α、β表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

常鐘澤+洪永俠+高艷艷

摘要：結(jié)合α、β平面源檢定發(fā)展要求，本工作采用最新測(cè)量技術(shù)對(duì)α、β表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了改造，包括探測(cè)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、二次儀表更新、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件重新編制等，并對(duì)改造后裝置各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，改造后裝置的技術(shù)性能明顯優(yōu)于改造前。

關(guān)鍵詞：α、β表面發(fā)射率；2π多絲正比計(jì)數(shù)器；標(biāo)準(zhǔn)裝置

1、概述

α、β表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置主要用于測(cè)量大面積α或β平面源的表面發(fā)射率，主標(biāo)準(zhǔn)器為2π多絲正比計(jì)數(shù)器，該類計(jì)數(shù)器于上世紀(jì)六十年代發(fā)展起來(lái)，具有空間和時(shí)間分辨率好、探測(cè)效率高、面積大、可在強(qiáng)磁場(chǎng)中工作等優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)室的α、β表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置于上世紀(jì)八十年代投入使用，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，存在密封性能差、本底高等缺點(diǎn)；且老化嚴(yán)重，“5.12”地震后癱瘓，無(wú)法進(jìn)行量值傳遞。

為使該標(biāo)準(zhǔn)裝置盡早恢復(fù)，并滿足α、β平面源檢定的發(fā)展需求及JJG478-96《α、β和γ表面污染儀檢定規(guī)程》和JJG（核工）011-91《用2π多絲正比計(jì)數(shù)器測(cè)定α、β平面源發(fā)射率》等要求，采用最新測(cè)量技術(shù)優(yōu)化了探測(cè)器設(shè)計(jì)、二次儀表?yè)Q代及完善六路計(jì)數(shù)系統(tǒng)，并測(cè)試了改造后的各項(xiàng)性能。

2、裝置組成與工作原理

2.1裝置組成

α、β表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置由2π多絲正比計(jì)數(shù)器、二次儀表、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、239Pu系列平面源、90Sr-90Y系列平面源組成。其中二次儀表組件包括前置放大器、主放大器、單道分析器、門產(chǎn)生器、六路計(jì)數(shù)器、插件電源、高、低壓電源等。

2.2 工作原理

陽(yáng)極絲是由平行、等距離的金屬絲組成，固定在絕緣框架上，并安裝在兩陰極平面之間。腔內(nèi)通以工作氣體（高純甲烷），兩側(cè)有進(jìn)、出氣口。工作時(shí)陽(yáng)極絲和陰極之間加直流高壓，平面源發(fā)射的α或β帶電粒子使腔內(nèi)工作氣體電離，產(chǎn)生正離子和電子，電子在電場(chǎng)中加速產(chǎn)生次級(jí)電子、最后形成雪崩放電，形成脈沖，經(jīng)放大后由二次儀表記錄，最終得到其表面發(fā)射率。

3、改造內(nèi)容

3.1探測(cè)器

針對(duì)探測(cè)器原設(shè)計(jì)有密封性、導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，且原托盤較粗糙，重新設(shè)計(jì)并改造了探測(cè)器

3.2二次儀表

原二次插件老化嚴(yán)重，無(wú)法也無(wú)必要維修。本次選用ORTEC公司最新的標(biāo)準(zhǔn)插件：前置放大器型號(hào)為142IH，主放大器型號(hào)為575A，單道分析器型號(hào)為552。

3.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，原數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的不足突顯，如測(cè)量數(shù)據(jù)不能清除、定時(shí)失效、測(cè)量數(shù)據(jù)容易丟失等。為此，本次更換了六路計(jì)數(shù)器并重新編制了軟件程序。

4、裝置性能測(cè)試

4.1坪曲線

坪曲線是衡量計(jì)數(shù)管性能的重要標(biāo)志。其主要參數(shù)有坪斜和坪長(zhǎng)等。一般，坪長(zhǎng)越長(zhǎng)、坪斜越小，則探測(cè)器性能越好。

本次用編號(hào)為06-010、活性區(qū)面積為140cm2的β平面源測(cè)定坪特性。坪曲線坪長(zhǎng)達(dá)到400V，優(yōu)于改造前的300V；坪斜為0.5%/100V，優(yōu)于改造前的1%/100V。

4.2 儀器本底

放射性測(cè)量裝置均有本底計(jì)數(shù)，直接測(cè)量下限能力，測(cè)量時(shí)一般要扣除本底，改造后分別對(duì)裝置的α和β本底進(jìn)行了測(cè)定。改造后α本底為3.7min-1，優(yōu)于改造前的9.0min-1；改造后β本底為294min-1，優(yōu)于改造前的370min-1。說(shuō)明裝置α、β本底性能比改造前有較大提升。

4.3小能量損失修正系數(shù)

電子儀器本身噪聲和一些電磁干擾使得樣品測(cè)量計(jì)數(shù)增加，需設(shè)置一定閾值消除這些干擾，但同時(shí)也會(huì)損失一些小能量信號(hào)，因此需進(jìn)行小能量損失修正。本次采用甄別閾外推法分別測(cè)定α、β小能量損失修正系數(shù)。

1）α小能量損失系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定

采用編號(hào)為50-098的239Pu平面源測(cè)定小能量損失修正系數(shù)。擬合曲線為：

式中：y為計(jì)數(shù)，300s-1；

x為閾值，V。

小能量損失修正系數(shù)由如下公式計(jì)算：

（1）

式中：k為小能量損失修正系數(shù)；

α0為閾值等于0時(shí)的計(jì)數(shù)；

α0.8為閾值等于0.8時(shí)的計(jì)數(shù)。

外推到閾值為0時(shí)的計(jì)數(shù)，再通過(guò)公式（1）可得到α小能量損失系數(shù)為1.008。

2）β小能量損失修正系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定

采用編號(hào)為06-006的90Sr-90Y平面源測(cè)定小能量損失修正系數(shù)，擬合曲線為：

式中：y為計(jì)數(shù)，300s-1；

x為閾值，V。

外推到閾值為0時(shí)的計(jì)數(shù)，并根據(jù)公式（1）計(jì)算出β小能量損失系數(shù)為1.002。

4.4位置效應(yīng)

位置效應(yīng)是反映裝置性能的重要參數(shù)之一。將樣品盤區(qū)域均勻的選擇9個(gè)點(diǎn)，分別用尺寸為φ20的239Pu平面源和尺寸為φ25的90Sr-90Y平面源對(duì)該裝置的位置效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)定，α、β位置效應(yīng)的平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.6%、0.3%。由于測(cè)量數(shù)據(jù)中包含統(tǒng)計(jì)誤差，根據(jù)其對(duì)α和β的不同要求，再結(jié)合位置效應(yīng)具體結(jié)果，表明該位置效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小，說(shuō)明探測(cè)器結(jié)構(gòu)性能較好。

4.5裝置死時(shí)間

裝置和電子儀器均存在至少兩個(gè)物理事件，且能被分開(kāi)，而每?jī)蓚€(gè)事件之間最小時(shí)間間隔被稱為死時(shí)間。由于處在死時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)沒(méi)有被探測(cè)器探測(cè)，所以必須對(duì)損失掉的計(jì)數(shù)進(jìn)行修正。本次通過(guò)雙脈沖法并按下式計(jì)算死時(shí)間τd：

（2）

式中：nA為A道脈沖產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率，s-1；

nB為B道脈沖產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率，s-1；

nAB為A、B兩道疊加脈沖產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率，s-1。

通過(guò)該方法測(cè)得裝置的死時(shí)間為3.5μs。

5、結(jié)束語(yǔ)

本工作通過(guò)對(duì)α、β表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置主標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和重新加工、二次儀表進(jìn)行更換以及完善數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使該標(biāo)準(zhǔn)裝置恢復(fù)且各項(xiàng)性能得到了提升。

改造后的標(biāo)準(zhǔn)裝置能滿足國(guó)防系統(tǒng)中各種α、β平面源的檢定/校準(zhǔn)需求，符合相關(guān)規(guī)程對(duì)α、β平面源檢定裝置的要求。目前該標(biāo)準(zhǔn)裝置的改造工作已完成，裝置已投入使用，承擔(dān)量值傳遞工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]JJG478-96《α、β和γ表面污染儀檢定規(guī)程》；

[2]JJG（核工）011-91《用2π多絲正比計(jì)數(shù)器測(cè)定α、β平面源發(fā)射率》。endprint