采用多丝正比室读出的屏栅电离室能量分辨研究

尹小豪,魏向伦,黄鑫杰,邹海川,邱天力,何周波,杨远胜,李志杰,李 蒙,马 朋,杨贺润,*,鲁辰桂,胡荣江,段利敏

(1.中国科学院 近代物理研究所,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院大学 核科学与技术学院,北京 100049;3.兰州大学 核科学与技术学院,甘肃 兰州 730000)

屏栅电离室[1]由于结构简单、能量分辨高、抗辐射等特点,广泛应用于带电粒子的鉴别[2-6]与动能的精确测定[7-9]等核物理实验中。截止目前的研究表明,屏栅电离室对α粒子的能量分辨率普遍在1%～2%之间[2,10],最佳可达0.8%左右[11]。常规的屏栅电离室采用阳极直接收集穿过栅极的电子产生的感应信号,不带有放大功能,因此要得到好的能量分辨,需要被测粒子在探测器漂移区内产生足够多的电离电子,因而适合于中低能或高电荷数带电粒子的能量测量。另外由于可供阳极收集信号的总电荷量较低,阳极一般只采用具有较大面积的简单构型。为了拓展屏栅电离室的应用范围,同时保留其高能量分辨率的优点,本文在屏栅电离室的基础上进行改进,将多丝正比室加入到信号读出端,通过电子在阳极丝附近的雪崩放大,提升信号幅度,提高信噪比,改善探测器的能量分辨率,以期实现对能量沉积较低粒子的精确测量。本文给出探测器结构和采用α放射源对探测器的详细测试结果,并对实验结果进行分析。

1 实验装置及测试原理

1.1 探测器构造

探测器结构示意图如图1所示,探测器由漂移区和放大区组成。漂移区由阴极、场笼与栅极组成,其中场笼通过4块PCB板组装而成,每块PCB板上蚀刻有间距周期2 mm、宽度1.2 mm的平行铜条,采用双层结构,以保证漂移区电场的均匀性,降低边缘处电场畸变。栅极由50 μm的镀金钨丝制成,丝间距500 μm;漂移区尺寸为150 mm×150 mm×110 mm。在放大区中,阳极位于栅极与地电极正中,距离均为4 mm。阳极采用15 μm的镀金钨丝,丝间距为2 mm。此外,还测试了直径20 μm和50 μm的镀金钨丝制成的阳极。在阴极板正中10 mm×10 mm区域,开有50个直径为0.5 mm的小孔阵列,在测试中α源固定于阴极板上,通过中心小孔阵列准直入射到探测器中。小孔阵列可以将α粒子入射角度限制到±15°,确保α粒子的能量全部沉积在探测器灵敏区内,同时也保证有较高的计数率。

图1 探测器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of detector

1.2 测试条件

探测器固定在靶室盖板上,不锈钢靶室作为探测器的外壳提供气体密封及良好的电磁屏蔽。靶室抽真空后,将工作气体直接充入靶室中。探测器使用的工作气体为P10(90%Ar+10%CH4),在常压(兰州气压约850 mbar)及较低气压下对探测器性能进行测试。常压测试时探测器工作在流气模式下。低气压测试时采用闭气模式,0.5 h左右换一次气,以避免由于工作气体逐渐老化而导致输出脉冲信号的幅度发生变化,影响测试结果。为减小探测器到前置放大器的引线电容,将前置放大器置于靶室内部以缩短引线长度。

探测器的栅极和地电极处于零电位。阴极通过一个RC滤波电路与负高压相连。阳极的正电位由ORTEC前置放大器(142PC)的偏压端直接提供。根据本课题组之前对屏栅电离室结构与工作特性的研究[11-12]得知,对于丝径50 μm、间距500 μm的栅极,电场比Et/Ed>2.2时,电子穿过栅极的概率可达到100%,其中Ed和Et分别为漂移区场强和放大区场强,在测试中,这个条件均可满足。P10气体在约化场强(E/P)为130 V/(cm·bar)左右时对应的电子漂移速度最快,有利于信号完整收集,因此固定漂移区的约化场强为130 V/(cm·bar)。测试时阳极电压(Va)从300 V逐步升高,记录探测器能量分辨率和增益的变化。

实验中阳极输出信号经电荷灵敏前置放大器(142PC,ORTEC)后送入主放大器(572A,ORTEC)成形放大,成形时间设置为2 μs;最后由多道分析器(ASPEC-927,ORTEC)采集信号。

2 结果及分析

为研究该探测器的性能,在实验室条件下使用241Am α源测试不同情况下探测器的增益及能量分辨率与阳极电压的关系。

2.1 不同气压测试

在600 mbar、700 mbar及常压(850 mbar)下,阳极丝直径φ15 μm,使用241Am α源(5.486 MeV)详细测试探测器的增益和能量分辨率随阳极电压的变化关系,结果如图2所示。影响探测器能量分辨率的因素主要有脉冲读出电路的电子学噪声、电离过程的统计涨落等。对于低能带电粒子,电子学噪声是限制探测器能量分辨率的主要因素,详细的讨论可参考文献[13-16]。根据这些影响和贡献,理想情况下屏栅电离室的相对能量分辨率可表示为:

a——15 μm阳极丝的探测器在3种气压下的测试结果;b——常压(850 mbar)下的最佳能量分辨率(1.45%,Va=780 V);c——700 mbar下的最佳能量分辨率(1.45%,Va=770 V);d——600 mbar下的最佳能量分辨率(1.47%,Va=680 V)图2 3种气压下α粒子的能量分辨率及探测器增益随阳极电压的变化关系及对应的最佳能量分辨率谱Fig.2 Energy resolution of α particle at three air pressures and variation of detector gain with anode voltage, and corresponding best energy resolution spectrum

(1)

其中:σgas为电离过程的统计涨落;σel为电子学噪声;npg为通过栅极的电子数。而对于在倍增模式下工作的探测器,还需考虑其增益波动带来的影响。本文中的探测器的相对能量分辨率[14]可表示为:

(2)

其中:M为探测器的增益(M=N/N0,N为最后总的电子数,N0为入射粒子原初电离产生的电子数);σmult为探测器增益的波动。

由于栅极的屏蔽作用,漂移区与放大区的电场互不影响,因此雪崩放大产生的电子离子不会对漂移区产生影响。测试中电子学噪声的大小可认为是恒定的,当探测器的增益M变大时,电子学噪声的影响将越来越小。结合式(1)、(2)可知,若满足式(3),则可实现能量分辨率的提高。

(3)

从图2a可看出,在阳极电压Va较低时,探测器工作在电离区或增益M较低的区域,这种情况下阳极信号主要源于穿过栅极的原始电离电子的贡献,探测器的能量分辨率可用式(1)计算,但可看到,此时探测器分辨率比常规屏栅电离室差。可能的原因为:1) 阳极电子感应信号npg收集不完整,地电极也会接收部分电子感应信号;2) 栅极的屏蔽失效因子较大,阳极信号幅度与漂移区原始电离电子产生位置有弱关联。随着阳极电压增加,增益M变大,原始电离电子的贡献降低,电子倍增后产生的电子-正离子的贡献变大,信噪比提高,探测器的能量分辨率变好。当探测器增益M在3～8之间时,探测器对α粒子的能量分辨率进入到最佳区域,3种气压下,均达到1.4%～1.6%。电压进一步增加后,空间电荷效应使得增益波动σmult快速增加,导致探测器的能量分辨率逐渐变差。由于α粒子的初始电离密度较大,倍增后产生的电子被阳极丝快速收集,而大量的正离子漂移速度慢,聚集在阳极丝附近,影响放大区的电场,使得M的一致性变差,因而σmult快速增大。

2.2 不同入射能量测试

通过在放射源表面覆盖Mylar膜降低α粒子能量,测试φ15 μm阳极丝的探测器的性能。由LISE++计算可知,5.486 MeV的α粒子在穿过13 μm的Mylar后剩余的能量为3.88 MeV,穿过25 μm的Mylar膜后剩余能量为1.88 MeV。图3为降能后的α粒子能量分辨率和增益随阳极电压的变化关系,探测器工作在常压下。

由于α粒子在穿过Mylar膜降能时存在一定的能量岐离现象,导致图3中的能量分辨率整体变差,特别对使用25 μm Mylar膜的情况,但能量分辨率随电压的变化趋势仍然清晰。通过与图2a中的测试结果对比可看出,两者的能量分辨率随电压的变化趋势基本一致,但最佳能量分辨率对应的工作电压依次有所提升。主要原因是降能后的α粒子在探测器漂移区电离产生的原初电子数减少,在相同的电压下,电子倍增导致的空间电荷效应对电场的影响更小,电子倍增波动σmult大幅降低。因此探测器的最佳能量分辨率延伸至阳极电压更高的区域。对于图3a中3.88 MeV的α粒子,探测器增益在8～18之间时能量分辨率较好;对于图3b中1.88 MeV的α粒子,探测器增益在15～40之间时能量分辨率较好。

2.3 不同阳极丝径测试

为研究不同丝径的阳极对探测器性能的影响,常压下分别对直径为15、20和50 μm的阳极进行测试,结果如图4所示,15 μm丝径时的最佳分辨率能谱见图2b。三者的能量分辨率与增益随阳极电压的变化趋势一致,增益在3～8之间时,探测器对α粒子具有最佳的能量分辨率。超出这个区域后,不论M增大或减小,α粒子能谱均会展宽,分辨率变差,这一趋势与图2a完全相同。

a——常压下3种阳极丝径的探测器能量分辨率和增益与Va的关系;b——20 μm阳极丝径时最佳能量分辨率能谱(1.45%,Va=900 V);c——50 μm阳极丝径时最佳能量分辨率能谱(2.02%,Va=1 100 V)图4 3种阳极丝径下α粒子能量分辨率与探测器增益随电压的变化关系及对应的最佳能量分辨率谱Fig.4 Variation of α particle energy resolution versus detector gain with voltage for three anode wire diameters, and corresponding optimal energy resolution spectrum

由图4b、c和图2b可看到,15 μm、20 μm丝径对应最佳能量分辨率均为1.45%,50 μm丝径的为2.0%。造成这一差异的原因为:越细的丝产生的信号在时间尺度上越集中,这有利于电荷灵敏放大器对信号的收集。电子在阳极丝附近雪崩倍增产生自由电子与正离子对,电子在约1 μs时间内被快速收集;阳离子漂移速度慢,在阳极丝上产生的感应信号会持续约百μs。由于雪崩电子漂移路径非常短,对信号的贡献较小,阳极丝上的信号主要由正离子漂移所贡献。常规电荷灵敏放大器只对约μs量级的信号有响应,信号更慢的部分只会影响信号下降沿,而对峰高不会有影响。越细的丝产生的电场越不均匀,丝附近的电场越高,远离丝时电场下降的速度也越快,与此相应,正离子远离阳极丝时,初期产生的感应信号也越强,放大器对信号的收集效率也越高。探测器的增益波动σmult与放大器收集效率应当是反关联,较高的收集效率对应较小的σmult。

3 结论

本文阐述了一个基于多丝正比室读出的屏栅电离室气体探测器。使用α源详细测试了探测器在不同气压、沉积能量、阳极丝径时,能量分辨率与增益随阳极电压的变化情况。在本次测试中,5.486 MeV的α粒子的能量分辨率最佳可达到1.45%左右。探测器的最佳工作电压与入射粒子在漂移区中沉积的能量有关,能量沉积越小,对应的最佳工作电压越高,即探测器的增益越大。不同阳极丝径的测试结果显示,较细的阳极丝可达到更好的能量分辨。因此在实际的物理实验中,应根据所测粒子的能量区间设置探测器的工作电压,使其增益在合适的范围内,以达到更好的能量分辨率,满足粒子的探测需求。

虽然目前的测试结果表明该探测器对α粒子(5.486 MeV)的能量分辨率与屏栅电离室相当,但我们认为对于能量沉积较低的粒子该探测器的性能会更好。具体效果有待进一步的实验验证。目前的测试有所不足,后续会使用较低能(数百keV)带电粒子进行详细测试。