測氡火花計數器的研制

過惠平 王洪超 徐智林 張 磊

（第二炮兵工程學院102教研室 西安 710025）

環境氡的測量方法可分為兩大類[1]：一類為瞬時監測法，如雙濾膜法、閃爍法、氣球法、活性炭吸附解析法等；另一類為累積監測法，如活性碳能譜法、固體徑跡法、熱釋光法等。在估算空氣中氡及子體對人群的輻射劑量時，通常須測量空氣中氡及子體的平均濃度，這就得進行氡的累積測量。目前公認的最佳累積測量方法是固體徑跡法[2,3]。然而，為讀出探測器薄膜上的徑跡信息，須對其蝕刻再用光學顯微鏡觀測[4]，費時費力，效率低下。上世紀80年代發展的固體核徑跡的圖像分析系統[5]，其顯微閱讀器價格較昂貴，不利于推廣。

火花計數器原理是：a粒子等照射過的固體徑跡探測器片(聚酯膜)經化學蝕刻后出現孔狀徑跡，將此徑跡片放在鍍鋁膜電極和不銹鋼中心電極間并加高壓，蝕刻徑跡孔處將依次發生火花放電，用電子學線路記錄放電脈沖，便可對固體徑跡自動計數，此法結構簡單、操作方便、計數迅速、價格適宜。

1 結構設計

火花計數器主要由高壓、成形電路、電極和計數部分組成。

1.1 高壓及計數部分

該高壓部分為NIM機箱的高壓電源(FH1016A型)，該插件提供 kV以下的正或負極性的穩定的直流電壓。計數部分采用BH1-FH463B型智能定標器進行計數。

1.2 成形電路部分

火花計數器的成形電路多采用圖1所示的4種形式[6–9]。比較這四種電路，圖1(a)成形電路的鍍鋁膜電極需直徑d較大的放電圓孔，這不利于提高火花計數器徑跡密度測量上限。火花脈沖電量Q=0.5CtV2，其中Ct是整個電路的電容，V是放電電壓。Ct大，則Q大，故d也相應變大。圖1(b)中的微分電容與電極電容呈并聯關系，不利于降低整個電路的電容。圖1(c)需一個大的負載電阻R0去限制放電電流，否則易引起多次放電，增加假計數；且由于鍍鋁膜電極為負，放電氧化產生的鋁屑容易填充徑跡孔，影響火花計數器的正常計數。本文火花計數器采用圖1(d)所示的電路，它能克服上述弊端，電路更加穩定。

圖1 四種成形電路Fig.1 Four types of shaping circuit.

1.3 電極部分

該火花計數器裝置如圖2所示，中心電極直徑30 mm，環電極的內徑40 mm、外徑50mm；中心電極和環電極均采用不銹鋼材料制成，表面拋光(13級拋光度)；中心電極與環電極間用絕緣木相隔，絕緣木可耐千伏以上高壓；用木質材料做箱體，箱體尺寸20 cm′20 cm′15 cm，箱體上表面扣圓柱形槽體，用螺栓將電極固定在箱體槽內；在箱體表面加緩沖墊，用于支撐有機玻璃板，保證有機玻璃板能平整地壓在鍍鋁膜上。探測膜與中心電極平面接觸，要求探測膜直徑介于中心電極直徑和環電極內徑。探測膜上覆蓋鍍鋁膜，其上覆蓋有機玻璃板，再置放適當重物以確保探測膜與鍍鋁膜平整接觸，以免放電時的電壓瞬時變化導致鍍鋁膜電極產生振動而影響火花計數器計數的準確性。

圖2 火花計數器裝置Fig.2 Schematics of the spark counter device.

2 火花計數器性能試驗

2.1 重物重量對計數的影響

將鍍鋁膜壓緊的壓力大小會導致電極電容的變化，從而導致火花計數器的坪曲線變化[10]。為此，重物試驗采用2、4、6、7、8和10 kg的重物。取6組聚酯膜，每50片/組，在19°C、70%濕度、氡濃度為1800 Bq/m3的氡室內照射36 h(如無特別說明，下文的氡室照射條件均同此處)。每組聚酯膜對應一定質量的重物進行計數，每片計數5次，取平均值，結果如圖3所示。圖中數據點為該電壓下50片聚酯膜計數的平均計數，平均誤差≤8%。

由圖3，火花計數器從電壓350 V開始有計數，計數隨電壓升高。2 kg壓力下，500–700 V出現坪；700 V后計數明顯變高，雜放電現象較為明顯。4 kg壓力下，400 V后出現計數坪，坪長約300 V。6 kg時，坪長約為400 V，且計數相對穩定。與6 kg壓力相比，7–10 kg的火花計數略高，但坪長基本相同。綜上所述，本火花計數器選擇6 kg的重物較為合適。

圖3 重物質量對計數的影響Fig.3 Spark counts under different pressures.

2.2 電極表面拋光程度對計數的影響

火花計數器的電極是關鍵部件，其表面拋光程度影響著火花計數器計數的準確性[11]。用現代拋光技術對兩個條件相同的電極拋光至6級和13級拋光度，用于火花計數器，對兩組50片聚酯膜進行氡室照射和讀數，結果如圖4 所示，電極表面拋光程度13級的坪特性曲線據優。從兩種拋光度下獲得的火花計數平均值的相對誤差也有顯著差異：電極表面拋光度為6級時的最大相對誤差達16.7%，而拋光度為13級的最大相對誤差為7.2%。電極表面滑則產生電場的均勻性好，使火花計數更穩定，避免了局部電壓過高引起的重復計數，又減少了尖端放電現象。

圖4 電極表面光滑程度對計數的影響對比Fig.4 Spark counts using the central electrode polished differently.

2.3 聚酯膜蝕刻面積大小對計數的影響

本文所用火花計數器中心電極直徑De=30 mm。選用兩組50片/組聚酯膜作氡室照射，蝕刻時，第一組蝕刻徑跡區直徑Dt=32 mm；第一組蝕徑跡區直徑Dt=27mm。進行火花計數器讀數，取平均值，它們的坪特性曲線如圖5所示。DtDe時，坪長較長、坪斜較小，坪特性好于Dt>De時。同時，Dt>De時鍍鋁膜邊緣產生的火花孔遠多于DtDe時。這是受中心電極邊緣電場非均勻性的影響，電極邊緣的電場略高于中間的電場[9]，電極邊緣電場隨著電壓增大，電壓升至800V時Dt>De的電極邊緣發生多次火花放電，計數重復性增強，導致邊緣區分布著密集的火花孔。而DtDe，可避免這種效應。而且電極邊緣做成圓弧形也有利于減少這種效應。

圖5 不同的蝕刻區直徑對計數的影響對比Fig.5 Spark counts of polyester film trackers with an etching diameter of Dt=27 or Dt=32 mm.

2.4 清掃電壓的確定以及其對計數的影響

火花計數器工作時，在對未做過火花計數的聚酯膜進行火花計數前，應在較高電壓下進行火花放電沖擊，對聚酯膜上已穿透和鄰近穿透的蝕刻徑跡孔進行清掃，這樣的高壓稱為清掃電壓。沖擊電壓的大小和沖擊次數與聚酯膜厚度和蝕刻條件有關[10]，為確定本文所用聚酯膜的清掃電壓，用1000 V、1200 V和1400 V清掃電壓對三組50片/組聚酯膜進行電壓清掃、氡室照射、蝕刻、計數，結果見圖6。在1200 V或1400 V的電壓沖擊一次所得計數基本達到可重復的程度，效果好于在1000 V電壓沖擊；效果相近，選用較小的電壓，故清掃電壓為1200 V。圖7是聚酯膜在1200 V的清掃電壓下，沖擊1次、2次、5次以及沖擊多次得到計數與電壓的關系，可見在該蝕刻條件下聚酯膜經5次1200 V電壓沖擊，計數可達到可重復的程度。

圖6 不同的清掃電壓下得到的火花計數Fig.6 Spark counts of polyester films under different sweeping voltages.

圖7 高壓沖擊后電壓與計數關系Fig.7 Spark counts of polyester films after different times of sweeping under 1200 V.

3 結束語

通過對火花計數器研制及性能試驗分析，得出本火花計數器的特點是高壓持續穩定，電路設計更加合理，電極部分更加適合火花計數器準確計數需要；而且為了更準確的得到聚酯膜固體徑跡探測器上徑跡的信息，本火花計數器最佳工作條件應包含：

(1) 重物重量為6 kg；

(2) 聚酯膜徑跡探測器在最佳條件下蝕刻；

(3) 聚酯膜蝕刻面積稍小于中心電極表面積；

(4) 正式計數前，在1200 V的清掃電壓下清掃5–10次；

1 吳慧山, 林玉飛, 白云生, 等. 氡測量方法與應用[M].北京: 原子能出版社, 1995 WU Huishan, LIN Yufei, BAI Yunsheng,et al. Radon measurement methods and applications. Beijing: Atomic Energy Press, 1995

2 張智慧. 空氣中氡及其子體的測量方法[M]. 北京: 原子能出版社, 1994 ZHANG Zhihui. Radon and its daughters in air measurement method[M]. Beijing: Atomic Energy Press,199

3 Roller. A comparison of the precision of continuous methods of measuring radon/thoron and decay product concentrations in air[J]. Natural radiation environment,2002

4 許偉, 李天柁, 馬文彥, 等. 固體徑跡探測器最佳蝕刻條件選擇[C]. 昆明: 全國第十二屆核電子學與核探測技術學術年會論文集, 2007: 119–121 XU Wei, LI Tiantuo, MA Wenyan.et al. The best etching condition choosing of the SSNTD[C]. Proceedings of the 12th National Conference on Nuclear Electronics &Nuclear Detection Technology, 2007:119–121

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9 陳凌. 5種固體徑跡氡探測器某些性能的比較以及火花計數器的改進[J]. 原子能科學技術, 1993, 27(1):67–69 CHEN Ling. The performance comparison of five kinds of solid state nuclear track detector for radon and the development of spark counter[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1993, 27(1):67–69

10 李煥鐵, 謝云瑞, 謝建倫. 火花計數器[J]. 原子能科學技術, 1981, 166–174 LI Huantie, XIE Yunduan, XIE Jianlun. The spark counter[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1981,166–174

11 陳凌, 張懷欽, 朱天成. 固體徑跡探測器和火花計數器在氡監測上的應用[J], 核技術, 1991, 14(7): 406-409 CHEN Ling, ZHANG Huaiqin, ZHU Tiancheng.Application of the SSNTDs and spark counters in radon monitoring[J]. Nuclear Techniques, 1991, 14(7): 406–409