微量α测量的屏栅电离室谱仪的研制

杨 璐，王 强，郑玉来，王国保

(中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413)



微量α测量的屏栅电离室谱仪的研制

杨 璐，王 强，郑玉来，王国保

(中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413)

为了测量微量α放射性活度，研究了平行板α屏栅电离室谱仪系统。设计了一套带独立真空系统的屏栅电离室。该谱仪系统将电离室主体、充气系统及电子学系统三部分集成为一体，可缩小体积，节省放置空间，使操作智能化。电离室测试结果显示，239Pu源能量分辨率可达26 keV，在4～6 MeV能区本底计数率为10 h-1，24 h系统漂移不大于0.5%。结果表明，该谱仪系统可用于测量核素的α射线能量，分析能谱结构，鉴定核素。

屏栅电离室；能量分辨率；低放射性α测量

屏栅电离室属于传统α能谱探测器，应用广泛。该装置适用于核爆、模拟核爆试验中的核素分析，贫铀弹的核素分析，乏燃料后处理Pu和总α活度的测量。也可用于各种环境样品中对放射性核素的检测，适用的环境样品，如土壤、水、空气、生物样品、食品、建材、地质及考古样品，后处理中的α发射体、禁产核查及物料衡算样品中微量α射线的测量，以及核设施周围环境介质中人工放射性核素的监测[1]。α屏栅电离室谱仪系统在核物理研究领域也有诸多应用，如裂变碎片的探测，快中子引起核反应的带电粒子研究工作等[2],快中子(n，α)反应截面测量对反应堆的设计、核反应机理、核结构研究也有重要意义。屏栅电离室可同时测量带电粒子的能量和角分布，对带电粒子的探测效率近100%，立体角近2π，可根据所测的粒子种类选择合适的结构、工作气体及电压，有较好的粒子分辨率[3]。

在乏燃料后处理过程中需要进行铀、钚产品中微量镎的分析。α能谱测量法(一般样品盘直径为22 mm)是目前镎分析的主要测量方法。铀钚产品中镎的含量一般低于10-6g/L，从铀钚中分离出来的镎浓度很低，一般在10-8g/L量级。因此，需要设计一台大面积的α屏栅电离室谱仪，提高分辨率和分离效率，降低测量下限，以提高低浓度α样品测量的准确性。

1 屏栅电离室原理

为了提高电离室的分辨率，分辨能量比较接近的各种α粒子，在普通电离室的两个电极之间加入一道栅极能使分辨率大大提高，构成屏栅电离室的基本构造(如图1)。在平行板电离室中设置一个栅极，将电离室电离部分与产生信号部分分离，保存能量信息。

图1 屏栅电离室示意图Fig.1 Sketch map of grid ionization chamber

栅极G具有屏蔽作用，使正负离子对在阴极-栅极运动期间能感应到收集极C，当电子在外加电场的作用下通过栅极进入G-C区域后，在收集极C上产生感应，到达收集极。在屏栅电离室中，电离事件产生的电子云通过同样的电位差Vs1，与原点位置无关。由于栅极的屏蔽作用，阳极脉冲高度与电离径迹的位置及取向无关，从而使屏栅电离室具有较高能量分辨率。

2 系统结构与组成

2.1 电离室主体

2.1.1 蒙特卡罗模拟计算

带电粒子穿过探测器工作气体时，在飞行路径上产生电子离子对。应用Geant4模拟这一电离过程，并记录电离产生电子离子对数。在模拟过程中，气体探测器体积定义为与电离室实际尺寸等大的充满工作气体的圆柱体，且将其定义为敏感体积。当带电粒子穿过电离室时，与气体分子发生电磁相互作用损失能量，在模拟过程中考虑能损方式主要为与靶核外电子的非弹性碰撞，以及在入射粒子能量很低时与靶核的弹性碰撞。Geant4提供了低能电磁相互作用库，该库含盖了更低的能量范围，对电离过程，能量覆盖范围最低达到250 eV。低能区原子的壳结构在粒子与物质相互作用过程变得非常重要， Geant4在低能库中直接使用原子壳结构的相关数据。模拟在屏栅电离室气体压强为1.01×105Pa的条件下，4～6 MeV能区，α粒子在不同种类的工作气体的射程及产生的电子离子对数。

蒙特卡罗方法模拟α粒子在不同工作气体条件下的关键参数列于表1。模拟计算5 MeV的α粒子在充气为90%Ar+10%CH4的屏栅电离室内不同飞行距离的电离能损分布，结果示于图2。由图2可见，该实验条件下的α粒子的最远飞行距离为4 cm。

表1 蒙特卡罗方法模拟α粒子 在不同工作气体条件下的关键参数Table 1 Monte Carlo simulation of key parameters for α particle under different working gas condition

图2 蒙卡方法模拟α粒子在电离室内的电离能损Fig.2 Monte Carlo simulation of ionization energy loss for α particle in the ionization chamber

2.1.2 电离室主体材料的选择

制作屏栅电离室的常用材料有不锈钢、无氧铜和聚乙烯，分别选取不同批次和年份的上述样品进行本底检测。检测设备采用反宇宙射线低本底γ谱仪,HPGe探测器相对效率为105%；100～2 000 keV能区本底5.6 min-1；本底测量时间18.1 d；样品规格46 mm×30 mm×15 mm，本底比活度结果列于表2。

通过对以上几种不同样品的本底检测，采用2#不锈钢样品制作屏栅电离室的外壳。由于无氧铜的本底较低，选用1#无氧铜制作屏栅电离室的电极材料。选用1#聚乙烯材料作为屏栅电离室内部各结构的支撑材料并起到绝缘的作用。

2.1.3 电离室结构的设计

考虑到低本底的要求，电离室外壳采用不锈钢材料，呈圆柱形，电极系统采用无氧铜制作。电离室内径φ238 mm，高度314 mm，壁厚3.3 mm。电离室内极板均呈圆形，由样品托、阴极、栅极、收集极组成。阴极、栅极、收集极之间的距离均可调，以提高能量分辨率。

表2 部分金属材料的本底值Table 2 The radioactive background of some metals

注：表中比活度值为谱仪95%置信水平的探测下限。

1) 阴极。厚度为2 mm的无氧铜圆盘，直径φ200 mm，阴极中间有φ50 mm的凹槽放置源托盘，在测量时保证源托盘位于阴极的中间位置。

2) 收集极。收集极是直径φ250 mm的无氧铜板，在收集极上引出测得的脉冲信号。

3) 栅极环。栅极环是外直径φ250 mm，内直径φ220 mm的圆环，安装在具有相同内外直径，厚4 mm的不锈钢圆环上，栅极为直径0.08 mm的镀金钨丝，栅极丝之间距离为1 mm。栅极G具有屏蔽作用，当电子在外加电场的作用下通过栅极进入G-C区域后在收集极C上产生感应，最后到达收集极。栅极的屏蔽无效系数σ与栅极丝直径d、栅丝丝距ξ及栅极与阳极间距L有如下关系式：

(1)

4) 前置放大器：为了减少收集极到前置放大器之间的分布电容和信号的衰减以及温度影响，将前置放大器置于真空室内。前置电源引线、检验端子、栅极电压、信号引出插头等均固定在电离室上盖，便于安装和调试。

2.2 控制系统

控制系统集成了气体系统和电子学系统的功能在一个控制面板上。控制面板包含一个流量计，一个设备运行状态显示模块和多个控制按钮等。设备运行状态由指示灯显示，以数字形式显示测量室压力。

2.3 气体系统

气体系统包括抽真空系统和充气系统，互相独立。真空系统包括机械泵、电磁隔断阀、真空计等。充气系统主要是充有工作气体的气瓶、压力计、减压阀和控制气体流量的微调针阀和气体流量计。

2.4 电子学系统

电子学系统包括高压电源、前置放大器、主放大器和微机多道脉冲幅度分析器。前置放大器置于电离室主体内，阴极和栅极供电均采用负高压。

3 调试

3.1 结构参数的选择

为了测试不同电极间距对能量分辨率的影响，调整阴极-栅极、栅极-阳极之间的距离，改变各电极间的电场强度，使粒子在电离室腔内的漂移速度发生改变，进而影响能量分辨率的指标。通过加高压，栅极-阳极间的电场强度大于栅极-阴极间电场强度，使电子有效被阳极收集，减少栅极俘获几率，改善能量分辨率。

3.2 工作电压的选择

合理的工作电压使阴极和栅极之间的电场强度足以克服电子附着和离子复合，并且避免次级电子形成并进入正比区状态，为了防止栅极俘获电子，须收集极和栅极之间的电场强度与阴极和栅极之间的电场强度的比值大于某一临界值zc。

(2)

式中：ρ=2πr/d，r为栅极丝半径，d为栅极丝的间距。本实验设计的电离室r=0.04 mm，d=1 mm，计算得理论值为:

(3)

则

(4)

固定阴极高压为-2 700 V，微量调节栅极高压，确定最佳能量分辨率，结果列于表3。

表3 不同栅极电压对分辨率的影响Table 3 Effect of different gate voltage on resolution

由表3数据可以看出，阴极电压-2 700 V，栅极电压-500 V时能量分辨率最好，由公式(4)计算,收集极和栅极之间的电场强度与阴极和栅极之间的电场强度的比值为1.36，小于理论计算的1.67，但该电离室的性能较好。

3.3 充气气压的选择

不同充气压力情况下，能量分辨率的数值曲线示于图3。阴极-栅极距离121 mm，栅极-阳极距离19.4 mm；阴极高压-2 700 V,栅极高压-500 V。气压从0.1～0.28 MPa，每次增加0.01 MPa，观察脉冲的变化情况。

图3 不同气压情况下的能量分辨率Fig.3 The energy resolution in different pressure condition

由图3可见，充气压力在0.11 MPa时能量分辨率较好，结果表明，当工作气体压力偏低时，α能谱的低能尾较长，主要是电荷收集不完全；工作气体压力过高，E/P值变小，使电子的漂移速度过慢，增大电子复合的几率，不利于电子的收集。

4 小结

本研究研制的屏栅电离室谱仪能量分辨率为26 keV(239Pu 5 155 keV α源)，稳定性为24 h漂移小于0.5%，在4～6 MeV能区，放射性计数率为10 h-1。

利用本装置对中国原子能科学院放射化学研究所的部分含微量镎(10-8g/L量级)的实验样品进行测试，均可在2 h内分辨出其核素种类及含量，结果满足测量精度及准确度的要求。该装置适用于核爆、模拟核爆实验中的核素分析，贫铀弹的核素分析，乏燃料后处理Pu和总α活度的测量，也可用于各种环境样品中对放射性核素的检测等。

[1] 佟伯庭,汪建清,董明理，等. 高分辨α屏栅电离室谱仪的研制[C]∥第十届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集. 成都：[s. n.]，2000：196.

[2] 陈迎棠，齐卉荃，陈泽民，等. 用于快中子引起带电粒子核反应研究的屏栅电离室及双参数测量系统[J]. 核电子学与探测技术，1995，15(2)：72-78.

Chen Yingtang,Qi huiquan,Chen Zemin, et al. Gridded ionization chanber and dual parameter measurement syatem for fast neutron-induced charged particles emission reactio[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1995, 15(2): 72-78(in Chinese).

[3] 唐国有，曲德成, 仲文光，等. 用双屏栅电离室测量快中子(n，α)反应的双微分截面[J]. 核技术，1994，17(3)：129-135.

Tang Youguo, Qu Decheng, Zhong Wenguang, et al. Angular distribution and cross section measurements for the reaction Ar using gridded ionization chamber[J]. Nuclear Techniques, 1994, 17(3): 129-135(in Chinese).

[4] 凌球，郭兰英. 核辐射探测[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