多丝正比计数器的优化设计

唐 琳， 雷 霖， 程 皓

(成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106)



多丝正比计数器的优化设计

唐 琳， 雷 霖， 程 皓

(成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106)

由于低水平放射性测量中样品计数率非常低，使用多丝正比计数器进行α放射性测量时，本底主要由探测器内壁材料中的α放射性成分贡献.考虑到测量系统本身的放射性干扰一直是制约测量能力的重要因素，降低测量系统本底是α辐射测量的重点.采取在传统多丝正比室添加屏蔽丝的方法，并通过Garfield程序模拟正比室在不同参数设置下电子漂移过程得到正比室各项参数的最优解.模拟结果表明，优化后的正比室可以对不同入射方向的α粒子进行筛选，有效抑制探测器本底，从而得到最优的正比室结构设计参数.

超低本底；α计数；多丝正比计数器；Garfield

0 引 言

为了保障核工程环境的辐射安全，低本底α探测技术一直是辐射防护和电离辐射计量领域的重要研究内容[1].目前，用于α测量的探测器有正比计数器、α电离室、闪烁计数器和半导体探测器等多种.由于样品的放射性水平很低，测量时必须把样品制成较大面积，这就要求探测器有较大的探测面积.正比型气体探测器是ISO国际标准中推荐的α活度探测器，其采用多丝正比室进行α粒子活度测量，具有探测面积灵活、探测效率高等特点[2].在超低本底的辐射测量中，测量系统自身本底的干扰是限制测量能力最重要的因素，这一部分本底主要由探测器内壁材料中的α放射性成分贡献.对此，本研究设计出了一种新型的超低本底正比计数器，该计数器针对传统计数器的室内结构作了改进优化，使得在超低本底的α辐射测量中具有更高的探测效率，可有效抑制探测器本身带来的放射性干扰.

1 多丝正比计数器设计

1.1 传统多丝正比计数器的结构

传统的多丝正比计数器室内结构如图1所示[2].

图1中，α1为待测样品辐射的α粒子，α2为与阳极丝平行的正比室侧壁辐射的α粒子，α3为与阳极丝垂直的正比室侧壁辐射的α粒子， α4为正比室腔体上盖辐射的α粒子.所有α粒子中，仅仅只有α1为需要探测的目标粒子，α2、α3和α4都是应该被筛选掉的本底干扰.

图1 传统多丝正比室结构示意图

传统的多丝正比计数器是在夏帕克和厄斯金的理论中改进设计的，厄斯金的计算给出了一般情况下对称结构中阳极丝附近的电荷以及电场分布图，正比室内电场的分布是辐射状的，室内电场遵从1/r的分布规律，这种电场分布结构的正比计数器在超低本底的α探测中，由于探测器本身的本底干扰，导致探测效率十分有限.因此，对超低本底多丝正比计数器结构优化的设计实际上就是筛选不同方向入射的α粒子，探测放射源辐射出的α粒子，屏蔽掉探测器内壁辐射的α粒子.

1.2 新型多丝正比计数器原型

本研究设计新型超低本底多丝正比计数器的目的就是希望屏蔽测量系统带来的本底干扰，尽可能降低测量系统对α2、α3和α4的计数， 仅仅对样品发射的α1进行计数，从而在α放射性测量中有效地抑制探测器的本底.

本研究所设计改进的多丝正比室结构如图2所示.

1.外壳；2.样品；3.探测丝；4.屏蔽丝；5.气嘴；6.丝支撑；7.绝缘子

图2 新型多丝正比室设计结构示意图

图2中，在靠近样品的下层中间位置设置了3根探测丝，在阳极丝上方和左右两侧设置了屏蔽丝.与图1相比，主要不同之处是在合适的位置添加了屏蔽丝和固定长度的丝支撑.屏蔽丝的作用是屏蔽从内壁α2和α4方向产生的电离.α3在电场的作用下被丝支撑收集.由于丝支撑直径大，α3电离的电子不会发生雪崩效应，容易在信号幅度上被甄别.

2 Garfield模拟方法及结果

2.1 Garfield概述

Garfield最初是由欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research,CERN)研发的用于由丝以及平面构成的二维室(如漂移室、多丝正比计数器等)的一个模拟程序.经过多年的发展改进，如今Garfield模拟程序也接受二维、三维的场图计算，这些场图计算均由专门的有限元分析软件，如ANSYS、Maxwell、Tosca及QuickFieldD等，计算得出.在混合气体的计算中，Magboltz程序可直接被调用来计算混合气体中电子漂移速度、混合气体的汤森系数和传输特性[3].

2.2 Garfield模拟

本研究采用100%氩气，在保障探测效率的前提下，为了使正比室内壁不同方向的α粒子电离产生的电子按照预设的方向漂移，通过调整探测丝、屏蔽丝的间距以及探测丝和屏蔽丝的工作电压4项基本参数来模拟不同方向次级电子的漂移轨迹[4]，当各个方向的电子都按照预期的方向漂移时就得到了最优解，具体模拟过程如图3所示.

图3 Garfield模拟程序流程图

本研究的重点是对不同参数设置下电子漂移路径的模拟.在Garfield程序中，通过CELL SECTION构造好探测器模型、设置好各项参数之后，漂移路径和终点位置可通过调用DRIFT-ELECTRON子程序计算得出[5-6].SIGNAL SECTION部分完成模拟区域的设置和绘图，DRIFT部分绘制不同坐标位置的电子的运动轨迹图.部分模拟代码如下：

&signal

area -15 -3 -8 15 16 8 view z=0

avalanche townsend

window 1 0.001 1000

sel (abc)

area -15 -3 -8 15 16 8 view z=0

Call plot-drift-area

track 2.1 0 0 2.15 0 0…

gamma energy 150 kev single-cluster

sig

pl-sig

&field

area -15 -3 -8 15 16 8 view z=0

plot contour range 20 1000

&drift

area -15 -3 15 16

Call plot-drift-area

Call drift-electron(-14.2,0)

Call plot-drift-line

Call drift-electron(-14,0)

2.3 最优模拟结果

新型多丝正比室在Garfield模拟得到的正比室最优解设置下的次级电子漂移路径如图4所示.由于α粒子质量较大，电离之前α粒子在工作气体中的运动轨迹基本保持不变，而电离之后的电子运动轨迹会受正比室电场的影响发生偏移.图4(a)中，样品发射的α粒子电离的电子漂移到探测丝上，被探测丝收集；图4(b)中，与阳极丝平行的侧壁发射的α粒子漂移到屏蔽丝上；图4(c)中，与阳极丝垂直的侧壁发射的α粒子漂移到丝支撑上，被丝支撑收集；图4(d)中，腔体上盖发射的α粒子漂移到屏蔽丝上.

图4 用Garfield计算不同位置入射的α粒子轨迹和电子漂移轨迹

2.4 优化结果

从Garfield的模拟结果可以看出，样品辐射的α粒子电离产生的次级电子在电场作用下发生漂移，运动方向也发生了改变，最终漂移到探测丝上被收集，经过后端电子学仪器的甄别、放大，从而读出测量结果.而测量系统本身辐射出的α粒子，包括前面提到的α2、α3和α4，在特定的参数设置下将会按照预期的方向漂移.结果表明：新型超低本底多丝正比计数器的正比室结构在进行合理的结构设计和模拟研究后可以得到一个最优的参数设置，其中，正比室大小为300 mm×150 mm，阳极丝间隔为50 mm，屏蔽丝间隔为30 mm，阳极丝直径为40 μm，丝支撑直径为10 mm，探测丝和屏蔽丝分别加800 V正高压.优化后的正比室几何结构及各项参数如图5所示.

图5 优化后的正比室几何结构图

3 结 论

在模拟得到的最优参数配置下屏蔽丝和丝支撑可以对内壁不同方向辐射出的α粒子进行筛选，从而达到降低测量本底干扰的目的，大幅度改善了传统的多丝正比计数器在低本底辐射测量中存在的探测效率低的问题，在超低本底α辐射测量领域具有现实的意义.

[1]王小胡，陈孝强.InfluenceofworkinggaspropertiesonMWPCanodewiremodulationeffect[J].Chin Phys C,2015,39(10):82-86.

[2]任家富,林业，徐一鹤，等.多丝正比技术器的技术改造[J].核电子学与探测技术,2012,32(11):1317-1319.

[3]Veenhof R.&GAS[EB/OL].[2016-06-30].http://garfield.web.cern.ch/garfield/help/garfield-31.html # Ref0340.

[4]林业，方方，任家富，等.AmeasurementsystemforalphaandbetasurfaceemissionrateusingMWPC[J].Chin Phys C,2015,39(5):60-63.

[5]Wang X,Wei T,Long J,et al.SimulationandoptimizationofadoubleTHGEMdetector[J].Nucl Sci Techn,2013,24(1):17-21.

[6]姜志刚,王和义，袁永刚，等.基于Benjamin结构的球形组织等效正比计数器气体放大倍数的模拟与实验研究[J].核技术，2015,38(8):11-16.

Optimization Design of Multi-wire Proportional Counter

TANGLin,LEILin,CHENGHao

(School of Information Science and Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

In low-level radioactive measuring, the sample counting rate is pretty low.When multi-wire proportional counter is used to measure alpha radioactivity,the background is mainly contributed by the alpha radioactive materials in the inner wall of detector.The radioactive interference of the measurement system itself is a major factor that limits the detection performance,and thus the focus of the alpha radiation measurement is on reducing the measurement system’s background.The paper adopts the design by adding shielding wires to the traditional multi-wire proportional chamber.Based on the Garfield program,the paper simulates the electron drift process of the proportional chamber under different parameter settings to get the optimal solutions to each parameter of the proportional chamber.The simulation results show that the optimal proportional chamber can filter alpha particles from different incidence directions,effectively inhibit detector background and obtain the best proportional chamber structure design parameter.

ultra-low background;alpha counting;multi-wire proportional counter;Garfield

1004-5422(2017)02-0195-04

2017-03-15.

四川省教育厅自然科学基金(15ZA0357、 16ZB0435)、 成都市科技局科研课题(2015-HM01-00399-SF)资助项目.

唐 琳(1988 — )， 女， 博士， 实验师， 从事气体探测器设计相关技术研究.

TL811+.2

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