基于PIPS探测器的天然氡钍子体探测装置研究

邹功江， 夏　源， 曾国强， 葛良全， 李　强， 魏世龙， 谭承君

(成都理工大学　地学核技术重点实验室，成都　610059)



基于PIPS探测器的天然氡钍子体探测装置研究

邹功江， 夏源， 曾国强*， 葛良全， 李强， 魏世龙， 谭承君

(成都理工大学地学核技术重点实验室，成都610059)

对基于PIPS探测器的天然氡钍子体探测装置进行了研究。探讨了探测器与放射源之间最佳探测距离为3 mm；对电荷灵敏前置放大器性能进行了分析，结果与理论参数相符。PIPS探测器能量分辨率好，实测对214Po的特征峰能量分辨率为4.9%。整个探测装置的不稳定度小于5%，保证了测量氡钍子体α粒子潜能浓度时结果稳定可靠。探测装置可以不需要人工更换滤膜而连续运行，适合在无人操作的情况下对天然氡钍子体进行连续在线测量。

PIPS探测器； 氡钍子体； α能谱测量； α潜能浓度

0　引言

222Rn/220Rn分别是由天然放射性系列铀系和钍系经过放射性衰变产生的气体元素，我们称之为天然氡钍。它没有颜色，没有气味，由于222Rn/220Rn的母体铀普遍存在于土壤和建筑材料中，母体经一系列衰变不断释放222Rn/220Rn，所以222Rn/220Rn在大气中的含量是不可忽略的。222Rn/220Rn衰变产物在常温下空气中能形成放射性气溶胶而污染空气，容易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积造成内照射而诱发肺癌[1]。氡钍子体的生物学危害特别是其子体产生的α射线，对人体造成的危害已引起人们越来越广泛的重视，对其的调查测量和研究工作也显得非常重要。

空气中氡钍子体的浓度随气象条件变化而有很大不同，欲准确评价氡子体的危害，必须连续可靠测量氡钍子体的放射性强度，尤其是α粒子的活度。本探测装置通过抽气的方式将含有氡钍子体的放射性气溶胶采集到滤膜上，利用PIPS探测器对滤膜上的α粒子进行探测。

1　α粒子的探测

α粒子是带正电的高能粒子(He原子核)，它在穿过介质后迅速失去能量。它们通常由一些重原子或一些人造核素衰变时产生。

对α射线进行α能谱测量的主要探测器为半导体探测器(包括：金硅面垒型半导体探测器、锂离子注入型半导体探器、Si-PIN半导体光电二极管等)。该探测器具有能量分辨率高、性能稳定、探测效率较高、体积小、抗磁性好、光电转换效率高、反向漏电流小以及价格便宜等优点[2]，被广泛应用，而在半导体探测器中，PIPS探测器长期稳定性好,其表面采用了钝化处理工艺，并且具有可擦拭，不易损坏、探测灵敏面积大等特点，是目前放射性气溶胶监测的首选探测器。本探测装置使用的是PIPS探测器。

2　PIPS探测器

2.1PIPS探测器特点

探测装置采用的是Canberra公司CAM系列PIPS探测器，PIPS半导体探测器属于结型半导体探测器，利用加速器产生的具有一定能量的正离子束流，直接穿透半导体材料(硅) 表面而形成PN 结。带电粒子在探测器的耗尽区里发生相互作用产生大量的电子空穴对，它们最初的空间分布取决于射线的种类和能量。随后在一定时间内这些电子空穴对被分离和收集，这一时间取决于电子空穴对的几何位置、探测器耗尽区的电场强度和电场的分布以及器件工作温度下的载流子迁移率[3]。PIPS探测器的能量分辨率好，探测器使用0.5 μm厚的铝和1 μm的凡立水封装，它不漏光且抗恶劣环境。凡立水的厚度相当于0.6 μm硅等效厚度,它对α粒子引起的能量散射、吸收和滤纸和探测器之间的空气引起的散射、吸收相比可以忽略[4]。

2.2PIPS探测器的技术指标

PIPS探测器具有较大的工作温度范围，最高可达50℃，最低温度为-30℃，保存温度需要在100℃以下，漏电流一般情况下小于10 nA，加在探测器上的偏置电压一般为+70 V，在这个偏压下，以CAM450为例，此时探测器的电容接近200 pF。系统采用的CAM900灵敏区域为900 mm2，灵敏区厚度为120 μm ～325 μm。对α射线的分辨率好，当偏压为15 V～24 V时，半高宽为45 KeV,当偏压为70 V时，半高宽为39 KeV。

2.3PIPS 探测器与样品距离的选择

α粒子在物质中的射程很短，氡钍子体衰变产生的α粒子在空气中的射程约在4 cm～9 cm范围内，具体会因空气湿度等影响而略有差异。在进行α能谱测量时，主要是利用α粒子的电离物质的特性对其进行探测。在α能谱测量时，为了保持能量的线性关系，必须使α粒子能量损耗具有一致性，即使其处于同一能量衰减条件下对其进行探测。

图1为PIPS探测器对α粒子探测效率与探测器到放射源之间距离的关系。图1中采用的两种探测器型号分别为CAM450与CAM1700，放射源半径分别为24 mm和42 mm，从1图中可以看出探测器到样品的距离越大，探测器的探测效率越低。为了尽可能提高探测效率，而又不影响滤膜的更换，我们应选择一个合适的探测距离。

图1　探测器-放射源距离与α粒子探测效率的关系Fig.1　Geometrical efficiency for alpha counting as a function of the source-detector distance for PIPS

图2　空气中探测器-放射源距离与半高全宽的关系Fig.2　Variation of the resolution (FWHM) as function of the detection source distance in air

图2为空气中PIPS探测器对238Pu(5 499.2 KeV)源测量的能量半高全宽(FWHM)与探测器到放射源距离的关系。探测器能量分辨率的计算公式为：

(1)

其中：FWHM为α粒子能峰的半高全宽；E0为α粒子能量。

在多道脉冲幅度分析器中，探测器能量分辨率通常表示为全能峰最大高度的一半所占的道数与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较大的道址；ChL表示全能峰一半高度较小的道址；ChE表示全能峰所在的道址。

从图2我们可以看出：探测器离样品距离越大，对238Pu的α粒子测量时的半高全宽越大，结合式(1)可知此时的能量分辨率也越大；当探测器与样品距离小于10 mm时，探测器的能量分辨率小于10%。

我们使用标准镅-241α源测量了在不同距离下，PIPS探测器对α粒子的探测效率，以便选择最佳的探测距离。表1为测量数据，其中241Am源的直径为5 mm。

表1　探测效率测量数据

由于探测器对不同能量的α粒子探测效率相差不大[5]，在整个探测过程中，我们可以参考探测器对241Amα源的探测效率，来选择对氡钍子体测量时的探测距离，为了得到更好的测量结果，而又不影响系统自动走纸的情况下，通常使探测器与样品的距离保持在1 cm的距离内，本探测装置中选择的探测器与样品距离为3 mm。

3　氡钍子体连续测量方法

3.1氡钍子体测量原理

α粒子潜能εp是该原子到210Pb或208Pb的过程中所发射的α粒子总能量[6]。而α潜能浓度(PAEC)定义为单位体积空气中存在的222Rn/220Rn的短寿命子体的α潜能之和，因此如果Ci是衰变产物i的放射性浓度(Bq/m3)，则短寿命子体混合物的α潜能浓度Cp(对氡222Rn子体表示为Cp，Rn；对220Rn子体表示为Cp，Tn)为[7]：

(3)式中：εpi为i种核素的原子的α潜能；λi为第i种核素的衰变常数，单位为s-1。因此由测量222Rn/220Rn子体的浓度代入(1)式可求出α粒子潜能浓度，由于222Rn/220Rn的子体存在一定的平衡比，实际上可以测量一定时间内的α计数，通过一定的平衡比，简单地求出α潜能浓度。

在222Rn和220Rn两个放射性气体的衰变链中，天然α放射性主要由218Po、214Po、212Po、214Bi等核素构成，另外216Po产生的α粒子能量为0.36 MeV～0.59 MeV，在空气中的射程小于3 mm，再加上抽气滤膜自吸收的影响，探测器几乎无法探测到，因此我们主要测量对象为218Po、214Po、212Po、214Bi四种核素。

3.2测量装置及测量方法

如图3所示，基于PIPS探测器的氡钍子体连续测量仪分为两个部分：①气溶胶采样装置；②后端信号处理电路。PIPS探测器和电荷灵敏前置放大器放在金属屏蔽外壳内，减少外界电磁等干扰。后端电路放在屏蔽壳外，包括主板电路和数字多道能谱仪。探测装置采用的电源模块给电荷灵敏前置放大器提供+6 V/-6 V电压，给PIPS半导体探测器提供+24 V/+70 V偏压。

图3　仪器结构Fig.3　Instrument structure

工作状态开始后，气泵开始抽气，自动滚纸装置将滤膜夹紧，含有天然放射性氡钍子体的气溶胶被收集到滤膜上，探测器测量沉积的放射性气溶胶发射的α射线，产生的脉冲信号由紧挨探测器的前置放大器放大后输出到后端电子学系统进行处理，抽气速度和走纸装置都由主板的单片机控制。

4　硬件电路部分

4.1电荷灵敏前置放大器参数的选择

图4为探测装置使用实验室已有的电荷灵敏前置放大器原理图，配合不同探测器，电荷灵敏前置放大器的一些参数也有所不同，偏置电阻R4太小不仅会给电荷灵敏前置放大器输出信号带来极零点，还会使探测器的噪声变大，通常偏置电阻上的压差为0.5V时，探测器噪声最小[8]，考虑到PIPS探测器的漏电流在5 nA ～10 nA，因此选择偏置电阻R4=51 MΩ；为了获得更好的信噪比，应该选择和探测器等效电容值相近的场效应管作为第一级放大环节，而系统使用的PIPS探测器具有较大电容，因此选择2N6550作为第一级场效应管。

图4　低噪声电荷灵敏前置放大器原理图Fig.4　Low noise charge sensitive amplifier

图5为我们用此电荷灵敏前置放大器连接PIPS探测器时，对241Amα源探测得到的脉冲信号，电压幅度VOM=520 mV。241Am放射的α粒子主要能量为5 485.74 KeV，查询工作手册可知对于PIPS探测器每产生一个电子-离子对需要的能量为 3.61 eV，经计算可知每个脉冲输入的电荷量为Q=2.43×10-13C,故电荷灵敏前置放大器的电荷灵敏度ACQ=VOM/Q=2.14×1012V/C，而理论电荷灵敏度ACQ≈1/Cf，其中Cf为反馈电容，反馈电容大小Cf=0.5 pF,故理论电荷灵敏度为2×1012V/C，可见电荷灵敏前置放大器性能良好。

图5　241Amα源经过前放后的输出信号Fig.5　The output signal of 241Am with CSA

5　软件部分

软件分为上位机数据管理软件和仪器控制软件，仪器控制软件功能包括通讯模块、显示模块、控制模块和氡钍子体潜能浓度算法模块，本探测装置选用基于INTEL低功耗凌动处理器的工业单板一体机，该工控机小巧、轻便，便于安装，且可在该机上运行基于windows XP系统的人机界面，使整个实验过程简便易行。同时为了方便地储存测量到的α粒子的计数、谱线图、测量环境温度、湿度等数据，我们加入了嵌入式数据库，以便对数据进行有效地管理，查询数据将更加方便。

6　性能指标及结论

6.1探测器能量分辨率

图6为我们测量得到的222Rn/220Rn子体谱线图，测试时间为6 h，测试环境温度14℃。对于特征峰214Po，我们经过数字多道能谱仪得到的道址如表2所示。

图6　222Rn/220Rn子体α能谱图Fig.6　Alpha spectrum of 222Rn and 220Rn progeny

测量对象ChRChLChE道址/道786826818

将表2数据代入公式(2)进行计算，得到空气中PIPS探测器对214Po特征峰的能量分辨率为4.9%。

6.2系统稳定性测定

保持测量条件不变，对同一样品进行8次测量，记录探测装置α粒子总计数，测量温度为25℃，测量时间为1分钟，测量对象为239Pu固体面源，测量结果如表3所示。计算表3测量值的相对标准差δ，其计算公式为：

表3　稳定度测量数据表

(4)

其中：Ni为第i次测量值；n为实验组数，经计算测装置的不稳定度为δ=1.72%。

6.3天然氡钍子体潜能浓度测量结果

将测量系统放到通风的室内进行连续测量，时间为2015年3月23日早上8:00到第二天早上 8:00，每隔2 h进行一次测量，测量结果如表4所示。

表4　室内氡钍子体潜能浓度测量结果

一般来讲，220Rn子体在空气中含量的涨落很大，在早上3:00～7:00最高，下午到晚上8:00最低，最高与最低值之间相差约2倍～3倍。阴天较高，晴天、有风的天气较低，并且与222Rn变化趋势相同[9-10]，我们的实验结果也基本符合此规律，达到了预期的结果。

7　结语

基于PIPS探测器的氡子体测量装置，实现了对大气中含有氡钍子体的放射性进行快捷、有效、准确的测量。PIPS探测器抗干扰能力强，对环境中γ射线不灵敏，同时我们在系统中加入了金属屏蔽外壳，减小了外界电磁对信号的影响。整个探测装置可以不需要人工更换滤膜而连续运行，适合在无人操作的情况下对天然氡钍子体进行连续在线测量，该套装置也适合用于地震预测中氡气的连续在线监测。

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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

国家自然科学基金(41474159);国家863计划项目(2012AA061803)；地学核技术四川省重点实验室开放基金(gnzds2014006)

邹功江(1971-)，男，副教授，博士，从事机械设计及核辐射探测，E-mail：zgl@cdut.edu.cn。

曾国强(1980-)，男，副教授，博士，从事核辐射探测与核电子学,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