多絲正比計數器的優化設計

唐 琳， 雷 霖， 程 皓

(成都大學 信息科學與工程學院， 四川 成都 610106)

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多絲正比計數器的優化設計

唐 琳， 雷 霖， 程 皓

(成都大學 信息科學與工程學院， 四川 成都 610106)

由于低水平放射性測量中樣品計數率非常低，使用多絲正比計數器進行α放射性測量時，本底主要由探測器內壁材料中的α放射性成分貢獻.考慮到測量系統本身的放射性干擾一直是制約測量能力的重要因素，降低測量系統本底是α輻射測量的重點.采取在傳統多絲正比室添加屏蔽絲的方法，并通過Garfield程序模擬正比室在不同參數設置下電子漂移過程得到正比室各項參數的最優解.模擬結果表明，優化后的正比室可以對不同入射方向的α粒子進行篩選，有效抑制探測器本底，從而得到最優的正比室結構設計參數.

超低本底；α計數；多絲正比計數器；Garfield

0 引 言

為了保障核工程環境的輻射安全，低本底α探測技術一直是輻射防護和電離輻射計量領域的重要研究內容[1].目前，用于α測量的探測器有正比計數器、α電離室、閃爍計數器和半導體探測器等多種.由于樣品的放射性水平很低，測量時必須把樣品制成較大面積，這就要求探測器有較大的探測面積.正比型氣體探測器是ISO國際標準中推薦的α活度探測器，其采用多絲正比室進行α粒子活度測量，具有探測面積靈活、探測效率高等特點[2].在超低本底的輻射測量中，測量系統自身本底的干擾是限制測量能力最重要的因素，這一部分本底主要由探測器內壁材料中的α放射性成分貢獻.對此，本研究設計出了一種新型的超低本底正比計數器，該計數器針對傳統計數器的室內結構作了改進優化，使得在超低本底的α輻射測量中具有更高的探測效率，可有效抑制探測器本身帶來的放射性干擾.

1 多絲正比計數器設計

1.1 傳統多絲正比計數器的結構

傳統的多絲正比計數器室內結構如圖1所示[2].

圖1中，α1為待測樣品輻射的α粒子，α2為與陽極絲平行的正比室側壁輻射的α粒子，α3為與陽極絲垂直的正比室側壁輻射的α粒子， α4為正比室腔體上蓋輻射的α粒子.所有α粒子中，僅僅只有α1為需要探測的目標粒子，α2、α3和α4都是應該被篩選掉的本底干擾.

圖1 傳統多絲正比室結構示意圖

傳統的多絲正比計數器是在夏帕克和厄斯金的理論中改進設計的，厄斯金的計算給出了一般情況下對稱結構中陽極絲附近的電荷以及電場分布圖，正比室內電場的分布是輻射狀的，室內電場遵從1/r的分布規律，這種電場分布結構的正比計數器在超低本底的α探測中，由于探測器本身的本底干擾，導致探測效率十分有限.因此，對超低本底多絲正比計數器結構優化的設計實際上就是篩選不同方向入射的α粒子，探測放射源輻射出的α粒子，屏蔽掉探測器內壁輻射的α粒子.

1.2 新型多絲正比計數器原型

本研究設計新型超低本底多絲正比計數器的目的就是希望屏蔽測量系統帶來的本底干擾，盡可能降低測量系統對α2、α3和α4的計數， 僅僅對樣品發射的α1進行計數，從而在α放射性測量中有效地抑制探測器的本底.

本研究所設計改進的多絲正比室結構如圖2所示.

1.外殼；2.樣品；3.探測絲；4.屏蔽絲；5.氣嘴；6.絲支撐；7.絕緣子

圖2 新型多絲正比室設計結構示意圖

圖2中，在靠近樣品的下層中間位置設置了3根探測絲，在陽極絲上方和左右兩側設置了屏蔽絲.與圖1相比，主要不同之處是在合適的位置添加了屏蔽絲和固定長度的絲支撐.屏蔽絲的作用是屏蔽從內壁α2和α4方向產生的電離.α3在電場的作用下被絲支撐收集.由于絲支撐直徑大，α3電離的電子不會發生雪崩效應，容易在信號幅度上被甄別.

2 Garfield模擬方法及結果

2.1 Garfield概述

Garfield最初是由歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research,CERN)研發的用于由絲以及平面構成的二維室(如漂移室、多絲正比計數器等)的一個模擬程序.經過多年的發展改進，如今Garfield模擬程序也接受二維、三維的場圖計算，這些場圖計算均由專門的有限元分析軟件，如ANSYS、Maxwell、Tosca及QuickFieldD等，計算得出.在混合氣體的計算中，Magboltz程序可直接被調用來計算混合氣體中電子漂移速度、混合氣體的湯森系數和傳輸特性[3].

2.2 Garfield模擬

本研究采用100%氬氣，在保障探測效率的前提下，為了使正比室內壁不同方向的α粒子電離產生的電子按照預設的方向漂移，通過調整探測絲、屏蔽絲的間距以及探測絲和屏蔽絲的工作電壓4項基本參數來模擬不同方向次級電子的漂移軌跡[4]，當各個方向的電子都按照預期的方向漂移時就得到了最優解，具體模擬過程如圖3所示.

圖3 Garfield模擬程序流程圖

本研究的重點是對不同參數設置下電子漂移路徑的模擬.在Garfield程序中，通過CELL SECTION構造好探測器模型、設置好各項參數之后，漂移路徑和終點位置可通過調用DRIFT-ELECTRON子程序計算得出[5-6].SIGNAL SECTION部分完成模擬區域的設置和繪圖，DRIFT部分繪制不同坐標位置的電子的運動軌跡圖.部分模擬代碼如下：

&signal

area -15 -3 -8 15 16 8 view z=0

avalanche townsend

window 1 0.001 1000

sel (abc)

area -15 -3 -8 15 16 8 view z=0

Call plot-drift-area

track 2.1 0 0 2.15 0 0…

gamma energy 150 kev single-cluster

sig

pl-sig

&field

area -15 -3 -8 15 16 8 view z=0

plot contour range 20 1000

&drift

area -15 -3 15 16

Call plot-drift-area

Call drift-electron(-14.2,0)

Call plot-drift-line

Call drift-electron(-14,0)

2.3 最優模擬結果

新型多絲正比室在Garfield模擬得到的正比室最優解設置下的次級電子漂移路徑如圖4所示.由于α粒子質量較大，電離之前α粒子在工作氣體中的運動軌跡基本保持不變，而電離之后的電子運動軌跡會受正比室電場的影響發生偏移.圖4(a)中，樣品發射的α粒子電離的電子漂移到探測絲上，被探測絲收集；圖4(b)中，與陽極絲平行的側壁發射的α粒子漂移到屏蔽絲上；圖4(c)中，與陽極絲垂直的側壁發射的α粒子漂移到絲支撐上，被絲支撐收集；圖4(d)中，腔體上蓋發射的α粒子漂移到屏蔽絲上.

圖4 用Garfield計算不同位置入射的α粒子軌跡和電子漂移軌跡

2.4 優化結果

從Garfield的模擬結果可以看出，樣品輻射的α粒子電離產生的次級電子在電場作用下發生漂移，運動方向也發生了改變，最終漂移到探測絲上被收集，經過后端電子學儀器的甄別、放大，從而讀出測量結果.而測量系統本身輻射出的α粒子，包括前面提到的α2、α3和α4，在特定的參數設置下將會按照預期的方向漂移.結果表明：新型超低本底多絲正比計數器的正比室結構在進行合理的結構設計和模擬研究后可以得到一個最優的參數設置，其中，正比室大小為300 mm×150 mm，陽極絲間隔為50 mm，屏蔽絲間隔為30 mm，陽極絲直徑為40 μm，絲支撐直徑為10 mm，探測絲和屏蔽絲分別加800 V正高壓.優化后的正比室幾何結構及各項參數如圖5所示.

圖5 優化后的正比室幾何結構圖

3 結 論

在模擬得到的最優參數配置下屏蔽絲和絲支撐可以對內壁不同方向輻射出的α粒子進行篩選，從而達到降低測量本底干擾的目的，大幅度改善了傳統的多絲正比計數器在低本底輻射測量中存在的探測效率低的問題，在超低本底α輻射測量領域具有現實的意義.

[1]王小胡，陳孝強.InfluenceofworkinggaspropertiesonMWPCanodewiremodulationeffect[J].Chin Phys C,2015,39(10):82-86.

[2]任家富,林業，徐一鶴，等.多絲正比技術器的技術改造[J].核電子學與探測技術,2012,32(11):1317-1319.

[3]Veenhof R.&GAS[EB/OL].[2016-06-30].http://garfield.web.cern.ch/garfield/help/garfield-31.html # Ref0340.

[4]林業，方方，任家富，等.AmeasurementsystemforalphaandbetasurfaceemissionrateusingMWPC[J].Chin Phys C,2015,39(5):60-63.

[5]Wang X,Wei T,Long J,et al.SimulationandoptimizationofadoubleTHGEMdetector[J].Nucl Sci Techn,2013,24(1):17-21.

[6]姜志剛,王和義，袁永剛，等.基于Benjamin結構的球形組織等效正比計數器氣體放大倍數的模擬與實驗研究[J].核技術，2015,38(8):11-16.

Optimization Design of Multi-wire Proportional Counter

TANGLin,LEILin,CHENGHao

(School of Information Science and Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

In low-level radioactive measuring, the sample counting rate is pretty low.When multi-wire proportional counter is used to measure alpha radioactivity,the background is mainly contributed by the alpha radioactive materials in the inner wall of detector.The radioactive interference of the measurement system itself is a major factor that limits the detection performance,and thus the focus of the alpha radiation measurement is on reducing the measurement system’s background.The paper adopts the design by adding shielding wires to the traditional multi-wire proportional chamber.Based on the Garfield program,the paper simulates the electron drift process of the proportional chamber under different parameter settings to get the optimal solutions to each parameter of the proportional chamber.The simulation results show that the optimal proportional chamber can filter alpha particles from different incidence directions,effectively inhibit detector background and obtain the best proportional chamber structure design parameter.

ultra-low background;alpha counting;multi-wire proportional counter;Garfield

1004-5422(2017)02-0195-04

2017-03-15.

四川省教育廳自然科學基金(15ZA0357、 16ZB0435)、 成都市科技局科研課題(2015-HM01-00399-SF)資助項目.

唐 琳(1988 — )， 女， 博士， 實驗師， 從事氣體探測器設計相關技術研究.

TL811+.2

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