快充式多絲正比計數器測量儀器和方法分析

王鵬

（江蘇省計量科學研究院，江蘇南京，210046）

0 引言

α、β粒子是放射性活度測量的參照標準，為確保其量值的精準性，需要定時測量α、β標準平面源，也可以將其作為放射源。多絲正比計數器是當下測量α、β平面源的主要裝置，每執行一次測量操作就需將大量的工作氣體填充至多絲正比室內，因為腔體偏大，充氣操作會耗用大量時間，也會使用很多工作氣體，需投入大量時間、資金成本[1]。鑒于以上情況，建議將一個堅固的密閉式腔體設置在多絲正比室之外，在腔體快速抽成真空以后再充進氣體，短時間內快速增加腔體中反應氣體濃度，節約氣體資源及縮短測量時間。

1 多絲正比計數器的工作原理

1.1 電場分布

宏觀上，多絲正比室的電場是以陽極絲為中心呈輻射樣分布的，遵照1/r的變化規律。

Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6代表的是陽極絲的垂直面，不同陽極絲之間的距離是S，陽極絲直徑d，陽極平面至兩個陰極平面的距離用L′表示，通常有L=L′。

厄斯金既往研究了和多絲正比室相關的靜電問題，重點分析了正比室內電場分布情況，陰、陽極之間的電壓為V0，單位絲長度上的電容為C；ε0是室內工作氣體的介電常數，r為某點位至陽極絲的距離，x，y是點至陽極是的x，y向坐標差。

圖1 多絲正比室的幾何參數

如果y<

y>>S時，有：

1.2 脈沖的放大與建立

依照到陽極絲的距離，正比室的室內靜電場的分布大體可以分成恒定電場漂移區、變化電場漂移區、雪崩及空間電荷區。當生成次級電離后，電子向陽極絲運動，正離子漂移至陰極。因為雪崩區生成的很多次級電離均集中在陽極絲表層周邊一個狹小區內，電子由生成至被陽極絲采集掃過的電壓將很小，但由臨近陽極絲處的正離子朝陰極運動時基本上需掃過全部電壓降，故而主要是正離子運動引發了輸出脈沖，電子對其貢獻率低于1%。雪崩后生成的大量粒子對于電場作用下持續移動，于陽極絲上感應出單個脈沖信號。

2 儀器構成與檢測方法

2.1 儀器設計和組成

將一個鋁制腔體罩在正比室外部，布置一個能夠實現自由拉伸的鋁制抽屜，用于安放被測試樣，密封圈密封處理銜接位置。后側開設的兩個孔洞，一個銜接真空泵，于腔體抽吸真空時朝向外部抽氣；另一個孔和氣瓶相互連接，將適量的工作氣體充進腔體。采用真空壓力傳感器動態觀測腔中氣壓狀態，于放氣側端裝設一個量程20-200 mL/min轉子流量計。

測量系統構成框圖見圖2[3]。

圖2 計數器測量系統構成框圖

2.2 測量方法

先把被測的放射線α或β板源或待測試樣平穩的安置于裝置抽屜的中心部位，閉合抽屜使腔體實現整體密封以后，抽吸鋁制腔體內的真空，當檢測其壓力—0.09MPa時暫停抽氣操作。隨后再開啟進氣閥，將適量P-10氣體充進腔體中，當壓力表返回至一個標準大氣壓時，暫停充氣。屢次進行3～4次的抽氣充氣操作以后，腔體中充滿氣體時，同步開啟進氣、漏氣電磁閥，促使其形成連貫的流氣[4]。

在調控氣體流量環節中，人工將轉子流量計開到最松程度，通過整頓氣瓶位置的減壓閥去控制流量大小，借此方式使使腔體中氣壓維持在一個標準大氣壓。氣體濃度與氣流兩者抵達平衡狀態時，就可以進行測量及數據記錄工作。

3 統計與分析測量結果

3.1 穩定時間實驗

連續進行2～3次的抽氣充操作以后開始進行流氣工作，具體是把20s設定成一組數據進行穩定性測試[5]。統計測試結果發現，大概在第30組數據時候抵達了穩定狀態。據此可以初步推斷，本儀器的穩定時間大概是10min，和單純的流氣式儀器相比時間長度顯著縮短，最初的美國ORDELA實驗室生產的ORDELA MODEL 8600A-B型α、β計數器電離輻射時間2～3h。

3.2 測量結果

3.2.1 α、β坪曲線

實驗中選用核素241Am作為α粒子2π平面標準放射源，共計有4塊，表面發射率依次是 102、103、104、105量級，對應編號 1A-05、1A-02、 lA-07、1A-06。選擇 3 塊90Sr-90Y 與6塊204TI作為β粒子標準放射源，90Sr-90Y發射率CPM分別是 103、104、105量級，編號 1A-08、1A-01、lA-03。204TI 的CPM 依次是 104、105、106量級，編號 1A-05、lA-07、1A-04。

具體測量時維持實驗室溫度22℃，相對濕度36%。

針對α、β粒子測量甄別閾分別選擇500mV、30000mV，結合α、β坪曲線情況確定各粒子的工作電壓值。

把25V設定為間隔，將工作電壓控制在0～2000V范圍中，通過測量α粒子平面源得到相應儀器的工作電壓一計數率坪曲線，發現工作電壓大概為300V時，儀器開始出現計數，于600V～1100V范圍中能觀察到十分顯著的坪曲線，坪總長500V。工作電壓間隔不變，把電壓控制在700～～1700V范圍時，測量α源獲得儀器的坪曲線，800V左右時，儀器開始有計數出現，1200V～1600V區間能觀察到明顯坪曲線，坪長400V。

綜合以上所得的測量結果，可以初步認為，在工作電壓3kV范圍中，正比計數器對α、β源出現了顯著的坪曲線，室的性能優良。選擇坪的中間段作為實驗工作電壓，降α、β粒子的工作電壓分別確定為800V、1800V。

3.2.2 本底

具體是在物放射源條件下依次做連續10min的α、β本底測量操作操作，結果見表1[6]。

表1 本底激素率的測量結果

已知正比室活性測樣面積是39cm×39cm=1521cm2，裝置α、β工作本底分別是 0.0035min-1·cm-2、0.993min-1·cm-2。

3.2.3 探測效率

探測效率是當前業內測評裝置的一個重要技術性指標，α因自身能量較高，持有較強的電離能力，在偏低的工作電壓也能獲得幅度較大的脈沖信號，這就意味著對這種粒子的探測相對較顯著。實驗研究中，裝置需要區別探測α、β粒子，具體是兩種不同的工作電壓與甄別閾下進行。

α探測效率：直接測量不同活度的α標準平面源，所得的測量結果CPS（每秒鐘計數）經校正以后和標準值做對比分析，結果見表2[7]。

表2 裝置對α粒子的探測效率

比較各塊平面源的探測效率結果時采用最小二乘法進行擬合，選擇自變量作為標準值，分辨時間修正的儀器讀數作為因變量，斜率（b）是 0.0993，截距（a）為 1.472，回歸方程y=0.993x=1.472，相關系數 r 為 0.999，相關指數 R20.999，經計算得出本裝置的探測效率是99.4%。

β的探測效率：測量結果經過校正以后和標準值做對比分析，見表 3[8]。

表3 裝置對β粒子的探測效率

最后測算得出裝置對β粒子的探測效率達到99.9%。

3.2.4 重復性

采用6.34×104/2π·min的241Am核素平面源與2.11×104/2π·min的204TI核素復性測試，將60s作為測量周期，連續測量10次，利用單次測量的相對實驗標準差表示重復性，結果見表4[9]。

表4 重復性測試結果

計算得到α、β平面源測量的重復性相對標準差均是0.3%。

4 結束語

通過參與本次測試實驗，筆者發現單純充氣而不形成連續的流氣的測試方法無法獲得滿意的測試結果，是否能一次性向裝置腔體內充滿氣候，不再向計數器系統腔體內充氣，實現不再耗能的測量操作。以上這種全新的測量方法歷經長達3個月的實驗研究后，盡管取得了一些成績，但始終無法達到如流氣測量方法一樣理想的技術指標與精準度，通過拓展實驗研究深度，希望利用多絲正比計數器測量系統提升實際測量效率。