GEM-TEPC 调研分析及原理研究

李春娟 张伟华 肖雪夫 王志强 刘毅娜

（中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京102413）

1 引 言

组织等效正比计数器（Tissue-Equivalent Proportional Counter，TEPC）通过测量与微剂量学量直接相关的量，即线能谱，得到吸收剂量、有效品质因子和剂量当量，具有其他探测方法所不具备的优点：一是由于各种辐射在TEPC 内的线能不同，因此其具有一定的粒子分辨能力，适合混合辐射场的剂量测量；二是体积小、重量轻、便于携带。 因此，其作为空间辐射剂量测量装置已得到国际上的广泛认可，另外，《IAEA 安全标准系列—职业外照射评估》也把TEPC 作为n、γ 混合场剂量测量方法之一列入其中。 但在高注量率辐射场测量时，常规TEPC 与一般的正比计数器类似，存在信号堆积现象。 这就需要制作微型尺寸的mini-TEPC［1］，在低注量率辐射场测量时，为提高灵敏度而又不过度增大体积，可多个微型探测器组成多室TEPC［2，3］，而由于微型气体探测器的加工制作难度很大，尤其是中心阳极丝的装配等。 欧洲核子中心的F.Sauli 等将气体电子倍增技术（Gas Electron Multiplier，GEM）应用于气体探测器，1997年首次进行了公开报导［4］，解决了微型气体探测器容易断丝报废的缺点。 该探测器具有高计数率、抗辐照、信号读出模式多样等优点。 在传统的TEPC 灵敏体积内引入GEM 膜取代阳极丝，可降低微型TEPC 探测器的加工难度，并提高其性能，在国际上已有发展。 本工作对GEMTEPC 工作原理进行研究，并对其国际发展现状进行调研，通过比较，对GEM-TEPC 的制作关键技术进行总结。

2 GEM-TEPC 工作原理

2.1 基于TEPC 的微剂量学实验方法

基于TEPC 的微剂量学实验方法的基本出发点是使用一个组织等效气体体积来模拟一个正常密度的小生物组织体积［5］。 其用于模拟微小体积的原理为法诺定理。 依据法诺定理［6］，辐射与物质相互作用的截面和密度的比值与密度无关，即带电粒子在介质中穿过单位质量厚度时的作用几率与介质的密度无关。 TEPC 正是据此原理，以厘米／毫米量级的灵敏体积模拟μm 量级的微观组织，测定中子或者带电粒子在微观组织中的能量转移和沉积。

探测器内充入组织等效气体，其质量阻止本领和细胞组织相同，则对腔室灵敏体积的直径和所充入组织等效气体的密度要求如式（1）

式中：ρm——模拟人体组织密度；ΔXm——模拟组织直径；ρg——组织等效气体的密度； ΔXg——组织等效气体腔室灵敏体积直径。

满足该条件，就可以通过在TEPC 内充入稀薄气体以实现对μm 量级的人体组织的模拟测量。

根据人体细胞等效的组织等效气体的密度可按式（2）计算组织等效气体的压强

TEPC 测量辐射场的能量信号，经过线能校准后，可将实验测量脉冲幅度谱转换后可得到线能频率几率密度与剂量几率密度，将TEPC 测量得到的剂量几率密度即d（y） 分布以半对数坐标画出图形转化为yd（y） 分布，通常称之为微剂量谱。 此微剂量谱可以比较直观的给出各种粒子对剂量谱的贡献。

根据ICRU 的定义，品质因子与吸收剂量D 的乘积为剂量当量H，如式（3）

ICRU 40 号报告中将品质因子Q 定义为线能y的函数，如式（4）

因为在任何照射产生的线能y 都是一种分布，所以在任何情况下都需要计算有效品质因数，如式（5）

故剂量当量H 可表示如式（6）

图1 GEM 微孔内电场分布图Fig.1 Electric fields of the GEM for two apertures

2.2 GEM-TEPC 工作原理

基于GEM 的气体探测器一般主要由漂移电极、GEM 膜和PCB 读出电极三层组成，如图1所示。 探测器工作时，在漂移电极、GEM 上下铜层和PCB 读出电极上分别加上不同的电压，入射粒子与气体分子碰撞产生电离，电子在漂移区的电场作用下向下漂移，部分电子进入GEM 微孔通道中，由于GEM 微孔通道直径很小，漂移电极和读出电极之间的电力线在通道中密集产生高强度双极电场，电子在这个电场中获得足够大的能量使更多中性气体原子产生电离，从而发生雪崩放大，如图1所示。放大后的电子在收集区的电场作用下继续向下漂移，最后被PCB 收集。 将GEM 膜应用于TEPC，漂移电极使用组织等效塑料A150，内充组织等效气体，即为GEM-TEPC。

GEM 膜是整个GEM 探测器的核心，标准GEM膜是双面覆铜且双锥形通孔呈均匀分布的Kapton膜，如图2所示。 其中Kapton 膜厚度为50μm，铜箔厚度为5μm，双锥形孔间距140μm，孔表面直径70μm 以及孔心直径50μm。 当在上下两层铜箔上加一定电压，会在孔中形成很强的电场（ ＞100kV／cm），电子穿过小孔时在强电场的驱动下会在工作气体中倍增放大。 目前使用的GEM 膜大多是从欧洲核子中心（CERN）购买，也有个别实验室自制厚层GEM 膜。

图2 标准结构GEM 显微镜图像Fig.2 The electron microscope photograph of a GEM foil with standard geometry

3 GEM-TEPC 国际发展现状

基于GEM 的工作原理，荷兰Delft 大学的M.Farahmand 率先研制了基于GEM 的TEPC［7，8］，如图3所示。 探测器有效区域内设有5 个直径为2mm的等高圆柱腔室，利用5.4keVX 射线和252Cf 中子源分别进行低线能端和高线能端的能量校准。 利用该探测装置，M. Farahmand 分别探测了中子管产生的14MeV 中子源、252Cf 中子源以及X 射线的微剂量谱。

图3 M.Farahmand 研制的GEM-TEPC 三维示意图Fig.3 Schematic 3D view of GEM-TEPC developed by M.Farahmand

美国格鲁吉亚科技大学（GIT）同样研制了基于GEM 的TEPC［9］，初步设计结构为基于单层GEM，如图4所示，后期为获得更大的增益，设计了基于多层GEM 级联放大的GEM-TEPC，如图5所示。 通过电阻链分压电路进行GEM-TEPC 的高压供电，为得到周围剂量当量H∗（10），其结构设计时，探测器的最上层为10mm 的聚乙烯。 但该设计为基于GEM 的TEPC 的初步研究，整个探测器输出单路独立信号，尚未进行多室结构的设计及相关研究。

图4 GIT 研制的基于单层GEM 的TEPCFig.4 A single-layer GEM-based TEPC developed by GIT

图5 GIT 研制的基于三层GEM 的TEPCFig.5 Three GEM-based TEPC developed by GIT

2004年，Amos Breskin 等人用一般PCB 打孔法发明了厚型GEM，即THGEM，其厚度一般在（0.2 ～1. 2）mm，甚至可达3mm，孔径与厚度相当，按三角形排列，其孔距约比孔径大一倍。 虽然它的极限空间分辨率比GEM 稍差，但也可达到亚毫米量级。 另外，其具有易于制造维护、清洁要求较GEM 低、高增益、相对价廉等优点。 因此，加拿大G.M.Orchard 等人在GEM-TEPC 的基础上研制了基于THGEM 的TEPC［10］，结构示意如图6所示，用两路高压进行供电，其中一路用于漂移极高压供电，另一路通过电阻链分压模式为THGEM 上下电极供电。 该探测器通过单层THGEM 获得了足够的气体增益用以探测中子、γ 射线的微剂量谱测量。

图6 G.M.Orchard 研制的THGEM-TEPCFig.6 Schematic view of THGEM-TEPC developed by G.M.Orchard

“十二五”期间，中国原子能科学研究院开展了常规剂量水平的TEPC 剂量测量装置相关研究［11－13］，研制出国内首台低功耗便携式TEPC 系统，目前其自制的丝室TEPC 探头有等高圆柱和球体两种结构。 集成电路依据TEPC 探头输出信号，采用三种模式测量，满足（0.2 ～1000）keV／μm 线能区辐射测量需求，系统有剂量值LCD 实时显示、USB 存储、计算机通信等功能，供用户选择。 为进一步扩展其注量率及剂量当量率测量范围，提出研制GEM-TEPC。

4 GEM-TEPC 设计关键技术

综上，通过对GEM-TEPC 工作原理及国外实验室设计方案的分析，GEM-TEPC 系统主要包括阴极窗、GEM 膜、阳极板、电阻链高压分配电路、电子学系统以及供气系统。 其设计需考虑探测器材料的组织等效性、GEM 膜的选择及装配、分压电路的设计等方面。

4.1 GEM-TEPC 组织等效性

为保证探测器的组织等效性，漂移极选用国际通用的A150 组织等效塑料，壁厚满足带电粒子平衡要求。 探测器内充组织等效气体，组织等效气体的选择须考虑到组织成分的性质、气体增益性质，以及气体成分和壁材料成分是否匹配。 目前组织等效气体主要选用两种混合气体，一种混合气体以甲烷为主（64.4%CH4，32.5%CO2，3.1%N2）；另外一种混合气体以丙烷为主（55%C3H8，39.6%CO2，5.4%N2），基于丙烷的混合气体增益更高。

在长期测量应用时，探测器需要外加金属保护壳。 保护壳材料的性能，主要是考虑机械强度、气体渗透性、表面特性、导电率、组织等效性、相应的加工技术等方面。 对于中子、γ 混合辐射场，γ 能量较低，铝的组织等效性优于其他金属材料。

4.2 GEM 膜漏电流的测量

标准GEM 膜是双面覆铜且双锥形通孔呈均匀分布的Kapton 膜，若不考虑微孔的影响，Kapton 膜等效电阻在几千GΩ 量级。 由于GEM 膜在微孔处不再是绝缘的Kapton 材料，而是以组织等效气体充当介质，当GEM 膜上下表面加电压时，GEM 膜的等效电阻降低。 GEM 膜的漏电流是GEM 膜性能优劣的一个关键指标。 GEM 膜的漏电流越小，在高电压下出现打火的几率越小，性能越好。 所以探测器在组装前需测量GEM 膜的漏电流。 具体测量方法如下。

首先，将待测量的GEM 膜置于密闭气室中，充入氮气（纯度为99.999%），在GEM 膜上、下表面加载高压测试漏电流。 漏电流可以采用美国KEITHLEY 公司的弱电流静电计测量。

其次，每张GEM 膜由于制作蚀刻工艺的影响，漏电流测量结果会有一定的差异。 一般情况下，GEM 膜的漏电流应该小于1nA，若漏电流大于10nA，则说明该GEM 膜被导通，不能使用。

4.3 探测器实体组装

GEM-TEPC 的实体主要包括A150 阴极板、GEM 膜和PCB 阳极板，使用不同厚度的尼龙垫片隔出漂移区、收集区的距离。 由于GEM 膜孔较小，当空气中的灰尘等杂质进入后，会使GEM 膜导通而无法加高压，所以整个组装过程均需要在清洁间内完成，并且需要用酒精清洁每一个部件。 密封完好后才可在洁净间外进行测试。 实体组装完成后，为了检验GEM 膜的好坏，需要在纯氮气的环境下加高压检测其漏电流的大小。 当GEM 膜上下两端的高压加至500V 时，若漏电流小于10nA，则GEM膜正常。

4.4 探测器分压电路的设计

基于GEM-TEPC 的工作原理，探测器工作时，需要在漂移极、GEM 的上下铜层上连接不同的高压，以获取合适的漂移区、倍增区、收集区电场，得到合适的探测器增益［14］。

目前普遍采用的GEM 探测器的供电模式主要有两种：多路分立高压供电模式和电阻链分压供电模式。 其中多路分立高压供电需要多路独立的高压引出，较为繁琐，而且需要防止多路高压不同时馈入或其中一路出现问题时，GEM 膜上、下表面电压突然增大，击穿GEM 膜。 这种高压供电模式由于易于配置，常在调试期间采用。 而电阻链分压供电模式仅采用一路的高压供电，非常简便，工作高压的加载通过电阻链分压完成，安全可靠。

可首先利用多路分立高压供电模式对GEMTEPC 不同气压下的工作电压进行调试，其电路示意图如图7所示，确定漂移区及收集区最佳场强，使探测器获得最大有效增益，为电阻链高压供电分压板的设计提供参数。

图7 GEM-TEPC 的多路分立高压供电模式Fig.7 Muti-channel mode of HV power supply for GEM-TEPC

电阻链分压供电等效电路图如图9所示，阴极板、GEM 膜的上下表面电位分别为VD、VG1U、VG1D，R2确保GEM 膜处于正常工作状态，R1、R3的阻值根据探测器的漂移区及收集区的场强来设置。 为保证分压的一致性，电阻链在组装前需要对分压电阻阻值的一致性进行选择，测量所得的电阻阻值与分压电阻标称值之间的差值不能超过1%。 另外，R2的阻值不易过大，避免其与GEM 的本征阻值可以相比较，从而引起电阻链分压值和GEM 膜上所加电压的改变，使得探测器不能正常工作。 为了保证放大倍数的稳定性，电阻的数值要求必须十分稳定，功率也要考虑，一般选金属膜电阻。

图8 GEM-TEPC 电阻链分压供电模式示意图Fig.8 Resistive chain-dividing mode of HV power supply for GEM-TEPC

5 结束语

综上，通过对GEM-TEPC 工作原理的研究以及国际发展现状的调研，在传统的TEPC 灵敏体积内引入GEM 膜取代阳极丝是切实可行的，可以将电子倍增区和收集区分开，具有位置分辨力好及信号读出模式多样等优点，相比于丝室结构的气体探测器，可以有效解决阳极丝装配困难，而且容易断丝报废的缺点，使得微型及多室结构设计变得简单，扩展注量率测量范围。 本工作对通过对GEM-TEPC工作原理及国外实验室设计方案的分析，对GEMTEPC 设计关键技术进行初步总结，为本实验室GEM-TEPC 的研制奠定了一定基础。