快充式多丝正比计数器测量仪器和方法分析

王鹏

（江苏省计量科学研究院，江苏南京，210046）

0 引言

α、β粒子是放射性活度测量的参照标准，为确保其量值的精准性，需要定时测量α、β标准平面源，也可以将其作为放射源。多丝正比计数器是当下测量α、β平面源的主要装置，每执行一次测量操作就需将大量的工作气体填充至多丝正比室内，因为腔体偏大，充气操作会耗用大量时间，也会使用很多工作气体，需投入大量时间、资金成本[1]。鉴于以上情况，建议将一个坚固的密闭式腔体设置在多丝正比室之外，在腔体快速抽成真空以后再充进气体，短时间内快速增加腔体中反应气体浓度，节约气体资源及缩短测量时间。

1 多丝正比计数器的工作原理

1.1 电场分布

宏观上，多丝正比室的电场是以阳极丝为中心呈辐射样分布的，遵照1/r的变化规律。

Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6代表的是阳极丝的垂直面，不同阳极丝之间的距离是S，阳极丝直径d，阳极平面至两个阴极平面的距离用L′表示，通常有L=L′。

厄斯金既往研究了和多丝正比室相关的静电问题，重点分析了正比室内电场分布情况，阴、阳极之间的电压为V0，单位丝长度上的电容为C；ε0是室内工作气体的介电常数，r为某点位至阳极丝的距离，x，y是点至阳极是的x，y向坐标差。

图1 多丝正比室的几何参数

如果y<

y>>S时，有：

1.2 脉冲的放大与建立

依照到阳极丝的距离，正比室的室内静电场的分布大体可以分成恒定电场漂移区、变化电场漂移区、雪崩及空间电荷区。当生成次级电离后，电子向阳极丝运动，正离子漂移至阴极。因为雪崩区生成的很多次级电离均集中在阳极丝表层周边一个狭小区内，电子由生成至被阳极丝采集扫过的电压将很小，但由临近阳极丝处的正离子朝阴极运动时基本上需扫过全部电压降，故而主要是正离子运动引发了输出脉冲，电子对其贡献率低于1%。雪崩后生成的大量粒子对于电场作用下持续移动，于阳极丝上感应出单个脉冲信号。

2 仪器构成与检测方法

2.1 仪器设计和组成

将一个铝制腔体罩在正比室外部，布置一个能够实现自由拉伸的铝制抽屉，用于安放被测试样，密封圈密封处理衔接位置。后侧开设的两个孔洞，一个衔接真空泵，于腔体抽吸真空时朝向外部抽气；另一个孔和气瓶相互连接，将适量的工作气体充进腔体。采用真空压力传感器动态观测腔中气压状态，于放气侧端装设一个量程20-200 mL/min转子流量计。

测量系统构成框图见图2[3]。

图2 计数器测量系统构成框图

2.2 测量方法

先把被测的放射线α或β板源或待测试样平稳的安置于装置抽屉的中心部位，闭合抽屉使腔体实现整体密封以后，抽吸铝制腔体内的真空，当检测其压力—0.09MPa时暂停抽气操作。随后再开启进气阀，将适量P-10气体充进腔体中，当压力表返回至一个标准大气压时，暂停充气。屡次进行3～4次的抽气充气操作以后，腔体中充满气体时，同步开启进气、漏气电磁阀，促使其形成连贯的流气[4]。

在调控气体流量环节中，人工将转子流量计开到最松程度，通过整顿气瓶位置的减压阀去控制流量大小，借此方式使使腔体中气压维持在一个标准大气压。气体浓度与气流两者抵达平衡状态时，就可以进行测量及数据记录工作。

3 统计与分析测量结果

3.1 稳定时间实验

连续进行2～3次的抽气充操作以后开始进行流气工作，具体是把20s设定成一组数据进行稳定性测试[5]。统计测试结果发现，大概在第30组数据时候抵达了稳定状态。据此可以初步推断，本仪器的稳定时间大概是10min，和单纯的流气式仪器相比时间长度显著缩短，最初的美国ORDELA实验室生产的ORDELA MODEL 8600A-B型α、β计数器电离辐射时间2～3h。

3.2 测量结果

3.2.1 α、β坪曲线

实验中选用核素241Am作为α粒子2π平面标准放射源，共计有4块，表面发射率依次是 102、103、104、105量级，对应编号 1A-05、1A-02、 lA-07、1A-06。选择 3 块90Sr-90Y 与6块204TI作为β粒子标准放射源，90Sr-90Y发射率CPM分别是 103、104、105量级，编号 1A-08、1A-01、lA-03。204TI 的CPM 依次是 104、105、106量级，编号 1A-05、lA-07、1A-04。

具体测量时维持实验室温度22℃，相对湿度36%。

针对α、β粒子测量甄别阈分别选择500mV、30000mV，结合α、β坪曲线情况确定各粒子的工作电压值。

把25V设定为间隔，将工作电压控制在0～2000V范围中，通过测量α粒子平面源得到相应仪器的工作电压一计数率坪曲线，发现工作电压大概为300V时，仪器开始出现计数，于600V～1100V范围中能观察到十分显著的坪曲线，坪总长500V。工作电压间隔不变，把电压控制在700～～1700V范围时，测量α源获得仪器的坪曲线，800V左右时，仪器开始有计数出现，1200V～1600V区间能观察到明显坪曲线，坪长400V。

综合以上所得的测量结果，可以初步认为，在工作电压3kV范围中，正比计数器对α、β源出现了显著的坪曲线，室的性能优良。选择坪的中间段作为实验工作电压，降α、β粒子的工作电压分别确定为800V、1800V。

3.2.2 本底

具体是在物放射源条件下依次做连续10min的α、β本底测量操作操作，结果见表1[6]。

表1 本底激素率的测量结果

已知正比室活性测样面积是39cm×39cm=1521cm2，装置α、β工作本底分别是 0.0035min-1·cm-2、0.993min-1·cm-2。

3.2.3 探测效率

探测效率是当前业内测评装置的一个重要技术性指标，α因自身能量较高，持有较强的电离能力，在偏低的工作电压也能获得幅度较大的脉冲信号，这就意味着对这种粒子的探测相对较显著。实验研究中，装置需要区别探测α、β粒子，具体是两种不同的工作电压与甄别阈下进行。

α探测效率：直接测量不同活度的α标准平面源，所得的测量结果CPS（每秒钟计数）经校正以后和标准值做对比分析，结果见表2[7]。

表2 装置对α粒子的探测效率

比较各块平面源的探测效率结果时采用最小二乘法进行拟合，选择自变量作为标准值，分辨时间修正的仪器读数作为因变量，斜率（b）是 0.0993，截距（a）为 1.472，回归方程y=0.993x=1.472，相关系数 r 为 0.999，相关指数 R²0.999，经计算得出本装置的探测效率是99.4%。

β的探测效率：测量结果经过校正以后和标准值做对比分析，见表 3[8]。

表3 装置对β粒子的探测效率

最后测算得出装置对β粒子的探测效率达到99.9%。

3.2.4 重复性

采用6.34×104/2π·min的241Am核素平面源与2.11×104/2π·min的204TI核素复性测试，将60s作为测量周期，连续测量10次，利用单次测量的相对实验标准差表示重复性，结果见表4[9]。

表4 重复性测试结果

计算得到α、β平面源测量的重复性相对标准差均是0.3%。

4 结束语

通过参与本次测试实验，笔者发现单纯充气而不形成连续的流气的测试方法无法获得满意的测试结果，是否能一次性向装置腔体内充满气候，不再向计数器系统腔体内充气，实现不再耗能的测量操作。以上这种全新的测量方法历经长达3个月的实验研究后，尽管取得了一些成绩，但始终无法达到如流气测量方法一样理想的技术指标与精准度，通过拓展实验研究深度，希望利用多丝正比计数器测量系统提升实际测量效率。