一種新型氣體探測器的研制

于 波，趙慶章，何 明，龐義俊，張宇軒，胡 畔，王芳芳，武紹勇，姜 山

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

隨著加速器質譜(AMS)技術的發展，如何精確測量低能量重離子是現階段的一個重要研究方向。氣體探測器結構簡單，操作方便，精度高，適用于重離子測量。氣體探測器通常采用Mylar膜作為入射窗，入射窗的厚度較厚，在測量低能量重離子時，入射窗損失的能量較大，進入探測器的能量較小。中國原子能科學研究院的AMS小組研發了一種新型氣體探測器，使用厚度僅為50 nm的氮化硅薄膜作為入射窗，在測量低能量重離子方面有較多的優勢[1-3]。

采用極薄的氮化硅膜做為入射窗的氣體探測器是最近發展起來用于測量低能量重離子的一種新型氣體探測器，已在低能量重離子加速器質譜領域獲得了重要應用。該種探測器具有廣泛的應用前景，目前國內還沒有對其進行深度研究，而本次設計的厚度僅為50 nm的氮化硅膜作為入射窗的氣體探測器研制在國內是首次，本文就氣體探測器的工作原理、設計依據、結構參數、調試方法、在束應用進行論述。

1 工作原理

加速器質譜(AMS)裝置中的主要部件之一是探測器，根據鑒別的對象選擇探測器，氣體探測器在低能量重離子的鑒別上有較好的優勢，該工作中設計的氣體探測器工作原理基于探測器望遠鏡方法。此方法由兩個或多個探測器組成測量系統，這種系統接收同一方向的入射帶電粒子，就像望遠鏡觀測某個方向，所以又叫ΔE-E探測器望遠鏡方法。最簡單的探測器望遠鏡包括兩個探測器，待測粒子穿過第一個探測器停止在第二個探測器中。第一個探測器稱為通過探測器，或者投射探測器，也叫ΔE探測器；第二個探測器的厚度應大于待測粒子在其中的剩余射程，稱為停止探測器，也叫E探測器。工作原理基于Bethe-Block能量損失率公式的粒子鑒別方法。

離子穿過物質時因電離作用造成的能量損失率，可以用Bethe-Block公式[4]描述。在非相對論區，Bethe-Block公式可以化簡為：

(1)

式中：dE/dx為能量損失率；C為與阻擋介質有關而與入射粒子無關的參數；v為入射粒子的速度；m為電子的質量；I為阻擋介質原子的平均激發/電離能，I≈12ZAeV，ZA為阻擋介質的原子序數；Ze為入射粒子的有效電荷，即以電子電荷為單位的均方根電荷。在非相對論區，E=1/2Mv2，公式(1)可化簡為：

(2)

如果能量為E的離子在厚度為t的透射探測器中損失能量為ΔE，忽略對數項隨離子能量的慢變化，則：

(3)

對于固定ΔE探測器，t為常數，則：

(4)

2 設計依據

2.1 探測器入射窗

氮化硅膜硬度大，薄且均勻性好，是優良的探測器入射窗材料[5]。為了增加低能量重離子在探測器中沉積的能量，入射窗的厚度越薄越好，即材料面密度越小越好，因此選擇厚度為50 nm、面積為8 mm×8 mm的氮化硅膜作為入射窗，以保證離子在穿過探測器窗時損失的能量最小。

2.2 電子漂移速度

電子在氣體中的漂移速度隨著約化場強的增大而增大，約化場強為E/P，E表示電場強度，P表示氣體壓力。

2.3 電場均勻性

為了使電離室靈敏體積內的電場盡量均勻，該電離室由一個陰極板、一個柵網、兩個陽極板組成(陰極板面積=柵網面積=兩個陽極板面積和)。極板厚度要適當，各極板間盡量平行，要選用光滑平整極板材料[6-7]。

2.4 柵極屏蔽失效

探測器的屏蔽失效率為[8]：

(5)

式中：d為柵極絲間距離，b為柵極與陽極間距離，r為柵極絲半徑。根據公式(5)算得該探測器的屏蔽失效率為0.010 6。由此可見，該探測器的柵極對陽極的屏蔽失效影響很小。

2.5 工作氣體

為了保證探測器正常工作，實驗前用實驗氣體將探測器中的空氣排出，同時工作時采用流氣，保證探測器中充有純度高的氣體[9-10]。

3 結構參數

氣體探測器結構示于圖1。其由一塊陰極板、兩塊大小相同的陽極板以及一塊帶有金屬網格狀的柵極板組成，裝入不銹鋼的金屬外殼內，同時該探測器采用50 nm厚、面積8 mm×8 mm的Si3N4膜作為探測器的入射窗，室壁開有三個孔，分別作為氣壓表接口、氣泵接口、充氣孔。極板由厚度為0.1 mm的鍍金銅片刻制而成。陰極大小為60 mm×65 mm；每塊陽極的大小均為60 mm×32.25 mm，他們之間的間隙為0.5 mm，兩塊陽極板的總面積(包括陽極之間的間隙)是60 mm×65 mm，柵極板大小為60 mm×65 mm，柵極采用在印刷電路板上敷設鍍金鎢絲而成，柵極透射率為98.9%，該設計使得靈敏體積內的電場更加均勻。極板的載體為絕緣性能良好印刷線路板。

圖1 氣體探測器結構

4 調試

采用5.48 MeV的241Am源α粒子進行調試，高純(99.99%)異丁烷作為實驗氣體，實驗室氣溫為22～26 ℃，相對濕度為30%～45%。調試的主要內容為氣密性實驗(真空穩定性實驗)、膜窗耐壓試驗、坪曲線測試、分辨率測試。

4.1 氣密性實驗

實驗過程中，用機械泵將探測器抽真空，腔體內的氣壓抽到0.1 Pa，用氣壓表監測24 h內探測器腔體氣壓變化，每小時記錄一次氣壓值，氣壓隨時間變化示于圖2。由圖2結果可知，24 h內氣壓無較大變化，表明該電離室氣密性良好，滿足氣密性要求。

圖2 時間與氣壓變化的關系

4.2 膜窗耐壓實驗

由于氮化硅膜僅為50 nm，為避免氣體探測器的膜窗在充氣或者抽氣時破裂，進行膜窗耐壓實驗。該實驗建立在合理的真空系統的設計上，整個探測器和前腔室用機械泵粗抽，機械泵可將真空度抽到0.1 Pa，然后開啟前腔室的分子泵，利用分子泵抽取前腔室真空至5.6×10-5Pa，分子泵保持工作狀態。最后從探測器端緩慢打開放氣閥沖入異丁烷氣體，使探測器氣壓由0.1 Pa上升到1 600 Pa。氣體探測器膜窗耐壓實驗數據列于表1，從表1實驗數據可以看出，探測器氣壓由0.1 Pa到1 600 Pa緩慢變化時，前腔室真空度不變，可以證明膜的真空隔離性能滿足實驗使用要求[11]。

表1 膜窗耐壓實驗數據

4.3 坪曲線測試

為了確定探測器的性能優劣，需要進行坪曲線測試。探測器實驗氣壓為300 hPa，陰極電壓300 V條件下，改變陽極電壓，繪制陽極電壓與脈沖高度的關系曲線(圖3a)，經實驗驗證閾電壓為200 V時，50～200 V為復合區，200 V以后進入飽和區。探測器實驗氣壓為300 hPa，陽極電壓300 V條件下，改變陰極電壓，繪制陰極電壓與脈沖高度的關系曲線(圖3b)，經實驗驗證，閾電壓為200 V時，50～200 V為復合區，200 V以后進入飽和區。該實驗可以看出，一定條件下，脈沖高度隨著電壓增大而增大，這是因為復合損失隨電壓升高而減小，繼續增大電壓時復合逐漸消失，電流趨向飽和，此時達到探測器的飽和區。探測器的飽和電壓低，飽和區域大，斜率小，表明探測器性能優良。

a——陽極電壓；b——陰極電壓

4.4 分辨率測試

不同氣壓下沉到陰極和陽極1上的能量列于表2。采用α源模擬計算(SRIM2008和SRIM2013)，在氣壓100 hPa時，陰極板和陽極板沉積的能量相當于低能量重離子沉積的能量，模擬的能量與真實實驗測量的離子能量相近。

表2 不同氣壓下沉積到各個極板上的能量

測量5.48 MeV的α粒子的分辨率。氣壓設定為100 hPa，柵極電壓為0 V時，得到陽極1和陰極的分辨率隨電壓(例如：陽極電壓a和陰極電壓-a，改變|a|)變化曲線示于圖4。從圖4結果中可以看出，陽極1電壓在160 V和350 V時皆有能量分辨率的極值點，陰極電壓在350 V時有能量分辨率的極小值，陽極1電壓極值點和陰極電壓極值點取交集，得到350 V是最佳電壓，此外從坪曲線上看，160 V不在坪曲線區域內，350 V為測得的最佳分辨率。

將電壓設定為350 V最佳電壓值時，通過數據獲取系統分別測量陽極1和陰極α粒子的分辨率以及雙維譜，如圖5～6所示，陽極1和陰極都測得較好的分辨率，陽極1為10.55%，陰極為9.43%，同時獲得了清晰的雙維譜，測量結果表明該探測器有較高的分辨率，性能優良，滿足使用需求。

圖4 不同電壓下陽極1和陰極的分辨率

圖5 陽極1(a)與陰極(b)的能譜

圖6 雙維譜

5 在束應用

該探測器在中國原子能科學研究院自主研制且具有自主產權的300 kV小型化AMS系統上進行步實驗，電荷態為2+時的離子鑒別，對于129I測量時選取2+電荷態，129I與電荷之比為63.5，此時可能伴隨129I的離子主要是63Cu。此時129I2+的粒子能量為0.9 MeV，63Cu1+的能量為0.45 MeV，因此只要從能量上測定即可將不同粒子區分開。圖7為129I/127I比值為3.75×10-11和2.7×10-13的探測器測量譜，可以看出利用探測器可以很好實現不同粒子的鑒別，實現了對129I的高效高靈敏測量，該探測器對129I的測量靈敏度達到了10-13國際水平[12]，同時系統傳輸效率達到50%，有效排除了各種干擾本底，成功實現了對低能量重核素的測量。

a——129I/127I=3.72×10-11；b——129I/127I=2.7×10-13

6 結論

該種氣體探測器氣密性良好，具有較長的工作坪區，較小的坪斜，可在200～450 V高壓范圍內穩定工作。模擬計算、調試以及在束應用結果表明，采用厚50 nm、面積8 mm×8 mm的極薄 Si3N4膜作為探測器入射窗的氣體探測器，滿足對低能量重離子的測量要求，其應用效果顯著，完成了鈹窗和Mylar膜窗不能完成的工作，取得了良好的應用效果，為低能重離子探測技術研究奠定了基礎。