采用多絲正比室讀出的屏柵電離室能量分辨研究

尹小豪,魏向倫,黃鑫杰,鄒海川,邱天力,何周波,楊遠(yuǎn)勝,李志杰,李 蒙,馬 朋,楊賀潤,*,魯辰桂,胡榮江,段利敏

(1.中國科學(xué)院 近代物理研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100049;3.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

屏柵電離室[1]由于結(jié)構(gòu)簡單、能量分辨高、抗輻射等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于帶電粒子的鑒別[2-6]與動能的精確測定[7-9]等核物理實(shí)驗(yàn)中。截止目前的研究表明,屏柵電離室對α粒子的能量分辨率普遍在1%～2%之間[2,10],最佳可達(dá)0.8%左右[11]。常規(guī)的屏柵電離室采用陽極直接收集穿過柵極的電子產(chǎn)生的感應(yīng)信號,不帶有放大功能,因此要得到好的能量分辨,需要被測粒子在探測器漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生足夠多的電離電子,因而適合于中低能或高電荷數(shù)帶電粒子的能量測量。另外由于可供陽極收集信號的總電荷量較低,陽極一般只采用具有較大面積的簡單構(gòu)型。為了拓展屏柵電離室的應(yīng)用范圍,同時保留其高能量分辨率的優(yōu)點(diǎn),本文在屏柵電離室的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),將多絲正比室加入到信號讀出端,通過電子在陽極絲附近的雪崩放大,提升信號幅度,提高信噪比,改善探測器的能量分辨率,以期實(shí)現(xiàn)對能量沉積較低粒子的精確測量。本文給出探測器結(jié)構(gòu)和采用α放射源對探測器的詳細(xì)測試結(jié)果,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測試原理

1.1 探測器構(gòu)造

探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,探測器由漂移區(qū)和放大區(qū)組成。漂移區(qū)由陰極、場籠與柵極組成,其中場籠通過4塊PCB板組裝而成,每塊PCB板上蝕刻有間距周期2 mm、寬度1.2 mm的平行銅條,采用雙層結(jié)構(gòu),以保證漂移區(qū)電場的均勻性,降低邊緣處電場畸變。柵極由50 μm的鍍金鎢絲制成,絲間距500 μm;漂移區(qū)尺寸為150 mm×150 mm×110 mm。在放大區(qū)中,陽極位于柵極與地電極正中,距離均為4 mm。陽極采用15 μm的鍍金鎢絲,絲間距為2 mm。此外,還測試了直徑20 μm和50 μm的鍍金鎢絲制成的陽極。在陰極板正中10 mm×10 mm區(qū)域,開有50個直徑為0.5 mm的小孔陣列,在測試中α源固定于陰極板上,通過中心小孔陣列準(zhǔn)直入射到探測器中。小孔陣列可以將α粒子入射角度限制到±15°,確保α粒子的能量全部沉積在探測器靈敏區(qū)內(nèi),同時也保證有較高的計(jì)數(shù)率。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of detector

1.2 測試條件

探測器固定在靶室蓋板上,不銹鋼靶室作為探測器的外殼提供氣體密封及良好的電磁屏蔽。靶室抽真空后,將工作氣體直接充入靶室中。探測器使用的工作氣體為P10(90%Ar+10%CH4),在常壓(蘭州氣壓約850 mbar)及較低氣壓下對探測器性能進(jìn)行測試。常壓測試時探測器工作在流氣模式下。低氣壓測試時采用閉氣模式,0.5 h左右換一次氣,以避免由于工作氣體逐漸老化而導(dǎo)致輸出脈沖信號的幅度發(fā)生變化,影響測試結(jié)果。為減小探測器到前置放大器的引線電容,將前置放大器置于靶室內(nèi)部以縮短引線長度。

探測器的柵極和地電極處于零電位。陰極通過一個RC濾波電路與負(fù)高壓相連。陽極的正電位由ORTEC前置放大器(142PC)的偏壓端直接提供。根據(jù)本課題組之前對屏柵電離室結(jié)構(gòu)與工作特性的研究[11-12]得知,對于絲徑50 μm、間距500 μm的柵極,電場比Et/Ed>2.2時,電子穿過柵極的概率可達(dá)到100%,其中Ed和Et分別為漂移區(qū)場強(qiáng)和放大區(qū)場強(qiáng),在測試中,這個條件均可滿足。P10氣體在約化場強(qiáng)(E/P)為130 V/(cm·bar)左右時對應(yīng)的電子漂移速度最快,有利于信號完整收集,因此固定漂移區(qū)的約化場強(qiáng)為130 V/(cm·bar)。測試時陽極電壓(Va)從300 V逐步升高,記錄探測器能量分辨率和增益的變化。

實(shí)驗(yàn)中陽極輸出信號經(jīng)電荷靈敏前置放大器(142PC,ORTEC)后送入主放大器(572A,ORTEC)成形放大,成形時間設(shè)置為2 μs;最后由多道分析器(ASPEC-927,ORTEC)采集信號。

2 結(jié)果及分析

為研究該探測器的性能,在實(shí)驗(yàn)室條件下使用241Am α源測試不同情況下探測器的增益及能量分辨率與陽極電壓的關(guān)系。

2.1 不同氣壓測試

在600 mbar、700 mbar及常壓(850 mbar)下,陽極絲直徑φ15 μm,使用241Am α源(5.486 MeV)詳細(xì)測試探測器的增益和能量分辨率隨陽極電壓的變化關(guān)系,結(jié)果如圖2所示。影響探測器能量分辨率的因素主要有脈沖讀出電路的電子學(xué)噪聲、電離過程的統(tǒng)計(jì)漲落等。對于低能帶電粒子,電子學(xué)噪聲是限制探測器能量分辨率的主要因素,詳細(xì)的討論可參考文獻(xiàn)[13-16]。根據(jù)這些影響和貢獻(xiàn),理想情況下屏柵電離室的相對能量分辨率可表示為:

a——15 μm陽極絲的探測器在3種氣壓下的測試結(jié)果;b——常壓(850 mbar)下的最佳能量分辨率(1.45%,Va=780 V);c——700 mbar下的最佳能量分辨率(1.45%,Va=770 V);d——600 mbar下的最佳能量分辨率(1.47%,Va=680 V)圖2 3種氣壓下α粒子的能量分辨率及探測器增益隨陽極電壓的變化關(guān)系及對應(yīng)的最佳能量分辨率譜Fig.2 Energy resolution of α particle at three air pressures and variation of detector gain with anode voltage, and corresponding best energy resolution spectrum

(1)

其中:σgas為電離過程的統(tǒng)計(jì)漲落;σel為電子學(xué)噪聲;npg為通過柵極的電子數(shù)。而對于在倍增模式下工作的探測器,還需考慮其增益波動帶來的影響。本文中的探測器的相對能量分辨率[14]可表示為:

(2)

其中:M為探測器的增益(M=N/N0,N為最后總的電子數(shù),N0為入射粒子原初電離產(chǎn)生的電子數(shù));σmult為探測器增益的波動。

由于柵極的屏蔽作用,漂移區(qū)與放大區(qū)的電場互不影響,因此雪崩放大產(chǎn)生的電子離子不會對漂移區(qū)產(chǎn)生影響。測試中電子學(xué)噪聲的大小可認(rèn)為是恒定的,當(dāng)探測器的增益M變大時,電子學(xué)噪聲的影響將越來越小。結(jié)合式(1)、(2)可知,若滿足式(3),則可實(shí)現(xiàn)能量分辨率的提高。

(3)

從圖2a可看出,在陽極電壓Va較低時,探測器工作在電離區(qū)或增益M較低的區(qū)域,這種情況下陽極信號主要源于穿過柵極的原始電離電子的貢獻(xiàn),探測器的能量分辨率可用式(1)計(jì)算,但可看到,此時探測器分辨率比常規(guī)屏柵電離室差?？赡艿脑?yàn)?1) 陽極電子感應(yīng)信號npg收集不完整,地電極也會接收部分電子感應(yīng)信號;2) 柵極的屏蔽失效因子較大,陽極信號幅度與漂移區(qū)原始電離電子產(chǎn)生位置有弱關(guān)聯(lián)。隨著陽極電壓增加,增益M變大,原始電離電子的貢獻(xiàn)降低,電子倍增后產(chǎn)生的電子-正離子的貢獻(xiàn)變大,信噪比提高,探測器的能量分辨率變好。當(dāng)探測器增益M在3～8之間時,探測器對α粒子的能量分辨率進(jìn)入到最佳區(qū)域,3種氣壓下,均達(dá)到1.4%～1.6%。電壓進(jìn)一步增加后,空間電荷效應(yīng)使得增益波動σmult快速增加,導(dǎo)致探測器的能量分辨率逐漸變差。由于α粒子的初始電離密度較大,倍增后產(chǎn)生的電子被陽極絲快速收集,而大量的正離子漂移速度慢,聚集在陽極絲附近,影響放大區(qū)的電場,使得M的一致性變差,因而σmult快速增大。

2.2 不同入射能量測試

通過在放射源表面覆蓋Mylar膜降低α粒子能量,測試φ15 μm陽極絲的探測器的性能。由LISE++計(jì)算可知,5.486 MeV的α粒子在穿過13 μm的Mylar后剩余的能量為3.88 MeV,穿過25 μm的Mylar膜后剩余能量為1.88 MeV。圖3為降能后的α粒子能量分辨率和增益隨陽極電壓的變化關(guān)系,探測器工作在常壓下。

由于α粒子在穿過Mylar膜降能時存在一定的能量岐離現(xiàn)象,導(dǎo)致圖3中的能量分辨率整體變差,特別對使用25 μm Mylar膜的情況,但能量分辨率隨電壓的變化趨勢仍然清晰。通過與圖2a中的測試結(jié)果對比可看出,兩者的能量分辨率隨電壓的變化趨勢基本一致,但最佳能量分辨率對應(yīng)的工作電壓依次有所提升。主要原因是降能后的α粒子在探測器漂移區(qū)電離產(chǎn)生的原初電子數(shù)減少,在相同的電壓下,電子倍增導(dǎo)致的空間電荷效應(yīng)對電場的影響更小,電子倍增波動σmult大幅降低。因此探測器的最佳能量分辨率延伸至陽極電壓更高的區(qū)域。對于圖3a中3.88 MeV的α粒子,探測器增益在8～18之間時能量分辨率較好;對于圖3b中1.88 MeV的α粒子,探測器增益在15～40之間時能量分辨率較好。

2.3 不同陽極絲徑測試

為研究不同絲徑的陽極對探測器性能的影響,常壓下分別對直徑為15、20和50 μm的陽極進(jìn)行測試,結(jié)果如圖4所示,15 μm絲徑時的最佳分辨率能譜見圖2b。三者的能量分辨率與增益隨陽極電壓的變化趨勢一致,增益在3～8之間時,探測器對α粒子具有最佳的能量分辨率。超出這個區(qū)域后,不論M增大或減小,α粒子能譜均會展寬,分辨率變差,這一趨勢與圖2a完全相同。

a——常壓下3種陽極絲徑的探測器能量分辨率和增益與Va的關(guān)系;b——20 μm陽極絲徑時最佳能量分辨率能譜(1.45%,Va=900 V);c——50 μm陽極絲徑時最佳能量分辨率能譜(2.02%,Va=1 100 V)圖4 3種陽極絲徑下α粒子能量分辨率與探測器增益隨電壓的變化關(guān)系及對應(yīng)的最佳能量分辨率譜Fig.4 Variation of α particle energy resolution versus detector gain with voltage for three anode wire diameters, and corresponding optimal energy resolution spectrum

由圖4b、c和圖2b可看到,15 μm、20 μm絲徑對應(yīng)最佳能量分辨率均為1.45%,50 μm絲徑的為2.0%。造成這一差異的原因?yàn)?越細(xì)的絲產(chǎn)生的信號在時間尺度上越集中,這有利于電荷靈敏放大器對信號的收集。電子在陽極絲附近雪崩倍增產(chǎn)生自由電子與正離子對,電子在約1 μs時間內(nèi)被快速收集;陽離子漂移速度慢,在陽極絲上產(chǎn)生的感應(yīng)信號會持續(xù)約百μs。由于雪崩電子漂移路徑非常短,對信號的貢獻(xiàn)較小,陽極絲上的信號主要由正離子漂移所貢獻(xiàn)。常規(guī)電荷靈敏放大器只對約μs量級的信號有響應(yīng),信號更慢的部分只會影響信號下降沿,而對峰高不會有影響。越細(xì)的絲產(chǎn)生的電場越不均勻,絲附近的電場越高,遠(yuǎn)離絲時電場下降的速度也越快,與此相應(yīng),正離子遠(yuǎn)離陽極絲時,初期產(chǎn)生的感應(yīng)信號也越強(qiáng),放大器對信號的收集效率也越高。探測器的增益波動σmult與放大器收集效率應(yīng)當(dāng)是反關(guān)聯(lián),較高的收集效率對應(yīng)較小的σmult。

3 結(jié)論

本文闡述了一個基于多絲正比室讀出的屏柵電離室氣體探測器。使用α源詳細(xì)測試了探測器在不同氣壓、沉積能量、陽極絲徑時,能量分辨率與增益隨陽極電壓的變化情況。在本次測試中,5.486 MeV的α粒子的能量分辨率最佳可達(dá)到1.45%左右。探測器的最佳工作電壓與入射粒子在漂移區(qū)中沉積的能量有關(guān),能量沉積越小,對應(yīng)的最佳工作電壓越高,即探測器的增益越大。不同陽極絲徑的測試結(jié)果顯示,較細(xì)的陽極絲可達(dá)到更好的能量分辨。因此在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)根據(jù)所測粒子的能量區(qū)間設(shè)置探測器的工作電壓,使其增益在合適的范圍內(nèi),以達(dá)到更好的能量分辨率,滿足粒子的探測需求。

雖然目前的測試結(jié)果表明該探測器對α粒子(5.486 MeV)的能量分辨率與屏柵電離室相當(dāng),但我們認(rèn)為對于能量沉積較低的粒子該探測器的性能會更好。具體效果有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前的測試有所不足,后續(xù)會使用較低能(數(shù)百keV)帶電粒子進(jìn)行詳細(xì)測試。