组织等效正比计数器结构优化设计

张伟华，王志强，肖雪夫，刘毅娜，李春娟，骆海龙

(中国原子能科学研究院 放射性计量测试部，北京 102413)

组织等效正比计数器(TEPC)系统可直接模拟测量人体细胞组织的吸收剂量及剂量当量，已被广泛应用于微剂量学、辐射防护等领域的基础学科研究。探测器的结构设计(电子学设计)主要考虑气体电离增益、电场均匀性、电子学噪声等。圆柱体计数器端效应的问题可通过以下方法解决[1]：在圆柱体计数器末端各附加一场管(金属管)，场管的作用使弯曲的电场线终止于场管而不是阳极，这样计数器的灵敏区域变为由圆柱壁和两个垂直于阳极的场管界面所组成的区域。此方法设计的探测器制作工艺较复杂，且损失了部分灵敏区体积。近年来，文献[2]以场成型电极取代场管，该电极在结构上对原电极进行了改进，既可抑制端效应，又不会损失灵敏区体积。球体计数器的优点是其响应的各向同性，缺点是阳极丝末端电场有畸变即端效应。为解决这一问题，通常采用金属丝绕制成螺旋管，环绕阳极丝装配即可形成场强均匀的正比区。但螺旋管易震动而产生颤噪噪声，为了降低噪声，文献[3]舍弃螺旋管通过阳极丝末端的支撑结构达到抑制电场畸变的目的。

本文利用Ansoft公司的Maxwell软件，分别对球体加金属螺旋管结构及圆柱体加场管结构的TEPC的电场分布进行模拟，并对两者的结构模拟结果进行比较。为检验探测器结构是否有效抑制末端电场畸变，设计制作流气式TEPC，对其电场分布的均匀性进行实验测试。根据流气式TEPC的结构参数制作密闭式TEPC装置，对其电子学噪声水平进行测试，并与美国远西公司的TEPC进行对比。

1 电场分布模拟

制作TEPC前，采用Maxwell软件对探测器的电场分布进行模拟，并得到探测器对地的电容，寻求最佳结构设计。模拟的探测器尺寸与待加工的探测器尺寸相同，中心阳极丝为铂金丝，壁材料以石墨代替组织等效塑料。

图1 球体探测器电位分布

球体探测器的中心阳极丝周围环绕金属螺旋管，此螺旋的直径相对球腔内径足够小，且相对阳极丝直径又足够大，即可形成电场强度均匀的正比区。通过Maxwell软件对球体探测器的电位分布进行的初步模拟结果示于图1。通过改变螺旋管与中心阳极丝的电位差可得到不同的电场分布，一般螺旋管电位是中心阳极丝的20%，即螺旋管与中心阳极丝的电位差是球壁与阳极丝电位差的80%(图1)。球体探测器电场分布示于图2，图2中箭头指向为电场方向(下同)。从图2可看出，装配了金属螺旋管的球体探测器在螺旋管内的电场基本均匀，末端的电场畸变得到有效抑制。

采用同样方法对圆柱探测器的电场分布进行了模拟，未加场管探测器的电场分布示于图3，不同场管长度对电场分布影响的模拟结果示于图4、5。由模拟结果可知，场管长度的改变对电场分布有一定的影响，场管直径的改变对电场分布影响并不明显。

图2 球体探测器电场分布

图3 未加场管圆柱探测器电场分布

图4 场管长度2 mm的探测器电场分布

图5 场管长度3 mm的探测器电场分布

2 流气式TEPC的制作

由模拟的电场分布可看出，球体加金属螺旋管的结构及圆柱体加场管的结构均可形成均匀的电场。考虑到球体TEPC的金属螺旋管的制作较复杂，且螺旋管易震动而引入颤噪噪声，本工作采用圆柱体加场管作为TEPC的主体结构。为验证探测器结构是否有效抑制端效应，设计制作一个流气式TEPC对其电场均匀性进行检验。该流气式TEPC结构与模拟的圆柱TEPC相同，场管的尺寸初步确定为长度2 mm、直径(0.8 mm、0.3 mm)可替换；末端支撑结构设计为活动可拆卸式，以便在装配时可改变场管伸入探测器内的长度，方便实验调试。

探测器除通过场管来抑制电场畸变外，阳极丝末端加绝缘体可在一定程度上补偿电场畸变的影响[4]。制作流气式TEPC时，在阳极丝末端支撑结构内装配绝缘体，此绝缘体尺寸设计依据文献[3]。通过实验测量来验证电场分布的均匀性，实现方法为：在流气式TEPC一侧开9个孔，将探测灵敏区分9个区域；中心孔位置是灵敏区的几何中心，两端各布置4个孔，一端4个孔中心间距相同，另一端的4个孔中心间距不同，以便观测到更多的探测器区域。为便于实验记录，对1至9个准直孔进行了顺序编号。流气式TEPC结构示于图6。

图6 流气式TEPC结构

3 电场均匀性测试

流气式TEPC的灵敏区分9个区域，241Am源的α射线经准直后分别通过各孔进入TEPC的灵敏区，收集的电离信号由阳极丝输出，以所测的各孔脉冲幅度与中心孔脉冲幅度之比的变化量来判别电场分布是否均匀。

首次测试探测器的场管长度为2 mm，直径为0.3 mm。241Am源的α射线经准直后分别通过9个孔进入TEPC灵敏区(某一孔测量时其他孔均封闭)，依次测量其脉冲幅度谱。以中心孔脉冲幅度为基准，其他孔的脉冲幅度分别与中心孔相比，用其变化量来考察沿阳极丝的电场分布是否均匀。测试结果表明，脉冲幅度沿阳极丝变化较大。分析其原因是气体流速大、气压不稳定造成的，需保证整个测量过程中气体流速稳定且流量小。因此改进实验方案，选用转子流量计来控制气体流量，整个测量时间内气体流量变化小于2%。测试发现，场管直径变化对脉冲幅度影响较小(脉冲峰位相差几道)，故本设计仅改变场管的长度，对脉冲幅度变化进行测量实验，实验结果示于图7。从图7可看出，以编号5孔为中心，其两端的脉冲幅度变化较对称，出现的微小波动可能是气流变化所致；图中显示长度为3 mm的场管所对应的脉冲幅度变化较平稳。由此判定，3 mm长度是较为理想的场管尺寸。

图7 脉冲幅度变化对比

4 TEPC噪声水平测试

TEPC应用于不同的核辐射探测时，射线粒子在低密度气体中沉积能量较少，部分信号对应的脉冲幅度很小，往往淹没在噪声之中而难以区分。因此，TEPC探头固有的电子学噪声水平是TEPC探测下限设计的重要参数。根据上述实验结果，以流气式TEPC尺寸参数制作密闭式TEPC，对其噪声水平进行测试，与美国远西公司的TEPC(型号LET-1/2)噪声水平进行比较。其中，美国远西公司的TEPC主体为球体加金属螺旋管结构。

将两个探测器充入相同的组织等效气体，气体组分及其含量(摩尔分数)为：甲烷64.4%，二氧化碳32.5%，氮气3.1%。在电子学线路及器件完全相同的情况下，从示波器观测自前放(型号ORTEC 142PC)引出的信号，美国远西公司TEPC噪声水平约200 mV，自制的TEPC噪声水平约20 mV。比较结果发现，美国远西公司的TEPC噪声水平高于自制的TEPC，原因是金属螺旋管引入了颤噪噪声。

为保证自制的探测器在实际应用时噪声水平满足需求，对其在较宽的高压范围内进行了噪声水平测试(图8)，由图8可看出，噪声幅度基本不随高压的变化而变化。

图8 TEPC电子学噪声谱

5 小结

本工作基于软件对电场均匀性的模拟结果初步设计了TEPC主体结构，为验证此结构是否有效抑制末端电场畸变而研制了流气式TEPC，通过实验对电场分布的均匀性进行了测试。基于流气式TEPC的结构参数，制作了密闭式TEPC装置，对其电子学噪声水平进行了测试。电场分布均匀性测试及噪声水平测试结果证明，此TEPC的结构设计基本已经满足测量应用要求。

密闭式TEPC设计制作时在末端支撑结构添加了绝缘体，在一定程度上补偿了电场畸变。本工作仅设计了一种绝缘体尺寸，对绝缘体补偿电场畸变的作用未作定量分析，在今后的工作中，设计一种绝缘体结构活动可变的探测器，对末端绝缘体的作用进行更深入的研究。

参考文献：

[1] BRABY L A, JOHNSON G W, BARTHE J. Practical considerations in the design and construction of tissue-equivalent proportional counters[J]. Radiation Protection Dosimetry, 1995, 61(4): 351-379.

[2] WAKER A J, ASLAM J L. Design of a multi-element TEPC for neutron monitoring[J]. Radiation Protection Dosimetry, 2011, 143(2-4): 463-466.

[3] BENJAMIN P W, KEMSHALL C D, REDFEARN J. A high resolution spherical proportional counter[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1968, 59: 77-85.

[4] RIEDL G. Method for controlling end effect on anodes used for cathodic protection and other application: US, 4420382[P]. 1983-12-13.