一种新型气体探测器的研制

于 波，赵庆章，何 明，庞义俊，张宇轩，胡 畔，王芳芳，武绍勇，姜 山

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

随着加速器质谱(AMS)技术的发展，如何精确测量低能量重离子是现阶段的一个重要研究方向。气体探测器结构简单，操作方便，精度高，适用于重离子测量。气体探测器通常采用Mylar膜作为入射窗，入射窗的厚度较厚，在测量低能量重离子时，入射窗损失的能量较大，进入探测器的能量较小。中国原子能科学研究院的AMS小组研发了一种新型气体探测器，使用厚度仅为50 nm的氮化硅薄膜作为入射窗，在测量低能量重离子方面有较多的优势[1-3]。

采用极薄的氮化硅膜做为入射窗的气体探测器是最近发展起来用于测量低能量重离子的一种新型气体探测器，已在低能量重离子加速器质谱领域获得了重要应用。该种探测器具有广泛的应用前景，目前国内还没有对其进行深度研究，而本次设计的厚度仅为50 nm的氮化硅膜作为入射窗的气体探测器研制在国内是首次，本文就气体探测器的工作原理、设计依据、结构参数、调试方法、在束应用进行论述。

1 工作原理

加速器质谱(AMS)装置中的主要部件之一是探测器，根据鉴别的对象选择探测器，气体探测器在低能量重离子的鉴别上有较好的优势，该工作中设计的气体探测器工作原理基于探测器望远镜方法。此方法由两个或多个探测器组成测量系统，这种系统接收同一方向的入射带电粒子，就像望远镜观测某个方向，所以又叫ΔE-E探测器望远镜方法。最简单的探测器望远镜包括两个探测器，待测粒子穿过第一个探测器停止在第二个探测器中。第一个探测器称为通过探测器，或者投射探测器，也叫ΔE探测器；第二个探测器的厚度应大于待测粒子在其中的剩余射程，称为停止探测器，也叫E探测器。工作原理基于Bethe-Block能量损失率公式的粒子鉴别方法。

离子穿过物质时因电离作用造成的能量损失率，可以用Bethe-Block公式[4]描述。在非相对论区，Bethe-Block公式可以化简为：

(1)

式中：dE/dx为能量损失率；C为与阻挡介质有关而与入射粒子无关的参数；v为入射粒子的速度；m为电子的质量；I为阻挡介质原子的平均激发/电离能，I≈12ZAeV，ZA为阻挡介质的原子序数；Ze为入射粒子的有效电荷，即以电子电荷为单位的均方根电荷。在非相对论区，E=1/2Mv2，公式(1)可化简为：

(2)

如果能量为E的离子在厚度为t的透射探测器中损失能量为ΔE，忽略对数项随离子能量的慢变化，则：

(3)

对于固定ΔE探测器，t为常数，则：

(4)

2 设计依据

2.1 探测器入射窗

氮化硅膜硬度大，薄且均匀性好，是优良的探测器入射窗材料[5]。为了增加低能量重离子在探测器中沉积的能量，入射窗的厚度越薄越好，即材料面密度越小越好，因此选择厚度为50 nm、面积为8 mm×8 mm的氮化硅膜作为入射窗，以保证离子在穿过探测器窗时损失的能量最小。

2.2 电子漂移速度

电子在气体中的漂移速度随着约化场强的增大而增大，约化场强为E/P，E表示电场强度，P表示气体压力。

2.3 电场均匀性

为了使电离室灵敏体积内的电场尽量均匀，该电离室由一个阴极板、一个栅网、两个阳极板组成(阴极板面积=栅网面积=两个阳极板面积和)。极板厚度要适当，各极板间尽量平行，要选用光滑平整极板材料[6-7]。

2.4 栅极屏蔽失效

探测器的屏蔽失效率为[8]：

(5)

式中：d为栅极丝间距离，b为栅极与阳极间距离，r为栅极丝半径。根据公式(5)算得该探测器的屏蔽失效率为0.010 6。由此可见，该探测器的栅极对阳极的屏蔽失效影响很小。

2.5 工作气体

为了保证探测器正常工作，实验前用实验气体将探测器中的空气排出，同时工作时采用流气，保证探测器中充有纯度高的气体[9-10]。

3 结构参数

气体探测器结构示于图1。其由一块阴极板、两块大小相同的阳极板以及一块带有金属网格状的栅极板组成，装入不锈钢的金属外壳内，同时该探测器采用50 nm厚、面积8 mm×8 mm的Si3N4膜作为探测器的入射窗，室壁开有三个孔，分别作为气压表接口、气泵接口、充气孔。极板由厚度为0.1 mm的镀金铜片刻制而成。阴极大小为60 mm×65 mm；每块阳极的大小均为60 mm×32.25 mm，他们之间的间隙为0.5 mm，两块阳极板的总面积(包括阳极之间的间隙)是60 mm×65 mm，栅极板大小为60 mm×65 mm，栅极采用在印刷电路板上敷设镀金钨丝而成，栅极透射率为98.9%，该设计使得灵敏体积内的电场更加均匀。极板的载体为绝缘性能良好印刷线路板。

图1 气体探测器结构

4 调试

采用5.48 MeV的241Am源α粒子进行调试，高纯(99.99%)异丁烷作为实验气体，实验室气温为22～26 ℃，相对湿度为30%～45%。调试的主要内容为气密性实验(真空稳定性实验)、膜窗耐压试验、坪曲线测试、分辨率测试。

4.1 气密性实验

实验过程中，用机械泵将探测器抽真空，腔体内的气压抽到0.1 Pa，用气压表监测24 h内探测器腔体气压变化，每小时记录一次气压值，气压随时间变化示于图2。由图2结果可知，24 h内气压无较大变化，表明该电离室气密性良好，满足气密性要求。

图2 时间与气压变化的关系

4.2 膜窗耐压实验

由于氮化硅膜仅为50 nm，为避免气体探测器的膜窗在充气或者抽气时破裂，进行膜窗耐压实验。该实验建立在合理的真空系统的设计上，整个探测器和前腔室用机械泵粗抽，机械泵可将真空度抽到0.1 Pa，然后开启前腔室的分子泵，利用分子泵抽取前腔室真空至5.6×10-5Pa，分子泵保持工作状态。最后从探测器端缓慢打开放气阀冲入异丁烷气体，使探测器气压由0.1 Pa上升到1 600 Pa。气体探测器膜窗耐压实验数据列于表1，从表1实验数据可以看出，探测器气压由0.1 Pa到1 600 Pa缓慢变化时，前腔室真空度不变，可以证明膜的真空隔离性能满足实验使用要求[11]。

表1 膜窗耐压实验数据

4.3 坪曲线测试

为了确定探测器的性能优劣，需要进行坪曲线测试。探测器实验气压为300 hPa，阴极电压300 V条件下，改变阳极电压，绘制阳极电压与脉冲高度的关系曲线(图3a)，经实验验证阈电压为200 V时，50～200 V为复合区，200 V以后进入饱和区。探测器实验气压为300 hPa，阳极电压300 V条件下，改变阴极电压，绘制阴极电压与脉冲高度的关系曲线(图3b)，经实验验证，阈电压为200 V时，50～200 V为复合区，200 V以后进入饱和区。该实验可以看出，一定条件下，脉冲高度随着电压增大而增大，这是因为复合损失随电压升高而减小，继续增大电压时复合逐渐消失，电流趋向饱和，此时达到探测器的饱和区。探测器的饱和电压低，饱和区域大，斜率小，表明探测器性能优良。

a——阳极电压；b——阴极电压

4.4 分辨率测试

不同气压下沉到阴极和阳极1上的能量列于表2。采用α源模拟计算(SRIM2008和SRIM2013)，在气压100 hPa时，阴极板和阳极板沉积的能量相当于低能量重离子沉积的能量，模拟的能量与真实实验测量的离子能量相近。

表2 不同气压下沉积到各个极板上的能量

测量5.48 MeV的α粒子的分辨率。气压设定为100 hPa，栅极电压为0 V时，得到阳极1和阴极的分辨率随电压(例如：阳极电压a和阴极电压-a，改变|a|)变化曲线示于图4。从图4结果中可以看出，阳极1电压在160 V和350 V时皆有能量分辨率的极值点，阴极电压在350 V时有能量分辨率的极小值，阳极1电压极值点和阴极电压极值点取交集，得到350 V是最佳电压，此外从坪曲线上看，160 V不在坪曲线区域内，350 V为测得的最佳分辨率。

将电压设定为350 V最佳电压值时，通过数据获取系统分别测量阳极1和阴极α粒子的分辨率以及双维谱，如图5～6所示，阳极1和阴极都测得较好的分辨率，阳极1为10.55%，阴极为9.43%，同时获得了清晰的双维谱，测量结果表明该探测器有较高的分辨率，性能优良，满足使用需求。

图4 不同电压下阳极1和阴极的分辨率

图5 阳极1(a)与阴极(b)的能谱

图6 双维谱

5 在束应用

该探测器在中国原子能科学研究院自主研制且具有自主产权的300 kV小型化AMS系统上进行步实验，电荷态为2+时的离子鉴别，对于129I测量时选取2+电荷态，129I与电荷之比为63.5，此时可能伴随129I的离子主要是63Cu。此时129I2+的粒子能量为0.9 MeV，63Cu1+的能量为0.45 MeV，因此只要从能量上测定即可将不同粒子区分开。图7为129I/127I比值为3.75×10-11和2.7×10-13的探测器测量谱，可以看出利用探测器可以很好实现不同粒子的鉴别，实现了对129I的高效高灵敏测量，该探测器对129I的测量灵敏度达到了10-13国际水平[12]，同时系统传输效率达到50%，有效排除了各种干扰本底，成功实现了对低能量重核素的测量。

a——129I/127I=3.72×10-11；b——129I/127I=2.7×10-13

6 结论

该种气体探测器气密性良好，具有较长的工作坪区，较小的坪斜，可在200～450 V高压范围内稳定工作。模拟计算、调试以及在束应用结果表明，采用厚50 nm、面积8 mm×8 mm的极薄 Si3N4膜作为探测器入射窗的气体探测器，满足对低能量重离子的测量要求，其应用效果显著，完成了铍窗和Mylar膜窗不能完成的工作，取得了良好的应用效果，为低能重离子探测技术研究奠定了基础。