探究多絲正比計(jì)數(shù)器工作氣體壓強(qiáng)變化對α、β表面粒子發(fā)射率測量的影響

王鵬

（江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇南京，210046）

0 引言

多絲正比計(jì)數(shù)器是近些年研發(fā)出的一種新設(shè)備，其在放射性核素絕對測量領(lǐng)域中表現(xiàn)較高的適用性，確實(shí)能取得理想的測量成績。結(jié)合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，選用α、β表面粒子發(fā)射率的測量裝置作為基準(zhǔn)傳輸定量值，能從基礎(chǔ)環(huán)節(jié)使量值的精準(zhǔn)性得到更大保障[1]。國外有研究院在閉氣工況下用探測器測量粒子發(fā)射率，通過調(diào)整計(jì)數(shù)器的工作氣壓，在一定氣壓范疇中進(jìn)行絕對測量，探討工作氣壓對α、β粒子發(fā)射率測量情況形成的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理和儀器設(shè)備

1.1 工作機(jī)理

結(jié)合國標(biāo)內(nèi)作出的建議，采用正比計(jì)數(shù)器執(zhí)行α、β粒子發(fā)射率的絕對測量任務(wù)時，為規(guī)避他類物質(zhì)對以上粒子形成吸收效應(yīng)進(jìn)而生成漏計(jì)數(shù)，通常應(yīng)用無窗式法設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器。當(dāng)α、β粒子經(jīng)由工作氣體分子時，會與氣體分子之間發(fā)生庫侖作用，進(jìn)而使分子電幅度超過子學(xué)閾值，在定標(biāo)器上生成相應(yīng)計(jì)數(shù)值，以上就是氣體計(jì)數(shù)器運(yùn)行機(jī)理的簡單概括[2]。α粒子和工作氣體互為作用的截面偏大，在氣體內(nèi)能量更容易損失而形成計(jì)數(shù)。由于β粒子能譜有連繼性特征，測量時要配合閾值外推法去調(diào)整閾值之下低能粒子的計(jì)數(shù)損失。

1.2 探測器和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

當(dāng)前國內(nèi)有研究院所已成功建設(shè)了用于測量表面粒子發(fā)射率指標(biāo)的裝置，多絲正比計(jì)數(shù)器是核心裝備，閉氣式作業(yè)模式下的內(nèi)部氣壓準(zhǔn)許工作區(qū)間20～200kPa。探測器有效面積345mm×245mm，電鍍鎢絲作為陽極，其直徑達(dá)到20μm，于腔室內(nèi)中以25mm作為間距整齊布置。電子學(xué)系統(tǒng)是基于FPGA數(shù)字采樣技術(shù)為基礎(chǔ)的16 bit采集板卡，采樣率達(dá)到100MSPS，針對前置放大器處理后的α、β粒子生成的電脈沖信號，采集板卡能完整收集與清晰重現(xiàn)。針對收集到的信號，當(dāng)其通過脈沖幅度分析程序以后，便能即可生成α、β粒子對應(yīng)的計(jì)數(shù)率值[3]。在以上過程中，不管是閾值設(shè)置、外推閾值、抵扣本底、處置死時間，均能在以上分析程序內(nèi)執(zhí)行。

2 統(tǒng)計(jì)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 確定工作電壓

采用計(jì)數(shù)器分別檢測α、β粒子的計(jì)數(shù)率，通過執(zhí)行檢測高壓坪曲線這一步驟去確定相關(guān)工作高壓。為達(dá)成以上目標(biāo)，本課題研究中應(yīng)用了241Am與90Sr/90Y這兩個小平面源，具體是先檢測流氣作業(yè)模式下以上兩種粒子各自的高壓坪曲線，依次是（350～1050）V與（1500～2100）V，坪區(qū)的計(jì)數(shù)率分別達(dá)到4460 s-1與4 000s-1。當(dāng)計(jì)數(shù)器中的工作氣壓出現(xiàn)波動時，會直接作用于探測器中電子電離的漂移速度，該項(xiàng)漂移速度指標(biāo)和探測器設(shè)備中的約化電場E/p之間呈正比（E、p分別是電場強(qiáng)度、探測器內(nèi)壓強(qiáng)）。站在這個角度分析，當(dāng)工作氣壓出現(xiàn)變動時，針對因這種改變對電子漂移速度形成的影響，可以通過改變計(jì)數(shù)器作業(yè)高壓去補(bǔ)償。

當(dāng)工作氣壓改變時，可以利用約化場強(qiáng)公式大致估算相應(yīng)氣壓條件下α粒子的工作電壓，能將實(shí)測計(jì)數(shù)率改變相對偏差控制在1. 0%左右。而對于β粒子，在負(fù)壓條件下，該粒子電離過程生成的電子離子對自身存在著復(fù)合效應(yīng)，并沒有達(dá)到完全收集，故而其計(jì)數(shù)率顯著偏低，這表明設(shè)置的作工作壓值偏小。但是當(dāng)轉(zhuǎn)變到正高壓條件時，計(jì)數(shù)器已經(jīng)在有限正比區(qū)內(nèi)運(yùn)作，計(jì)數(shù)率驟然增加，提示這種氣壓條件下的工作電壓相對較高。通過以上分析內(nèi)容推導(dǎo)、測量β表面的發(fā)射率時，采用約化場強(qiáng)公式大致估算出的工作電壓并不處于相應(yīng)條件下的高壓坪曲線坪區(qū)中[4]。故而在工作氣壓改變的工況下，α、β粒子對約化場強(qiáng)表現(xiàn)出依賴程度存在差異。所以在測量β發(fā)射率，當(dāng)工作氣壓出現(xiàn)變動時，不能僅應(yīng)用約化電場的形式去測算出高壓值，唯一的方法是測量差異化氣壓條件下的高壓坪曲線覆蓋范圍。在以上過程中，要巧妙的使用90Sr/90Y平面源，精準(zhǔn)測定出相應(yīng)條件下的β高壓坪曲線。

2.2 測定不同氣壓條件下β發(fā)射率

為了能將坪斜對最后所得計(jì)數(shù)率精準(zhǔn)度形成的影響降到最低，建議選出坪區(qū)中點(diǎn)電壓值作為各個氣壓的工作電壓。為了能掌握氣壓改變對能量有差異的β平面源計(jì)數(shù)率形成的影響，選擇204Tl與90Sr/90Y（β能譜的最大能量分別是763.8keV、2279.7keV）平面源，并進(jìn)行測量。試驗(yàn)操作中為消除噪聲峰值帶來的干擾，比較閾值設(shè)置為25mV，面對單個脈沖信號，只有其幅度＞25 mV時，方能被板卡采集，25 mV和1.0keV的沉積能量相當(dāng)。

在氣壓72.3～175.7kPa范疇中，利用直線外推法去修正低能β發(fā)射率的測量值量結(jié)果。數(shù)據(jù)上、下方分別是204AmTl、90Sr/90Y的發(fā)射率測量值，參考貝塞爾公式測評不確定度，與之相對應(yīng)的β發(fā)射率不確定度是0.6%，多次測量的反復(fù)性、計(jì)數(shù)率的統(tǒng)合性、閾值外推及高壓值設(shè)計(jì)情況等均是不確定度的主要來源。既往有人員較細(xì)致的闡述了不確定度的具體測評過程。在調(diào)整閾值并外推計(jì)數(shù)率的環(huán)節(jié)中，數(shù)字化分析程序內(nèi)設(shè)置的外推范圍25～90mV。

觀察圖1的測量情況，不難發(fā)現(xiàn)在工作氣壓條件有差異時，外推閾值法所得到的β發(fā)射率做出的改變并沒有規(guī)律可尋[5]。

圖1 不同氣壓條件下發(fā)射率的測量結(jié)果

3 模擬不同工作氣壓條件下β的發(fā)射率

3.1 創(chuàng)建幾何模型及模擬實(shí)驗(yàn)

針對以上試驗(yàn)研究中獲得的結(jié)果，為了能使其有更加可靠的理論支持，決定采用在計(jì)數(shù)器內(nèi)Monte Carlo模擬β粒子和工作氣體之間的互為作用及能量損耗情況。Geant4軟件配合FTFP_ BERT是完成以上模擬過程的基礎(chǔ)，后者由諸多流程組合而成，包括電離激活、散射等。針對探測器設(shè)備內(nèi)β粒子出現(xiàn)的能量損耗，統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)偏差是σ=20%的高斯彌散。模擬實(shí)驗(yàn)程序內(nèi)的探測器模型參數(shù)設(shè)置情況和以上實(shí)驗(yàn)條件保持一致。探測器大小345 mm×245mm×12mm，源位在345mm×245mm平面的中心處置，在厚5mm，直徑10mm模擬源平面中發(fā)生了衰變隨機(jī)事件。

模擬實(shí)驗(yàn)推進(jìn)時，主要模擬抽樣始源于204Tl與90Sr/90Y平面源內(nèi)β和探測器工作氣體原子、分子之間的互為作用狀況，精準(zhǔn)記錄能量實(shí)際損耗及方位等信息。針對β的能量抽樣操作行為，可以采用費(fèi)米函數(shù)抽樣達(dá)成，執(zhí)行的公式如下[6]：

上式內(nèi)，P(E)—β的能量抽樣函數(shù)，E是粒子持有的能量，Emax記為最大能量；N—?dú)w一化系數(shù)；me是電子質(zhì)量。

90Sr/90Y的 Emax是 2279.7keV，而對于204Tl，和 Emax相對應(yīng)的正、負(fù)電子分支分別是763.1keV、347.5keV。

為了能得到數(shù)量充足的計(jì)數(shù)統(tǒng)合性，各個氣壓點(diǎn)位下的模擬實(shí)驗(yàn)均應(yīng)用了高達(dá)107個隨機(jī)抽樣事件數(shù)。觀察101.325 kPa氣壓條件下，204Tl與90Sr/90Y各平面源發(fā)射的β于探測器中的能量沉積譜走勢。盡管以上兩個平面源的能譜走勢、峰值點(diǎn)位存在差別，但模擬實(shí)驗(yàn)所得的兩個能譜形狀有很高的相似度。和初始的β能譜做比對分析，模擬所得的能譜朝著低能側(cè)端移走、偏移，剖析其成因，可能是由于高能β粒子能量并沒有在計(jì)數(shù)器中消耗殆盡的緣故。表1 內(nèi)記錄了以上兩種β在未設(shè)探測閾值的工況下，計(jì)數(shù)器中呈現(xiàn)的探測效率，不確定度低至0.03%，因?yàn)楹?0Sr/90Y相比較，204Tl平均能量更低，那么β與腔室中即便經(jīng)歷了反彈過程也依然能被精準(zhǔn)探測，可以采用這一結(jié)論解釋204Tl探測效率略高于90Sr/90Y的情況。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)以上兩種平面源探測效率相當(dāng)貼近[7]。

表1 不同氣壓條件下的探測效率（%）

3.2 模擬閾值外推的計(jì)數(shù)率

因?yàn)榇嬖谥娮釉肼?，?dǎo)致低能側(cè)能譜出現(xiàn)一定改變?？梢試L試通過引進(jìn)甄別閾的方法去消解噪聲，但以上方法應(yīng)用時也帶來了新的問題，導(dǎo)致低能端計(jì)數(shù)的損失。為模擬存在甄別閾的情況，決定吧0.6kVe甄別閾引進(jìn)模擬過程。為了能快速、精準(zhǔn)的修正甄別閾之下的漏計(jì)數(shù)，配合使用了閾值外推方法。在具體操作中，就是在模擬分析程序內(nèi)設(shè)置了和實(shí)驗(yàn)等同的閾值范圍，由0.6kVe到4kVe。先用不同閾值下的模擬計(jì)數(shù)，在線性外推方式去修正在0.6kVe之下的低能β計(jì)數(shù)損失情況，這樣便能較順利的獲得不同工作氣壓條件下的模擬計(jì)數(shù)[8]。

統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，通過閾值線性外推獲得的計(jì)數(shù)率和表1 內(nèi)的探測效率結(jié)果保持了高度的一致性，并且這種方法獲得的β計(jì)數(shù)率不確定度被控制在0.3%以內(nèi)，計(jì)數(shù)率呈現(xiàn)出的相對變化低于試驗(yàn)所得的不確定水平，進(jìn)一步表明了模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論的一致性。并且閾值線性外推法還自帶了修正小脈沖的線性相關(guān)性的功能。

4 結(jié)束語

在工作氣壓有差異的條件下，不管是否設(shè)置閾值模擬過程或者采用閾值外推方法，其所得的α、β發(fā)射率于標(biāo)準(zhǔn)不確定度中均維持較高的一致性，其中線性外推法有修正計(jì)數(shù)率的功能。綜合模擬實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，可以認(rèn)定α、β發(fā)射率測量結(jié)果對工作氣壓改變過程并沒有表現(xiàn)出較高的依賴性。