用于8keV～1.5MeV中子注量测量的时间投影电离室气体性能研究

焦听雨 李 玮 李晓博 肖凯歌 秦 茜 李世垚

(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

在中子计量领域，注量不仅是表征中子数量多少的重要物理量，也是在某些测量方法中计算中子发射率、中子周围剂量当量和个人剂量当量等量值的重要参数之一。由于绝大部分中子探测器的注量响应会随能量不断变化，因此需要在单能中子参考辐射场下进行响应校准[1-5]。

(1～100)keV能区是中子注量绝对测量的难点之一。其困难之处主要有3个方面：1)该区间内很多反应截面处于共振能区，截面不确定度较大，难以用于绝对测量[1,5]；2)该区间内产生单能中子的反应产额较低。当探测器效率较低时，可能造成统计不确定度和测量时间大大增加；3)中子能量范围向下扩展的过程中，中子信号越来越难以与γ本底和电子学噪声进行区分。如何提高信噪比和进行n/γ甄别是扩展能量下限的关键。

2010年，法国IRSNC.Golabek等人[6-8]将时间投影电离室引入中子注量测量领域。时间投影电离室[9-11]最初用于高能物理领域，其结构的特殊之处在于将电离室和正比管结合在一起，兼具二者的优点：电离室灵敏体积相对较大，因此探测效率较高；而正比管由于信号放大，信噪比较好。另外，它能够测量带电粒子径迹，根据运动学关系不通过解谱就能够反推中子能谱。此外，通过粒子在单位路径上的能量沉积来进行粒子甄别，可以降低γ或其他粒子带来的本底。

2 工作原理

时间投影电离室工作原理如图1所示。左侧为阴极，右侧为阳极，中间为气体倍增装置，将探测器分成电离区、正比区和收集区三个区域。假设中子垂直从阴极入射，与工作气体中的H原子发生弹性散射产生反冲质子，反冲质子在漂移的过程中不断使气体电离和激发产生次级电子。电子在电场的作用下向阳极漂移，漂移经过气体倍增装置——GEM，由于其内部的强电场，电子会发生倍增，最终信号被阳极收集。阳极平面为XY平面。将XY平面分隔成多个小电极，通过不同电极上的信号就能够得到质子在XY平面上的投影径迹。Z方向为探测器轴线方向。在Z方向上，假设电子在电离区中的漂移速度不变，不同位置产生的次级电子的漂移时间不同，通过测量两个电极信号之间的时间差，就能够计算质子的Z轴信息，进而推算反冲角θ。通过一个固定的时间窗选出XY平面上单个质子产生的信号，不同电极在固定时间窗内的电荷总和表征质子能量。已知XYZ三轴信息和质子能量信息，就能够根据式(1)通过运动学关系反推中子能量为

图1 时间投影电离室工作原理示意图

En=Ep(1+tan2θ)

(1)

式中：En——中子能量；Ep——质子能量；θ——反冲角。

气体倍增装置GEM是时间投影室最关键的部件之一，其结构为三明治结构，上下两层铜膜，厚度约为5μm，中间为聚酰亚胺，厚度约为50μm。膜上均匀分布小孔，孔间距140μm，孔径约70μm。由于GEM很薄，因此只要在铜膜上加几百伏的电压就能够在膜孔中获得比较强的电场。

3 气体参数设计

时间投影电离室气体设计过程中有几个关键参数：电子漂移速度、扩散系数、汤生系数和复合系数等。使用Garfield++软件对上述参数进行模拟计算，确保时间投影电离室达到设计性能指标，后续还可以利用模拟结果进行设计优化。Garfield++是一款面向对象的模拟计算程序，由欧洲核子中心(CERN)编写，主要用于模拟以混合气体或半导体为介质的粒子探测器。

3.1 漂移速度

电子漂移速度是指初级电子在电离区中沿外加电场做定向漂移时的运动速度，与气体种类、组分、气压、温度和电场强度等参数有关，单位常使用cm/μs或cm/ns。当初级电子刚产生时，能量较低，因而其在工作气体中漂移的过程中通常与气体原子或分子发生弹性碰撞，损失能量较小。此时，电子从外加电场中获得的能量大于弹性碰撞损失的能量，电子在漂移过程中逐渐加速，获得更高的能量。当电子能量高于气体原子或分子的激发能级后，可能与气体原子或分子发生非弹性碰撞，此时能量损失逐渐增大。最终，电子从电场中获得的能量与碰撞损失的能量平衡后，电子的漂移速度就不再增加。电子的平均能量可以由式(2)表示

(2)

式中：ue——电子杂乱运动速度；η——电子温度；3/2kT——平衡热运动能量；k——玻尔兹曼常数；T——气体绝对温度。

3.2 扩散系数

电子会因空间密度不均而由密度大的空间向密度小的空间扩散。扩散与气体的性质、温度和压强有关。

Garfield++所计算的扩散系数σ定义如式(3)

(3)

其中，扩散距离单位为μm，漂移距离单位为cm，扩散系数单位为cm1/2。由式(3)可知，当扩散系数和漂移距离已知时，扩散距离为扩散系数与漂移距离的平方根之积。最长漂移距离即为电离区长度。

扩散按方向分为纵向扩散和横向扩散，纵向扩散为沿电场方向的扩散，横向扩散为垂直于电场方向平面上的扩散。纵向扩散影响电子到达阳极的时间，进而影响Z方向上的时间分辨率。横向扩散会影响XY平面的空间分辨率，进而影响反冲质子径迹重建以及中子能量分辨率。

3.3 汤生系数

根据汤生气体放电理论，气体在强电场中产生电子倍增放大的增益可由式(4)计算

(4)

式中：M——倍增增益；x1,x2——电子发生倍增放大和阳极平面的位置；α——汤生系数。

由式(4)可知，汤生系数越大，探测器增益越大。汤生系数可通过理论计算的方式得到，也可以通过模拟计算的方式得到。理论计算的近似公式如式(5)

α=pAe-Bp/E

(5)

式中：p——工作气体压强；E——电离区外加电场强度；A,B——常数，与工作气体性质、压强和电场强度有关。

3.4 复合系数

电子或负离子与正离子碰撞可能发生复合作用，形成中性原子或中性分子。电子与正离子的复合称为电子复合，负离子与正离子的复合称为离子复合。复合系数反映了电子在气体中发生复合作用的概率，复合系数与气体的性质、温度、压强以及粒子运动速度有关。由于离子运动速度远小于电子运动速度，因此离子复合系数远大于电子复合系数。在漂移路径上，由于发生复合作用而损失的电子占电离产生的电子的比例可用式(6)计算

P=1-e-ηL

(6)

式中：P——损失电子的比例；η——复合系数，cm-1；L——漂移距离，cm。

电子与气体分子发生碰撞时，可能被俘获而产生负离子，俘获概率与气体性质有关。负电性气体，诸如O2、水蒸气和卤素气体等俘获概率较大；惰性气体以及N2，H2，CH4等气体的俘获概率较小。一旦产生了负离子，其漂移速度就会大大降低，从而增加复合损失。而电子从产生到在阳极被收集的过程中会与气体分子发生大量碰撞(当电子运动速度约为107cm/s时，碰撞次数约为105次/μs)，即使工作气体中只有少量负电性杂质，也会大大增加电子被俘获的概率。因此在充工作气体时，应尽量避免混入负电性气体杂质。

4 单质气体模拟计算结果

为比较不同气体的性质，选择适当的工作气体，计算了H2，He，CH4，CHF3，Ar，CF4，正丁烷(nC4H10)和异丁烷(iC4H10)的各项参数。在选择工作气体时，应综合考虑各种因素，当某些性质无法两全时做出进行折中，选取最优化的设计。下面详细说明计算结果。

4.1 气体性质对各参数的影响

不同单质气体漂移速度如图2所示。图2中，横坐标位为电场强度，电场强度计算范围为(50～1 000)V/cm，共计算10个场强点。从图2中可以看出，H2，Ar和CHF3漂移速度较低，且在上述电场范围内，漂移速度随电场的增加几乎呈线性增长，最高速度不超过5cm/μs。He的漂移速度初始较低，但是随电场强度的增加增长较快，最高可达10cm/μs。CH4初始漂移速度较高，超过9cm/μs，但是随着电场强度的增加，漂移速度首先保持不变，当电场强度达到200V/cm时突然下降，随后趋于稳定，约为5cm/μs。CF4漂移速度最高，随着电场强度的增加，其漂移速度先增加，后减小，但始终保持在较高的水平，最低速度大于8cm/μs，最高可达14cm/μs。

图2 不同单质气体漂移速度图

不同单质气体的纵向和横向扩散系数如图3和图4所示。从图3中可以看出，单原子分子气体扩散系数明显高于双原子或多原子分子气体。单原子分子气体纵向扩散系数随电场强度的增加而先增大后减小，低电场强度下Ar扩散系数大于He，高电场强度下Ar扩散系数小于He。多原子分子气体的扩散系数在不同场强下保持稳定。其中H2有一点的计算值反常偏低，可能是由于统计不够造成的。分析多原子气体分子的扩散系数可知，分子量越大，扩散系数越小。在单原子分子气体中加入多原子分子气体可降低其扩散系数。

图3 不同单质气体纵向扩散系数图

图4 不同单质气体横向扩散系数图

不同单质气体汤生系数如图5所示。在计算的8种气体中，只有H2，He和Ar三种气体的汤生系数不为0，且H2的汤生系数几乎为0，可以忽略不计。汤生系数反映了电子倍增的能力，因此，当气体汤生系数较大时，可以提高探测器信号幅度。从图5中可知，气体汤生系数随电场强度的增加而增加，He的汤生系数在电场强度大于300V/cm时开始明显增大；Ar的汤生系数在电场强度大于600V/cm时开始明显增大。He的汤生系数大于Ar。

图5 不同单质气体汤生系数图

不同单质气体复合系数如图6所示。在计算的8种气体中，除图例中显示的3中气体外，其余气体复合系数均为0。图6中只有CF4由明显的复合系数，其余2种复合系数接近0。而CF4的复合系数只有在电场强度大于600V/cm时才有较明显的增大。

图6 不同单质气体复合系数图

4.2 气压对各参数的影响

气压是探测器充气的关键参数之一，以丁烷为例，对不同气压下异丁烷各参数性能进行了计算和分析。不同气压下异丁烷漂移速度比较如图7所示，图中所示气压单位为kPa。从图中可以看出，气压越低，初始漂移速度越高。随着电场强度的增加，漂移速度先迅速增加，后趋于平缓，且气压越低漂移速度越早达到平缓的拐点。在漂移速度缓慢增长段，不同气压之间差异较小。

图7 不同气压异丁烷漂移速度图

不同气压异丁烷纵向和横向扩散系数如图8和9所示。不同气压异丁烷纵向扩散系数先随电场强度的增加而下降，后趋于平稳。气压越大，平稳后的纵向扩散系数越小。纵向扩散系数随电场强度的增加总体变化不大。气压越大，横向扩散系数越小。

图8 不同气压异丁烷纵向扩散系数图

图9 不同气压异丁烷横向扩散系数图

5 结束语

时间投影电离室工作气体的选择是影响其能量测量范围、能量分辨率和注量响应的关键之一。不同的气体种类、组分和气压影响电子漂移速度、扩散系数、汤生系数和复合系数。使用Garfield++软件计算了多种不同单质和混合气体的各项参数。计算结果表明，对于单质气体来说，含氢气体中CH4具有较高的漂移速度，He和Ar等单原子分子气体具有较高的汤生系数和扩散系数，CF4符合系数较大。而混合气体的各项性质介于所混合的单质气体的性质之间。综合比较各气体性质，可选用一种稀有气体(He、Ar等)和一种含氢气体(H2、CH4等)的混合物作为中子注量测量的工作气体，含氢气体的比例和气压可根据中子能量的改变而改变。