薄窗型多陽極氣體探測(cè)器研究進(jìn)展

趙慶章，于 波，龐義俊，張宇軒，王芳芳，孟 齊，武紹勇，姜 山，何 明

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

電離室、正比計(jì)數(shù)器和蓋革-彌勒(G-M)計(jì)數(shù)器均以氣體為探測(cè)介質(zhì)，且在結(jié)構(gòu)上有相似之處，統(tǒng)稱為氣體探測(cè)器。在核物理發(fā)展早期，氣體探測(cè)器應(yīng)用最廣。五十年代以后，由于閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而逐步被取代。但是氣體探測(cè)器制備簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉、使用方便，至今仍應(yīng)用在高能物理和重離子物理領(lǐng)域。隨著加速器質(zhì)譜小型化、低能量化發(fā)展，粒子探測(cè)技術(shù)精確測(cè)定低能量下的重離子是研究者關(guān)注的重要科學(xué)問題。硅探測(cè)器可有效分辨輕離子，但對(duì)重離子分辨不佳，同時(shí)有輻射損傷，而氣體探測(cè)器無輻射損傷，是目前重離子檢測(cè)的最佳選擇。將氣體探測(cè)器陽極分區(qū)，可以測(cè)量粒子損失能量與剩余能量。以往氣體探測(cè)器入射窗的厚度較厚，同時(shí)硅探測(cè)器的死層較厚，測(cè)量低能量粒子時(shí)，其在入射窗中損失能量占總能量比例大，沉積到探測(cè)器介質(zhì)中的能量小，故一般氣體探測(cè)器和硅探測(cè)器用于高能離子的探測(cè)(能量高于1 MeV/u的粒子)。現(xiàn)用薄的氮化硅膜替代常用的Mylar膜，并配合低噪聲前置放大器鑒別低能量重離子。本文主要對(duì)現(xiàn)有薄窗型氣體探測(cè)器的探測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 基本原理

ΔE-E技術(shù)廣泛應(yīng)用于粒子鑒別。此方法由兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器組成的測(cè)量系統(tǒng)接收同一方向的入射帶電粒子，就像望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)某個(gè)方向，所以又稱為ΔE-E探測(cè)器望遠(yuǎn)鏡方法。最簡(jiǎn)單的探測(cè)器望遠(yuǎn)鏡包括兩個(gè)探測(cè)器，待測(cè)粒子穿過第一個(gè)探測(cè)器停止在第二個(gè)探測(cè)器中。第一個(gè)探測(cè)器稱為通過探測(cè)器，或者投射探測(cè)器，也叫ΔE探測(cè)器；第二個(gè)探測(cè)器的厚度應(yīng)大于待測(cè)粒子在其中的剩余射程，稱為停止探測(cè)器，也叫E探測(cè)器[1]。

離子穿過物質(zhì)時(shí)因電離作用造成的能量損失率，可以用Bethe-Block公式[1]表示。在非相對(duì)論區(qū)，Bethe-Block公式可化簡(jiǎn)為：

(1)

式中，dE/dX為入射離子與電子碰撞(使原子電離或者激發(fā))引起的能量損失率，MeV/cm；C為與阻擋介質(zhì)有關(guān)而與入射粒子無關(guān)的參數(shù)；v為入射粒子速度，cm/s；m為電子的質(zhì)量；I為阻擋介質(zhì)原子的平均電離電位，I≈12ZA(eV)，ZA為阻擋介質(zhì)的原子序數(shù)；Ze為入射粒子的有效電荷，即以電子電荷為單位的均方根電荷。在非相對(duì)論區(qū)，E=1/2Mv2，公式(1)可化簡(jiǎn)為：

(2)

式中，B和b為與離子無關(guān)的常數(shù)；M為離子質(zhì)量，kg。能量為E(MeV)的離子在厚度為t(cm)的透射探測(cè)器中損失能量為ΔE，忽略對(duì)數(shù)項(xiàng)隨離子能量的慢變化，則有：

(3)

對(duì)于固定ΔE探測(cè)器，t為常數(shù)，則：

(4)

入射帶電粒子在探測(cè)器氣體中生成一對(duì)離子對(duì)需要的能量約為30 eV，稱為電離能。電離能和入射粒子的類型還與探測(cè)器中的氣體有關(guān)。如果探測(cè)的離子在氣體電離室中完全停止，則輸出信號(hào)高度與電離出的載流子總數(shù)成正比，電離出的載流子數(shù)目N=E/w與入射到探測(cè)器中的離子能量有關(guān)(已經(jīng)減掉在窗上損失的能量)。因此，當(dāng)加速器加速離子的動(dòng)能確定時(shí)，為使探測(cè)器輸出信號(hào)最大化，對(duì)能量一定的離子需要減少在探測(cè)器窗中損失的能量，另一方面需要尋找合適的氣體。雖然入射帶電粒子在探測(cè)器氣體中生成一對(duì)離子對(duì)需要的能量約30 eV，但要尋找盡可能小的電離能w，使脈沖的高度最大化，達(dá)到探測(cè)器能量分辨率最優(yōu)上限。

電離碰撞是隨機(jī)過程，即使離子在氣體中損失相同的能量，總電離仍然有統(tǒng)計(jì)漲落，電離的統(tǒng)計(jì)漲落決定了探測(cè)器能量分辨率的下限。提高探測(cè)器能量分辨率上限除了增加脈沖高度，還可減少能量一定的重離子在探測(cè)器窗中能量的歧離。每種離子類型的分辨率可近似表示為：

(5)

式中，a、b為擬合參數(shù)。

由于探測(cè)器中氣體不純，電子與氣體分子碰撞時(shí)，可能被O2、水蒸氣等捕獲而形成負(fù)離子，其結(jié)果是漂移速度沒有電子快，增加了復(fù)合損失，減少了脈沖高度，降低了探測(cè)能量分辨率，因此嚴(yán)格要求探測(cè)器中的氣體純度，氣體一般選擇高純異丁烷。

2 技術(shù)方法

2.1 薄氮化硅膜與Mylar膜對(duì)比

利用氣體探測(cè)器作為探測(cè)手段的加速器質(zhì)譜，被鑒別的離子必須具有一定動(dòng)能才能穿過ΔE探測(cè)器，并在E探測(cè)器中損失一定的能量。傳統(tǒng)的加速器質(zhì)譜基于核物理實(shí)驗(yàn)中的大型加速器建立，傳輸效率較低，為提高加速器質(zhì)譜的傳輸效率，加速器質(zhì)譜小型化和低能化是發(fā)展趨勢(shì)。剩余能量隨入射離子的質(zhì)子數(shù)Z變大而變小(圖1)。離子的總能量變低后，為了增大低能重粒子在探測(cè)器中沉積的能量，需要入射窗的厚度越薄越好，即入射窗材料的面密度越小越好。

圖1 TRIM計(jì)算1 MeV的粒子穿過50 nm氮化硅和500 nm的Mylar膜[2]Fig.1 Calculation of 1 MeV particle through TRIM pass 50 nm silicon nitride and 500 nm Mylar film[2]

2.2 不同質(zhì)子數(shù)Z的低能量粒子脈沖高度對(duì)比

氣體探測(cè)器與硅探測(cè)器相比，硅探測(cè)器產(chǎn)生電子-空穴對(duì)所需的能量?jī)H約3 eV，對(duì)相同能量的離子，此時(shí)氣體探測(cè)器輸出電子離子對(duì)數(shù)是硅探測(cè)器輸出電子空穴對(duì)數(shù)的10%～12.5%。所以氣體探測(cè)器中產(chǎn)生的電子在陽極板上必須有效的收集。在氣體探測(cè)器中，使用幾乎不俘獲自由電子形成負(fù)離子的工作氣體，通常因?yàn)槭占娮釉跉怏w中的漂移速度比離子更快(大約高3個(gè)數(shù)量級(jí))。電路的時(shí)間常數(shù)(RC)值應(yīng)遠(yuǎn)小于正離子收集時(shí)間，但要大于電子收集時(shí)間，這時(shí)可認(rèn)為電子已經(jīng)被收集而正離子幾乎還沒有在電場(chǎng)中移動(dòng)，由于輸出脈沖的幅度與離子對(duì)產(chǎn)生的地點(diǎn)有關(guān)，為了使電荷收集獨(dú)立于離子對(duì)產(chǎn)生位置，設(shè)計(jì)Frisch-柵網(wǎng)安裝在陽極前面，柵網(wǎng)屏蔽了電離區(qū)域，使電子在沒有穿過柵網(wǎng)前，不能在陽極板上產(chǎn)生信號(hào)。設(shè)計(jì)并選擇柵網(wǎng)絲直徑和柵網(wǎng)絲的間距，仔細(xì)調(diào)整柵極和陽極之間的電壓差才能獲得最佳電子傳輸率和屏蔽效果。電子穿過柵網(wǎng)而不被柵網(wǎng)俘獲才會(huì)在陽極有脈沖信號(hào)，脈沖的高度與離子對(duì)產(chǎn)生的位置無關(guān)，只與入射離子在氣體中產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)有關(guān)[4-7]。

相同能量不同原子序數(shù)的入射離子在氣體探測(cè)器中產(chǎn)生的脈沖高度不同(圖2)，由于不同Z的粒子在入射窗中損失的能量不同，一般隨原子序數(shù)的增高脈沖高度降低，稱為脈沖高度虧損。

圖2 不同Z與不同能量的粒子在探測(cè)系統(tǒng)中產(chǎn)生的脈沖高度[3]Fig.2 Pulse heights generated by detection systems using different Z and different energy particles[3]

2.3 薄窗型氣體探測(cè)器與硅探測(cè)器對(duì)比

氣體電離室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提高其能量分辨率?，F(xiàn)采用兩種方法：(1) 調(diào)節(jié)探測(cè)器的輸入?yún)?shù)(如極板電壓和氣體壓力)使相同能量的粒子在探測(cè)器中達(dá)到最大脈沖高度，硅探測(cè)器不能改變面密度，但氣體探測(cè)器可通過調(diào)節(jié)氣壓大小改變面密度，使用方便；(2) 由于氣體探測(cè)器入射窗的厚度較厚，在硅探測(cè)器中相當(dāng)于其死層較厚。測(cè)量低能粒子時(shí)，在窗中損失能量占總能量的比例大，沉積到探測(cè)器介質(zhì)中的能量就小，所以一般氣體電離室與硅探測(cè)器用于高能離子的探測(cè)(能量高于1 MeV/u的粒子)。但是，現(xiàn)在可使用薄的氮化硅膜替代常用厚的Mylar膜，并配合低噪聲前置放大器使用。所以提高窗的材料強(qiáng)度、減小窗的厚度，用均勻性高的氮化硅窗可以使氣體探測(cè)器信號(hào)脈沖高度穩(wěn)定，且相同能量的低能重離子在探測(cè)器窗的能量歧離最小。此外，氣體探測(cè)器中氣體的均勻性高于1%，很薄的硅探測(cè)器難以達(dá)到，保證了低能量下重離子氣體探測(cè)器能量分辨率優(yōu)于硅探測(cè)器。

圖3顯示了能量分辨率作為所有研究粒子類型的能量的函數(shù)，硅探測(cè)器測(cè)量重離子的分辨率也可從中得知。氮、硫、鐵、碘、金元素在能量0～3 000 keV時(shí)，對(duì)比氣體探測(cè)器與硅探測(cè)器探測(cè)到的半高寬(FWHM)，可以發(fā)現(xiàn)相同元素種類且相同能量的粒子，用氣體探測(cè)器得到的半高寬比硅探測(cè)器得到的半高寬小。

圖3 氣體探測(cè)器與硅探測(cè)器半高寬對(duì)比[2]Fig.3 Comparison of half height and width of gas detector and silicon detector[2]

綜上所述，氣體探測(cè)器的輸出信號(hào)高度對(duì)單能粒子的響應(yīng)由探測(cè)器入射窗口中的能量損失和散射、載流子產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)漲落、電子學(xué)的噪聲造成。在低能量(約1 MeV)下用氣體探測(cè)器測(cè)量重離子，必須使用幾十納米的均勻薄氮化硅膜[2]。該膜薄、強(qiáng)度高、均勻性高(例如50 nm時(shí)，小于2 nm的變化)。探測(cè)器的入射窗越薄，入射離子在其中損失的能量越小。如果入射窗的膜不均勻，能量歧離越明顯。因?yàn)榈湍芰咳肷潆x子射入到氣體探測(cè)器中，產(chǎn)生的信號(hào)很小，所以使用的前置放大器噪聲越小越好。在陽極上收集到的微弱信號(hào)可由前置放大器轉(zhuǎn)換成整形電壓脈沖，實(shí)驗(yàn)證明使用AMPTEK Cool FET前置放大器效果優(yōu)于ORTEC前置放大器142[3]。

3 薄窗型氣體探測(cè)器的重要應(yīng)用

3.1 129I測(cè)量

低能量重離子氣體探測(cè)器的能量分辨率高于硅探測(cè)器。硅探測(cè)器的死層較厚，導(dǎo)致一定能量的低能量離子在其中損失能量較大，所以沉積到固體探測(cè)介質(zhì)中能量較少，分辨率較低；而薄窗型氣體探測(cè)器入射窗薄，相同低能量離子在其中損失能量較小，所以沉積到氣體探測(cè)介質(zhì)中能量較多，分辨率較高。

圖4 加速器質(zhì)譜使用薄窗型氣體探測(cè)器和硅探測(cè)器測(cè)量129I能譜對(duì)比[2]Fig.4 Comparison using a thin window gas detector and silicon detector to measure 129I energy spectrum by accelerator mass spectrometry[2]

加速器質(zhì)譜用薄窗型氣體探測(cè)器和硅探測(cè)器測(cè)量129I能譜的對(duì)比示于圖4。經(jīng)過低能端磁鐵，97Mo16O2的磁剛度與129I的磁剛度相同，兩者經(jīng)過剝離氣體后，剝離后選取4+價(jià)態(tài)129I離子，經(jīng)過高能端磁鐵和高能端靜電分析器，4+的129I與3+的97Mo的磁鋼度和電剛度近似，兩種粒子軌跡接近，幾乎同時(shí)進(jìn)入探測(cè)器。對(duì)比硅探測(cè)器和薄窗型氣體探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，硅探測(cè)器分辨不出129I和97Mo，而薄窗型氣體探測(cè)器能夠分辨129I和97Mo。

3.2 Pu測(cè)量

240Pu樣品(黑線)或160Dya——從金硅面壘探測(cè)器獲得的能譜；b——具有100 nm Si3N4入射窗的氣體探測(cè)器；c——具有40 nm Si3N4入射窗的氣體探測(cè)器圖5 薄窗型氣體探測(cè)器和硅探測(cè)器測(cè)量160Dy和240Pu[8]a——The spectra obtained from a surface barrier detector；b——A gas ionization detector with a 100 nm Si-N window；c——A gas ionization detector with a 40 nm Si-N windowFig.5 The measurements of 160Dy and 240Pu using thin window gas detector and silicon detector[8]

對(duì)于低能量重離子探測(cè)，若使用500 nm 的Mylar膜作為氣體探測(cè)器的入射窗，粒子將被阻止到Mylar膜中，無法測(cè)量到粒子，這是氮化硅膜和Mylar膜之間的顯著區(qū)別。探測(cè)低能重離子時(shí)，薄窗型氣體探測(cè)器較硅探測(cè)器表現(xiàn)出更好的分辨優(yōu)勢(shì)。薄窗型氣體探測(cè)器和硅探測(cè)器測(cè)量160Dy和240Pu結(jié)果示于圖5[2,8]。由圖5結(jié)果可知，分離160Dy2+和240Pu3+時(shí)，金硅面壘探測(cè)器分辨率不夠，Si3N4入射窗氣體探測(cè)器用小于40 nm的入射窗完全分離160Dy2+和240Pu3+是可能的，虛線表示探測(cè)器切斷幾乎所有160Dy2+離子[8]。

4 小結(jié)

通過氮化硅薄窗型氣體探測(cè)器的應(yīng)用，顯著改善了低能量重離子的探測(cè)與鑒別。薄窗型氣體探測(cè)器的發(fā)展提高了小型化(低能量)加速器質(zhì)譜裝置的應(yīng)用潛力。在低能量粒子鑒別中，通過使用薄的氮化硅膜作為氣體探測(cè)器入射窗，使得氣體探測(cè)器的分辨率顯著提高，性能顯著改善，可有效滿足檢測(cè)低能量重離子的需求。該種薄窗型氣體探測(cè)器為低能重離子探測(cè)技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)在探測(cè)低能重離子中有廣泛應(yīng)用前景。