快充式多絲正比計(jì)數(shù)器測(cè)量?jī)x器和方法分析

王鵬

（江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇南京，210046）

0 引言

α、β粒子是放射性活度測(cè)量的參照標(biāo)準(zhǔn)，為確保其量值的精準(zhǔn)性，需要定時(shí)測(cè)量α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源，也可以將其作為放射源。多絲正比計(jì)數(shù)器是當(dāng)下測(cè)量α、β平面源的主要裝置，每執(zhí)行一次測(cè)量操作就需將大量的工作氣體填充至多絲正比室內(nèi)，因?yàn)榍惑w偏大，充氣操作會(huì)耗用大量時(shí)間，也會(huì)使用很多工作氣體，需投入大量時(shí)間、資金成本[1]。鑒于以上情況，建議將一個(gè)堅(jiān)固的密閉式腔體設(shè)置在多絲正比室之外，在腔體快速抽成真空以后再充進(jìn)氣體，短時(shí)間內(nèi)快速增加腔體中反應(yīng)氣體濃度，節(jié)約氣體資源及縮短測(cè)量時(shí)間。

1 多絲正比計(jì)數(shù)器的工作原理

1.1 電場(chǎng)分布

宏觀上，多絲正比室的電場(chǎng)是以陽(yáng)極絲為中心呈輻射樣分布的，遵照1/r的變化規(guī)律。

Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6代表的是陽(yáng)極絲的垂直面，不同陽(yáng)極絲之間的距離是S，陽(yáng)極絲直徑d，陽(yáng)極平面至兩個(gè)陰極平面的距離用L′表示，通常有L=L′。

厄斯金既往研究了和多絲正比室相關(guān)的靜電問(wèn)題，重點(diǎn)分析了正比室內(nèi)電場(chǎng)分布情況，陰、陽(yáng)極之間的電壓為V0，單位絲長(zhǎng)度上的電容為C；ε0是室內(nèi)工作氣體的介電常數(shù)，r為某點(diǎn)位至陽(yáng)極絲的距離，x，y是點(diǎn)至陽(yáng)極是的x，y向坐標(biāo)差。

圖1 多絲正比室的幾何參數(shù)

如果y<

y>>S時(shí)，有：

1.2 脈沖的放大與建立

依照到陽(yáng)極絲的距離，正比室的室內(nèi)靜電場(chǎng)的分布大體可以分成恒定電場(chǎng)漂移區(qū)、變化電場(chǎng)漂移區(qū)、雪崩及空間電荷區(qū)。當(dāng)生成次級(jí)電離后，電子向陽(yáng)極絲運(yùn)動(dòng)，正離子漂移至陰極。因?yàn)檠┍绤^(qū)生成的很多次級(jí)電離均集中在陽(yáng)極絲表層周邊一個(gè)狹小區(qū)內(nèi)，電子由生成至被陽(yáng)極絲采集掃過(guò)的電壓將很小，但由臨近陽(yáng)極絲處的正離子朝陰極運(yùn)動(dòng)時(shí)基本上需掃過(guò)全部電壓降，故而主要是正離子運(yùn)動(dòng)引發(fā)了輸出脈沖，電子對(duì)其貢獻(xiàn)率低于1%。雪崩后生成的大量粒子對(duì)于電場(chǎng)作用下持續(xù)移動(dòng)，于陽(yáng)極絲上感應(yīng)出單個(gè)脈沖信號(hào)。

2 儀器構(gòu)成與檢測(cè)方法

2.1 儀器設(shè)計(jì)和組成

將一個(gè)鋁制腔體罩在正比室外部，布置一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自由拉伸的鋁制抽屜，用于安放被測(cè)試樣，密封圈密封處理銜接位置。后側(cè)開(kāi)設(shè)的兩個(gè)孔洞，一個(gè)銜接真空泵，于腔體抽吸真空時(shí)朝向外部抽氣；另一個(gè)孔和氣瓶相互連接，將適量的工作氣體充進(jìn)腔體。采用真空壓力傳感器動(dòng)態(tài)觀測(cè)腔中氣壓狀態(tài)，于放氣側(cè)端裝設(shè)一個(gè)量程20-200 mL/min轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成框圖見(jiàn)圖2[3]。

圖2 計(jì)數(shù)器測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2.2 測(cè)量方法

先把被測(cè)的放射線α或β板源或待測(cè)試樣平穩(wěn)的安置于裝置抽屜的中心部位，閉合抽屜使腔體實(shí)現(xiàn)整體密封以后，抽吸鋁制腔體內(nèi)的真空，當(dāng)檢測(cè)其壓力—0.09MPa時(shí)暫停抽氣操作。隨后再開(kāi)啟進(jìn)氣閥，將適量P-10氣體充進(jìn)腔體中，當(dāng)壓力表返回至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，暫停充氣。屢次進(jìn)行3～4次的抽氣充氣操作以后，腔體中充滿氣體時(shí)，同步開(kāi)啟進(jìn)氣、漏氣電磁閥，促使其形成連貫的流氣[4]。

在調(diào)控氣體流量環(huán)節(jié)中，人工將轉(zhuǎn)子流量計(jì)開(kāi)到最松程度，通過(guò)整頓氣瓶位置的減壓閥去控制流量大小，借此方式使使腔體中氣壓維持在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氣體濃度與氣流兩者抵達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，就可以進(jìn)行測(cè)量及數(shù)據(jù)記錄工作。

3 統(tǒng)計(jì)與分析測(cè)量結(jié)果

3.1 穩(wěn)定時(shí)間實(shí)驗(yàn)

連續(xù)進(jìn)行2～3次的抽氣充操作以后開(kāi)始進(jìn)行流氣工作，具體是把20s設(shè)定成一組數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試[5]。統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大概在第30組數(shù)據(jù)時(shí)候抵達(dá)了穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此可以初步推斷，本儀器的穩(wěn)定時(shí)間大概是10min，和單純的流氣式儀器相比時(shí)間長(zhǎng)度顯著縮短，最初的美國(guó)ORDELA實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的ORDELA MODEL 8600A-B型α、β計(jì)數(shù)器電離輻射時(shí)間2～3h。

3.2 測(cè)量結(jié)果

3.2.1 α、β坪曲線

實(shí)驗(yàn)中選用核素241Am作為α粒子2π平面標(biāo)準(zhǔn)放射源，共計(jì)有4塊，表面發(fā)射率依次是 102、103、104、105量級(jí)，對(duì)應(yīng)編號(hào) 1A-05、1A-02、 lA-07、1A-06。選擇 3 塊90Sr-90Y 與6塊204TI作為β粒子標(biāo)準(zhǔn)放射源，90Sr-90Y發(fā)射率CPM分別是 103、104、105量級(jí)，編號(hào) 1A-08、1A-01、lA-03。204TI 的CPM 依次是 104、105、106量級(jí)，編號(hào) 1A-05、lA-07、1A-04。

具體測(cè)量時(shí)維持實(shí)驗(yàn)室溫度22℃，相對(duì)濕度36%。

針對(duì)α、β粒子測(cè)量甄別閾分別選擇500mV、30000mV，結(jié)合α、β坪曲線情況確定各粒子的工作電壓值。

把25V設(shè)定為間隔，將工作電壓控制在0～2000V范圍中，通過(guò)測(cè)量α粒子平面源得到相應(yīng)儀器的工作電壓一計(jì)數(shù)率坪曲線，發(fā)現(xiàn)工作電壓大概為300V時(shí)，儀器開(kāi)始出現(xiàn)計(jì)數(shù)，于600V～1100V范圍中能觀察到十分顯著的坪曲線，坪總長(zhǎng)500V。工作電壓間隔不變，把電壓控制在700～～1700V范圍時(shí)，測(cè)量α源獲得儀器的坪曲線，800V左右時(shí)，儀器開(kāi)始有計(jì)數(shù)出現(xiàn)，1200V～1600V區(qū)間能觀察到明顯坪曲線，坪長(zhǎng)400V。

綜合以上所得的測(cè)量結(jié)果，可以初步認(rèn)為，在工作電壓3kV范圍中，正比計(jì)數(shù)器對(duì)α、β源出現(xiàn)了顯著的坪曲線，室的性能優(yōu)良。選擇坪的中間段作為實(shí)驗(yàn)工作電壓，降α、β粒子的工作電壓分別確定為800V、1800V。

3.2.2 本底

具體是在物放射源條件下依次做連續(xù)10min的α、β本底測(cè)量操作操作，結(jié)果見(jiàn)表1[6]。

表1 本底激素率的測(cè)量結(jié)果

已知正比室活性測(cè)樣面積是39cm×39cm=1521cm2，裝置α、β工作本底分別是 0.0035min-1·cm-2、0.993min-1·cm-2。

3.2.3 探測(cè)效率

探測(cè)效率是當(dāng)前業(yè)內(nèi)測(cè)評(píng)裝置的一個(gè)重要技術(shù)性指標(biāo)，α因自身能量較高，持有較強(qiáng)的電離能力，在偏低的工作電壓也能獲得幅度較大的脈沖信號(hào)，這就意味著對(duì)這種粒子的探測(cè)相對(duì)較顯著。實(shí)驗(yàn)研究中，裝置需要區(qū)別探測(cè)α、β粒子，具體是兩種不同的工作電壓與甄別閾下進(jìn)行。

α探測(cè)效率：直接測(cè)量不同活度的α標(biāo)準(zhǔn)平面源，所得的測(cè)量結(jié)果CPS（每秒鐘計(jì)數(shù)）經(jīng)校正以后和標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2[7]。

表2 裝置對(duì)α粒子的探測(cè)效率

比較各塊平面源的探測(cè)效率結(jié)果時(shí)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，選擇自變量作為標(biāo)準(zhǔn)值，分辨時(shí)間修正的儀器讀數(shù)作為因變量，斜率（b）是 0.0993，截距（a）為 1.472，回歸方程y=0.993x=1.472，相關(guān)系數(shù) r 為 0.999，相關(guān)指數(shù) R20.999，經(jīng)計(jì)算得出本裝置的探測(cè)效率是99.4%。

β的探測(cè)效率：測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)校正以后和標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比分析，見(jiàn)表 3[8]。

表3 裝置對(duì)β粒子的探測(cè)效率

最后測(cè)算得出裝置對(duì)β粒子的探測(cè)效率達(dá)到99.9%。

3.2.4 重復(fù)性

采用6.34×104/2π·min的241Am核素平面源與2.11×104/2π·min的204TI核素復(fù)性測(cè)試，將60s作為測(cè)量周期，連續(xù)測(cè)量10次，利用單次測(cè)量的相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表示重復(fù)性，結(jié)果見(jiàn)表4[9]。

表4 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

計(jì)算得到α、β平面源測(cè)量的重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均是0.3%。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)參與本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)單純充氣而不形成連續(xù)的流氣的測(cè)試方法無(wú)法獲得滿意的測(cè)試結(jié)果，是否能一次性向裝置腔體內(nèi)充滿氣候，不再向計(jì)數(shù)器系統(tǒng)腔體內(nèi)充氣，實(shí)現(xiàn)不再耗能的測(cè)量操作。以上這種全新的測(cè)量方法歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究后，盡管取得了一些成績(jī)，但始終無(wú)法達(dá)到如流氣測(cè)量方法一樣理想的技術(shù)指標(biāo)與精準(zhǔn)度，通過(guò)拓展實(shí)驗(yàn)研究深度，希望利用多絲正比計(jì)數(shù)器測(cè)量系統(tǒng)提升實(shí)際測(cè)量效率。