薄窗型多阳极气体探测器研究进展

赵庆章，于 波，庞义俊，张宇轩，王芳芳，孟 齐，武绍勇，姜 山，何 明

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

电离室、正比计数器和盖革-弥勒(G-M)计数器均以气体为探测介质，且在结构上有相似之处，统称为气体探测器。在核物理发展早期，气体探测器应用最广。五十年代以后，由于闪烁计数器和半导体技术的发展而逐步被取代。但是气体探测器制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便，至今仍应用在高能物理和重离子物理领域。随着加速器质谱小型化、低能量化发展，粒子探测技术精确测定低能量下的重离子是研究者关注的重要科学问题。硅探测器可有效分辨轻离子，但对重离子分辨不佳，同时有辐射损伤，而气体探测器无辐射损伤，是目前重离子检测的最佳选择。将气体探测器阳极分区，可以测量粒子损失能量与剩余能量。以往气体探测器入射窗的厚度较厚，同时硅探测器的死层较厚，测量低能量粒子时，其在入射窗中损失能量占总能量比例大，沉积到探测器介质中的能量小，故一般气体探测器和硅探测器用于高能离子的探测(能量高于1 MeV/u的粒子)。现用薄的氮化硅膜替代常用的Mylar膜，并配合低噪声前置放大器鉴别低能量重离子。本文主要对现有薄窗型气体探测器的探测技术进行综述。

1 基本原理

ΔE-E技术广泛应用于粒子鉴别。此方法由两个或多个探测器组成的测量系统接收同一方向的入射带电粒子，就像望远镜观测某个方向，所以又称为ΔE-E探测器望远镜方法。最简单的探测器望远镜包括两个探测器，待测粒子穿过第一个探测器停止在第二个探测器中。第一个探测器称为通过探测器，或者投射探测器，也叫ΔE探测器；第二个探测器的厚度应大于待测粒子在其中的剩余射程，称为停止探测器，也叫E探测器[1]。

离子穿过物质时因电离作用造成的能量损失率，可以用Bethe-Block公式[1]表示。在非相对论区，Bethe-Block公式可化简为：

(1)

式中，dE/dX为入射离子与电子碰撞(使原子电离或者激发)引起的能量损失率，MeV/cm；C为与阻挡介质有关而与入射粒子无关的参数；v为入射粒子速度，cm/s；m为电子的质量；I为阻挡介质原子的平均电离电位，I≈12ZA(eV)，ZA为阻挡介质的原子序数；Ze为入射粒子的有效电荷，即以电子电荷为单位的均方根电荷。在非相对论区，E=1/2Mv2，公式(1)可化简为：

(2)

式中，B和b为与离子无关的常数；M为离子质量，kg。能量为E(MeV)的离子在厚度为t(cm)的透射探测器中损失能量为ΔE，忽略对数项随离子能量的慢变化，则有：

(3)

对于固定ΔE探测器，t为常数，则：

(4)

入射带电粒子在探测器气体中生成一对离子对需要的能量约为30 eV，称为电离能。电离能和入射粒子的类型还与探测器中的气体有关。如果探测的离子在气体电离室中完全停止，则输出信号高度与电离出的载流子总数成正比，电离出的载流子数目N=E/w与入射到探测器中的离子能量有关(已经减掉在窗上损失的能量)。因此，当加速器加速离子的动能确定时，为使探测器输出信号最大化，对能量一定的离子需要减少在探测器窗中损失的能量，另一方面需要寻找合适的气体。虽然入射带电粒子在探测器气体中生成一对离子对需要的能量约30 eV，但要寻找尽可能小的电离能w，使脉冲的高度最大化，达到探测器能量分辨率最优上限。

电离碰撞是随机过程，即使离子在气体中损失相同的能量，总电离仍然有统计涨落，电离的统计涨落决定了探测器能量分辨率的下限。提高探测器能量分辨率上限除了增加脉冲高度，还可减少能量一定的重离子在探测器窗中能量的歧离。每种离子类型的分辨率可近似表示为：

(5)

式中，a、b为拟合参数。

由于探测器中气体不纯，电子与气体分子碰撞时，可能被O2、水蒸气等捕获而形成负离子，其结果是漂移速度没有电子快，增加了复合损失，减少了脉冲高度，降低了探测能量分辨率，因此严格要求探测器中的气体纯度，气体一般选择高纯异丁烷。

2 技术方法

2.1 薄氮化硅膜与Mylar膜对比

利用气体探测器作为探测手段的加速器质谱，被鉴别的离子必须具有一定动能才能穿过ΔE探测器，并在E探测器中损失一定的能量。传统的加速器质谱基于核物理实验中的大型加速器建立，传输效率较低，为提高加速器质谱的传输效率，加速器质谱小型化和低能化是发展趋势。剩余能量随入射离子的质子数Z变大而变小(图1)。离子的总能量变低后，为了增大低能重粒子在探测器中沉积的能量，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。

图1 TRIM计算1 MeV的粒子穿过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 不同质子数Z的低能量粒子脉冲高度对比

气体探测器与硅探测器相比，硅探测器产生电子-空穴对所需的能量仅约3 eV，对相同能量的离子，此时气体探测器输出电子离子对数是硅探测器输出电子空穴对数的10%～12.5%。所以气体探测器中产生的电子在阳极板上必须有效的收集。在气体探测器中，使用几乎不俘获自由电子形成负离子的工作气体，通常因为收集电子在气体中的漂移速度比离子更快(大约高3个数量级)。电路的时间常数(RC)值应远小于正离子收集时间，但要大于电子收集时间，这时可认为电子已经被收集而正离子几乎还没有在电场中移动，由于输出脉冲的幅度与离子对产生的地点有关，为了使电荷收集独立于离子对产生位置，设计Frisch-栅网安装在阳极前面，栅网屏蔽了电离区域，使电子在没有穿过栅网前，不能在阳极板上产生信号。设计并选择栅网丝直径和栅网丝的间距，仔细调整栅极和阳极之间的电压差才能获得最佳电子传输率和屏蔽效果。电子穿过栅网而不被栅网俘获才会在阳极有脉冲信号，脉冲的高度与离子对产生的位置无关，只与入射离子在气体中产生的离子对数有关[4-7]。

相同能量不同原子序数的入射离子在气体探测器中产生的脉冲高度不同(图2)，由于不同Z的粒子在入射窗中损失的能量不同，一般随原子序数的增高脉冲高度降低，称为脉冲高度亏损。

图2 不同Z与不同能量的粒子在探测系统中产生的脉冲高度[3]Fig.2 Pulse heights generated by detection systems using different Z and different energy particles[3]

2.3 薄窗型气体探测器与硅探测器对比

气体电离室设计的关键是提高其能量分辨率。现采用两种方法：(1) 调节探测器的输入参数(如极板电压和气体压力)使相同能量的粒子在探测器中达到最大脉冲高度，硅探测器不能改变面密度，但气体探测器可通过调节气压大小改变面密度，使用方便；(2) 由于气体探测器入射窗的厚度较厚，在硅探测器中相当于其死层较厚。测量低能粒子时，在窗中损失能量占总能量的比例大，沉积到探测器介质中的能量就小，所以一般气体电离室与硅探测器用于高能离子的探测(能量高于1 MeV/u的粒子)。但是，现在可使用薄的氮化硅膜替代常用厚的Mylar膜，并配合低噪声前置放大器使用。所以提高窗的材料强度、减小窗的厚度，用均匀性高的氮化硅窗可以使气体探测器信号脉冲高度稳定，且相同能量的低能重离子在探测器窗的能量歧离最小。此外，气体探测器中气体的均匀性高于1%，很薄的硅探测器难以达到，保证了低能量下重离子气体探测器能量分辨率优于硅探测器。

图3显示了能量分辨率作为所有研究粒子类型的能量的函数，硅探测器测量重离子的分辨率也可从中得知。氮、硫、铁、碘、金元素在能量0～3 000 keV时，对比气体探测器与硅探测器探测到的半高宽(FWHM)，可以发现相同元素种类且相同能量的粒子，用气体探测器得到的半高宽比硅探测器得到的半高宽小。

图3 气体探测器与硅探测器半高宽对比[2]Fig.3 Comparison of half height and width of gas detector and silicon detector[2]

综上所述，气体探测器的输出信号高度对单能粒子的响应由探测器入射窗口中的能量损失和散射、载流子产生的统计涨落、电子学的噪声造成。在低能量(约1 MeV)下用气体探测器测量重离子，必须使用几十纳米的均匀薄氮化硅膜[2]。该膜薄、强度高、均匀性高(例如50 nm时，小于2 nm的变化)。探测器的入射窗越薄，入射离子在其中损失的能量越小。如果入射窗的膜不均匀，能量歧离越明显。因为低能量入射离子射入到气体探测器中，产生的信号很小，所以使用的前置放大器噪声越小越好。在阳极上收集到的微弱信号可由前置放大器转换成整形电压脉冲，实验证明使用AMPTEK Cool FET前置放大器效果优于ORTEC前置放大器142[3]。

3 薄窗型气体探测器的重要应用

3.1 129I测量

低能量重离子气体探测器的能量分辨率高于硅探测器。硅探测器的死层较厚，导致一定能量的低能量离子在其中损失能量较大，所以沉积到固体探测介质中能量较少，分辨率较低；而薄窗型气体探测器入射窗薄，相同低能量离子在其中损失能量较小，所以沉积到气体探测介质中能量较多，分辨率较高。

图4 加速器质谱使用薄窗型气体探测器和硅探测器测量129I能谱对比[2]Fig.4 Comparison using a thin window gas detector and silicon detector to measure 129I energy spectrum by accelerator mass spectrometry[2]

加速器质谱用薄窗型气体探测器和硅探测器测量129I能谱的对比示于图4。经过低能端磁铁，97Mo16O2的磁刚度与129I的磁刚度相同，两者经过剥离气体后，剥离后选取4+价态129I离子，经过高能端磁铁和高能端静电分析器，4+的129I与3+的97Mo的磁钢度和电刚度近似，两种粒子轨迹接近，几乎同时进入探测器。对比硅探测器和薄窗型气体探测器发现，硅探测器分辨不出129I和97Mo，而薄窗型气体探测器能够分辨129I和97Mo。

3.2 Pu测量

240Pu样品(黑线)或160Dya——从金硅面垒探测器获得的能谱；b——具有100 nm Si3N4入射窗的气体探测器；c——具有40 nm Si3N4入射窗的气体探测器图5 薄窗型气体探测器和硅探测器测量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]

对于低能量重离子探测，若使用500 nm 的Mylar膜作为气体探测器的入射窗，粒子将被阻止到Mylar膜中，无法测量到粒子，这是氮化硅膜和Mylar膜之间的显著区别。探测低能重离子时，薄窗型气体探测器较硅探测器表现出更好的分辨优势。薄窗型气体探测器和硅探测器测量160Dy和240Pu结果示于图5[2,8]。由图5结果可知，分离160Dy2+和240Pu3+时，金硅面垒探测器分辨率不够，Si3N4入射窗气体探测器用小于40 nm的入射窗完全分离160Dy2+和240Pu3+是可能的，虚线表示探测器切断几乎所有160Dy2+离子[8]。

4 小结

通过氮化硅薄窗型气体探测器的应用，显著改善了低能量重离子的探测与鉴别。薄窗型气体探测器的发展提高了小型化(低能量)加速器质谱装置的应用潜力。在低能量粒子鉴别中，通过使用薄的氮化硅膜作为气体探测器入射窗，使得气体探测器的分辨率显著提高，性能显著改善，可有效满足检测低能量重离子的需求。该种薄窗型气体探测器为低能重离子探测技术研究奠定了基础，同时在探测低能重离子中有广泛应用前景。