PIPS-低本底α、β测量影响因素的研究

程 枭,刘 冲

(南华大学 电气工程学院,湖南 衡阳 421001)

0 引 言

低本底α、β测量仪作为检测低浓度α、β的一种必不可少的常规测量手段，具有灵敏度高、本底低及稳定性好的特点，被广泛应用于各方面的弱α、β放射性测量。钝化离子注入平面硅型PIPS半导体探测器的晶体表面采取了离子注入钝化处理技术，对α、β粒子响应好，同时环境γ影响小，且可擦拭、灵敏层薄、输出脉冲信号快，是目前低本底α、β活度分析的发展方向[1]。探测器两端的反向偏压、探测器与放射源之间距离及探测环境中真空度会对PIPS探测器的探测性能产生影响[2]。为研究偏压、源距和真空度对PIPS探测器在低本底α、β测量中的影响程度，本文在其他因素条件不变的情况下进行了一系列试验，分别通过单独改变偏压、源距及真空度，研究偏压、源距和真空度对测量的影响。

1 α、β测量分析原理

放射源产生的粒子会入射到PIPS探测器中，产生电子-空穴对，在探测器两端施加一定的偏置电压，产生的电子和空穴会在电场的作用下分别向两极漂移，在回路中形成电信号，电信号先后通过前置放大器和多道分析器后输出到计算机上，获得能谱图[3]。

不同能量的放射源产生的脉冲幅度大小具有线性关系，因此在低本底α、β测量仪进行α、β测量时，能量与道址成线性关系[4]。已知239Pu平面源的最大能量值为5.155 MeV，241Am平面源的最大能量值为5.486 MeV[5]，根据测得的两α平面源的峰顶道址，结合已知条件代入下式可以得到能量与道址的线性关系。

E=a×m+b

(1)

式中：E——能量值；m——峰顶对应道址。

在α与β粒子的区分中，一般认为能量大于3MeV的为α粒子，能量小于2.2MeV的为β粒子[6]。可以得出不同条件下能量与道址的线性关系，取平均值确定低本底α、β测量仪的α道与β道的区间，用于分析低本底α、β测量仪测量结果。

用各试验的本底计数率、探测效率以及串道比的极差与国家标准GB/T11682—2008《低本底α和/或β测量仪》中仪器分级的Ⅰ级到Ⅲ级差值的比值来表示该影响因素对各指标的影响程度。α本底计数率的仪器分级差值为0.9 计数·cm2/h，β本底计数率的仪器分级差值为0.9 计数·cm2/h，α和β的探测效率的仪器分级差值为20%，若比值大于0.1，α射线对β道的串道比的仪器分级差值为4%，β射线对α道的串道比的仪器分级差值为1%。因为比值小于0.1时，所有指标都不会从Ⅰ级仪器变化为Ⅲ级仪器，因此若比值大于0.1，则认为该因素对此指标有一定影响，小于0.1则认为太大的影响。

2 试验方案

决定低本底α、β测量仪性能的最重要的指标是本底计数率、探测效率和串道比[7]，本试验参考国家标准GB/T11682—2008《低本底α和/或β测量仪》规定的试验方法进行测试。

试验采用自制的PIPS-低本底α、β测量系统，其中PIPS探测器型号为HPL-AB20-R14，直径20mm，耗尽层为300nm，用于试验的放射源信息如表1所示。

表1 放射源信息Table 1 Radioactive source information

2.1 偏压试验

在探究偏置电压对低本底α和β测量仪器性能的影响时，在测量室内放置放射源、PIPS探测器和前置放大器，在测量位置放置239Pu、241Am和90Sr平面源。在大气压环境下进行α、β测量;在测量位置放置一个没有放射源的空样品盘，并在大气压环境下进行本底测量。受探测器自身性能的影响，本试验选取7 组不同的偏置电压，分别为10、20、30、40、50、60、70 V，其他测量条件保持不变。在相同的偏置电压条件下，分别进行α、β和本底测量。本底测量时间为24 h；α的每次测量累计计数不少于1 000 次，每次测量10 次；每次测量β的累积计数不小于1 000，测量10 次[4]。

2.2 源距试验

在探讨探测器与放射源之间的距离对低本底α、β测量仪性能的影响时，采用同偏置试验的方式，在大气压下进行α、β和本底测量。利用自制的距离调节装置，调整探测器的位置，改变探测器与放射源之间的距离。

由于受探测器、放大器结构和测量室大小的影响，本试验选择了5组不同的源距进行测试，分别为1、3、5、7、9 mm，该源距指PIPS探测器边缘到放射源之间的距离。在相同的源距下，分别进行α、β和本底测量。本底测量时间为24 h；α的每次测量累计计数不少于1 000 次，每次测量10 次；每次测量β的累积计数不小于1 000，测量10 次。

2.3 真空度试验

在探索真空对低本底α、β测量仪器性能的影响时，需要进行α、β和本底测量。用真空调节阀连接测量室和真空泵，调节测量室的真空度。安装在测量室内的绝对气压计可以检测测量室内的真空度。显示的真空度值越小，真空效果越好，反之亦然。

为了保证可靠的测试结果，需要在测试前对前置放大器的放大倍数、多通道分析仪的阈值以及探测器与放射源的距离进行调整。源距调整到约1 mm，使α和β都可以有效地计数，并在开始真空测试前保持此测试条件不变。试验过程中，打开真空泵，调节真空调节阀，使测量室内的真空度在0～100 kPa范围内变化。选择7组不同的真空条件进行测试，分别为1、10、30、50、70、90、95 kPa。调整压力稳定后，在相同的真空条件下进行α，β和本底测量。本底测量时间为24 h；α的每次测量累计计数不少于1 000 次，每次测量10 次；每次测量β的累积计数不小于1 000，测量10 次。

3 结果与分析

3.1 偏压试验结果

1)偏压与道址

根据偏置电压试验结果可知，改变偏置电压会改变α放射源239Pu的峰顶道址。对测量结果进行线性拟合，如图1所示。

图1 探源距试验239Pu峰顶道址Fig.1 The 239Pu peak road site of the source distance test

从图1可以看出，随着探测器工作偏压的逐渐增大，会导致α放射源的峰值道址发生偏移，并逐渐增大。从10 V到20 V变化大，从20 V到70 V变化小。这是因为当PIPS半导体探测器的工作压发生变化时，PN结电容的宽度也随之变化，从而使结区域内的电荷量也发生变化，峰顶道址也随着偏压的变化而改变[6]。根据测量分析原理中的方法，可以确定用于偏压试验的低本底α、β测量仪的α通道和β通道的道址区间。

偏压试验中10、20、30、40、50、60、70 V的α道与β道址区间如图2所示。图中239Pu的α能谱图在峰位的左边有很明显的倾斜的主要原因是粒子通过在源和探测器之间的介质，造成了能量损失。峰位是通过导出α能谱的实测数据直接找出的。

图2 偏压试验10、20、30、40、50、60、70 V α、β道址区间Fig.2 Bias voltage test 10、20、30、40、50、60、70 V α, β road site interval

2) 偏压试验性能结果

不同偏压条件下低本底α、β测量仪的α、β的探测效率测量分析结果如表2所示。

由表2的数据可以得到：

表2 偏压试验性能结果Table 2 Bias test performance results

α本底计数率的极差与仪器分级差值的比值为1.067，β本底计数率的极差与仪器分级差值的比值为0.401。可以看出，10～70 V的偏压对α本底计数率的影响程度较大，偏压的增加会逐渐降低α本底计数率；10～70 V的偏压对β本底计数率影响程度相对较小，偏压增大会逐渐增加β本底计数率。

α探测效率的极差与仪器分级差值的比值为0.055，β探测效率的极差与仪器分级差值的比值为0.088。可以看出，10～70 V的偏压对α探测效率和β探测效率没有影响。但由上表可以看出偏压从10 V到20 V时，β探测效率增加的较为明显。

α串β道的串道比的极差与仪器分级差值的比值为0.100，β串α道的串道比的极差与仪器分级差值的比值为0.140。可以看出，10～70 V的偏压对α串β道的串道比的几乎没有影响，但偏压从10 V到20 V时，α串β道的串道比减小较为明显；10～70 V的偏压对β串α道的串道比的影响程度也较小，增大偏压会使β串α道的串道比逐渐增大。

3.2 源距试验结果

1)源距与道址

根据源距试验结果可知，改变源距会改变α放射源239Pu的峰顶道址。对测量结果进行线性拟合，如图3所示。

图3 源距试验239Pu峰顶道址Fig.3 Source distance test 239Pu peak road site

从图3中可以看出，随着探测器与放射源距离的逐渐增加，会导致α放射源的峰值道址发生偏移并变小。由于调整放射源与探测器边缘的距离是人为手动进行的，存在一定的误差，导致源距试验中峰顶道址与源距的的线性关系较差。

2)源距试验性能结果

不同源距条件下低本底α、β测量仪的α、β的探测效率测量分析结果如表3所示。

由表3的数据可以得到：α本底计数率的极差与仪器分级差值的比值为1.056，β本底计数率的极差与仪器分级差值的比值为0.268。可以看出，源距对α本底计数率的影响较大，增大源距会增加α本底计数率；源距对β本底计数率的影响相对较小，增大源距也会增加β本底计数率。

表3 源距试验性能结果Table 3 Source distance test performance results

α探测效率的极差与仪器分级差值的比值为2.593，β探测效率的极差与仪器分级差值的比值为0.479。可以看出，源距对α探测效率有很大的影响，增大源距会降低α探测效率；源距对β探测效率的影响相对较小，增大源距会降低β探测效率。

α串β道的串道比的极差与仪器分级差值的比值为0.130，β串α道的串道比的极差与仪器分级差值的比值为0.100。可以看出，源距对α串β道的串道比的影响较小，增大源距会增大α串β道的串道比；源距对β串α道的串道比没有影响。

3.3 真空度试验结果

1)真空度与道址

根据真空度试验结果可知，改变真空度会改变α放射源239Pu的峰顶道址。对测量结果进行线性拟合，如图4所示。

图4 真空试验的239Pu峰顶道址Fig.4 The 239Pu peak road site of the vacuum test

由图4可见，随着真空度的逐渐增加，α放射源的峰顶道址会发生偏移并变小。

2)真空度试验性能结果

不同真空度条件下低本底α、β测量仪的α、β的探测效率测量分析结果如表4所示。

表4 真空度试验性能结果Table 4 Performance results of vacuum test

由表4的数据可以得到：

α本底计数率的极差与仪器分级差值的比值为0.822，β本底计数率的极差与仪器分级差值的比值为0.216。可以看出，真空度对α本底计数率的影响较大，真空度的增大会降低α本底计数率；真空度对β本底计数率的影响相对较小，真空度的增加整体上会使β本底计数率减小。

α探测效率的极差与仪器分级差值的比值为0.188，β探测效率的极差与仪器分级差值的比值为0.054。可以看出，真空度对α探测效率的影响不大，这是由于α道的范围较宽，所以α探测效率的变化趋势表现不明显。真空度增大会降低α探测效率；真空度对β探测效率没有影响。

α串β的串道比的极差与仪器分级差值的比值为0.048，β串α的串道比的极差与仪器分级差值的比值为0.040。可以看出，真空度对α串β的串道比和β串α的串道比均为影响。但真空度从1 kPa变化到95 kPa时，测量的239Pu谱线存在明显拖尾越来越严重现象，但因为α道的范围较宽，所以α串β的串道比的变化不明显。

4 结 论

本文按照国家标准要求，通过实际测试，研究了影响PIPS-低本底α、β测量仪性能的影响因素，分析了偏置电压、源距和真空度对测量仪性能的影响。从测试结果可以看出：1)改变偏置电压、源距和真空会改变峰顶道址的位置。2)偏置电压、源距和真空度是PIPS-低本底α和β测量仪的影响因素。偏置电压和源距的影响较小，源距的影响最大，特别是在探测效率方面。3)由各试验分析结果可以看出，偏差电压、源距离和真空度对α本底计数率的影响均较大，这是因为α本底计数率本来就很小，所以很小的波动会对它产生较大的影响。

低本底α、β测量仪广泛应用在环境样品、气体样品、进出口商品、水样品等弱α、β样品的放射性的检测。在进行PIPS-低本底α、β测量仪设计时，可以按照实际需要通过改变偏压、源距和测量环境的真空度达到改善仪器性能的目的。