心电极表面积；

(4) 正式计数前，在1200 V的清扫电压下清扫5–10次；

1 吴慧山, 林玉飞, 白云生, 等. 氡测量方法与应用[M].北京: 原子能出版社, 1995 WU Huishan, LIN Yufei, BAI Yunsheng,et al. Radon measurement methods and applications. Beijing: Atomic Energy Press, 1995

2 张智慧. 空气中氡及其子体的测量方法[M]. 北京: 原子能出版社, 1994 ZHANG Zhihui. Radon and its daughters in air measurement method[M]. Beijing: Atomic Energy Press,199

3 Roller. A comparison of the precision of continuous methods of measuring radon/thoron and decay product concentrations in air[J]. Natural radiation environment,2002

4 许伟, 李天柁, 马文彦, 等. 固体径迹探测器最佳蚀刻条件选择[C]. 昆明: 全国第十二届核电子学与核探测技术学术年会论文集, 2007: 119–121 XU Wei, LI Tiantuo, MA Wenyan.et al. The best etching condition choosing of the SSNTD[C]. Proceedings of the 12th National Conference on Nuclear Electronics &Nuclear Detection Technology, 2007:119–121

5 Denisov A E, Nikolaev V A, Vorobjev I B. Programmable spark counter of tracks[J]. Radiation Measurements, 2005,40: 389–391

6 Wilson C K. The jumping spark counter and it’s development as an aid to measuring alpha activity in biological and environmental[J]. Nucl Tracks, 1982, 6:129

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8 Varnagy M, Vasvary L, Gyarmati E,et al. A jumping spark counter for various applications: rapid determination of its counting parameters[J]. Nucl Instrum Methods, 1977, 141: 489

9 陈凌. 5种固体径迹氡探测器某些性能的比较以及火花计数器的改进[J]. 原子能科学技术, 1993, 27(1):67–69 CHEN Ling. The performance comparison of five kinds of solid state nuclear track detector for radon and the development of spark counter[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1993, 27(1):67–69

10 李焕铁, 谢云瑞, 谢建伦. 火花计数器[J]. 原子能科学技术, 1981, 166–174 LI Huantie, XIE Yunduan, XIE Jianlun. The spark counter[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1981,166–174

11 陈凌, 张怀钦, 朱天成. 固体径迹探测器和火花计数器在氡监测上的应用[J], 核技术, 1991, 14(7): 406-409 CHEN Ling, ZHANG Huaiqin, ZHU Tiancheng.Application of the SSNTDs and spark counters in radon monitoring[J]. Nuclear Techniques, 1991, 14(7): 406–409