辐射环境监测技术新进展

1、辐射环境监测技术新进展 多丝正比计数器调研报告姓名：XX学号：XXXX专业：XXX学院：XXXX2016年1月多丝正比计数器调研报告本论文介绍的多丝正比计数器系统设计采用了现代的测量技术设计系统，并对传统多丝正比室进气工作方式进行创新改造。装置具有测量成本低，技术先进、功能合理，测量方式创新等特点。1. 快充式多丝正比计数器的硬件组成根据2、2检测的实际需求，快充式多丝正比计数器采用独特的系统结构设计，测量方式先进合理。其硬件设计主要包括以下几部分工作：(1)根据需求设计搭建了多丝正比室。多丝正比室结构合理，性能较好，经过测试具有较低的工作电压，能观察到明显的坪曲线。(2)在电子线路设计方面，

2、采用c8051f020单片机，使测量和控制一体。操作简单、方便，克服了一般多丝正比计数器在使用和操作时的不方便和不灵活的缺点。高压采用程控高压模块，连续可调；諷别阈釆用程控DAC控制，连续可调。流气控制采用程序和手动两种方式控制，方便灵活。在测量上可以采用控制箱和计算机进行，操作简单。(3)在关键探测器的前置电路方面，采用高性能的元件设计了电荷灵敏放大器，其具有能量响应线性好，噪声低，抗干扰能力强等优点。在电子系统使用中对环境没有特别的要求，不需要特别的干燥和保存环境。(4)多丝正比计数器快充式系统，采用了上下两半的密封结构，具有理想的密封措施，可以抽真空。进行先真空再流气的方式的电离辖射测量

3、。在测量时，减小了充气时间。使用一般多丝正比计数器从放入样品到达到测量，需要数小时，现在只要15分钟即可开始测量，极大地提高了对样品的测量效率。在测量时的用气成本上，使用原来仪器一瓶工作气体可测量10-30个样品,现在一瓶气能够测量100-120个样品。快充式多丝正比计数器硬件釆集系统由计数采集箱、流气控制箱和上位机组成。其中多丝正比室用来放置被测样品；计数采集箱用来对信号进行放大、觀别和计数；正比室内反应气体的抽气放气由流气控制箱控制；上位机可对整个仪器进行控制，对数据进行读取、分析和保存。测量系统组成如图1-1所示1。图1-1. 多丝正比计数器测量系统硬件组成框图2. 多丝正比室的制作多丝

4、正比室根据实验目的不同可以制成各种大小形状,有方形、长方形、圆柱形和多边形等。其中的工业设计也各有特色，有的用漆论薄膜做窗测量外部射线，有旳将放射源放置在室内进行测量等。如图2-1为多丝正比计数器的结构原理图。多丝正比室的阳极是有一排平行等距离的极细的金属丝组成,固定在绝缘框架上，安置在两个阴极平面之间。上方的阴极平面是由金属板组成，而下层的金属平面则是由金属丝绕制而成。气体入口和气体出口用于气体的送入和流通,气体电离被限制在密封室内，放射性样品通过送样抽屉送入多丝正比室。在工作时阳极丝和阴极之间加直流高压，阳极丝与电子电路相连，脉冲信号从阳极丝上取出后,经过放大、题别、整形后送入单片机进行处

5、理。图2-1. 多丝正比室结构原理图经过反复讨论研究，快充式多丝正比室的设计参数如下：(1)活性测样面积：1521cm2；(2)多丝室体积：39cm长x39cm宽x7cm高；(3)阴极平面组成：l00um不锈钢丝丝状平面，间距1cm；(4)阳极丝组成：l0um日本产渡金钨丝5根；(5)电源：市电220 V 50 Hz；(6)流气速度：0200sccm；(7)多丝正比室框架：环氧树脂纤维板；(8)密封室：铝制，无窗。3. 多丝正比室测量性能(1) 气体放大倍数气体放大倍数，即输出脉冲的幅度。多丝正比计数器和正比计数器同样工作在正比区，带电粒子在多丝正比室中引起工作气体电离，产生初级电离生成初级离

6、子对。初级离子对在电场的作用下，会继续产生次级电离，大部分的次级电离的贡献是由于阳极丝附近的雪崩效应。对于每次电离，次级离子对的数目是初级粒子对的固定倍数，这个倍数就是气体放大倍数。影响气体放大倍数的因素主要有阳极丝，气体成分，和工作高压。(2) 计数率坪曲线计数率坪曲线一般是指计数率一高压坪曲线,即其计数率与高压的关系曲线。对于一台性能正常的多丝正比室,改变仪器的工作高压时,计数会出现一个坪区，故称之为坪曲线。由于脉冲的幅度是有高压升高而变化的,所谓的坪区其实是指计数率基本保持不变,一般有一定的斜率。能观察到明显坪曲线是室正常工作的一项必须的指标，在坪区仪器的计数率不容易受工作电压的摆动产生

7、较大的影响，仪器的工作电压一般选取在坪曲线中间的位置。一般我们希望坪的长度足够长，因为坪的位置影响工作电压的选择，我们希望坪的位置靠前因此工作电压能较低。(3) 时间分辨能力多丝正比计数器的时间分辨能力是指两个脉冲区别开的最小时间间隔。时间分辨能力直接影响对高发射率的放射源的计数。时间分辨能力主要由两部分构成，一是多丝正比室探测到一个粒子后，一直到能探测到下一个粒子的间隔时间也是多丝正比室的死时间。影响这部分时间的因素主要有气体的选择，室的工艺，工作的高压和入射粒子的类型。二是电子学电路处理的时间，如将脉冲用微分电路处理，IE别的方式和觀别阈值旳选择等。(4) 探测效率探测效率是在多丝正比室中

8、发射的粒子能被探测到旳几率。在理想条件下，多丝正比计数器的探测效率接近100%。但受诸多因素的影响，比如对于高发射率的平面源测量如果时间分辨能力差容易产生漏计数造成计数率低，放大倍数不够容易受到噪声干扰。再仔细分析影响探测效率的因素后，还应该对探测效率进行一定的修正。(5) 空间分辨能力空间分辨能力是指把入射粒子的空间位置分辨开得能力，也就是把入射粒子位置分辨的最小距离。(6) 能量分辨能力能量分辨能力是指探测到的脉冲幅度反应入射粒子的能量的能力，即分辨不同能量的入射粒子最小能量差别的能力。因为正比计数器收集到的初级和次级粒子对正比于粒子产生的初级离子对，脉冲幅度能反应入射粒子能量的大小。但由

9、于多丝正比室的性质和对时间分辨能力的要求会限制能量分辨能力，多丝正比室的能量分辨能力并不理想。对于用于平面源活度测量的多丝正比计数器，我们关心的性能主要有气体放大倍数，计数率坪曲线，时间分辨能力和探测效率。装置是对放入多丝正比室的平面源总计数进行测量，我们只要求大的灵敏探测面积，而不关心粒子的发射位置，因此对空间分辨能力没有要求。对放入多丝正比室測量的平面源，都是人工制备的，核素己知的。因此不需要通过能谱分析来鉴别其核素种类，对于能量分辨率也没有要求。4. 对多丝正比计数器室内电场的优化多丝正比计数器在早期的核物理研究中起了很大作用，尽管其它探测器技术发展很快，多丝正比计数器使得其今天不但有广

10、泛应用，还有新的发展。国外研究人员曾开展过一些多对于多丝正比计数器结构优化均匀电场来改善能量分辨率的研究。上世纪50年代，H. H. Rossi通过在阳极丝外加装一个螺旋（helix）栅极的方法提高具有各向同性的特征球形正比计数的能量分辨率，用于剂量率测量。上世纪60年代，Benjamin通过调整球形正比计数组成部件（球径，丝直接，支撑架的长度直径等）的比例关系等构成探测器内部均匀一致电场，以提高能量分辨率，用于中子能谱测量。这些探测器研究由于开展时间较早，是通过大量的实验完成对性能测试和探测器结构优化，缺乏对物理过程的详细分析和描述。经过我们前期调研，拟在多丝正比室每一根丝设计适当尺寸螺旋栅

11、极以使电场达到一致性，以提高探测器的能量分辨率。使用Garfield程序对多丝室内的电场做了一个模拟，室内添加8根阳极丝和8根阴极丝，室内气体采用90%的氩气和10%CO2，模拟结果如图4-1所示，在阳极丝附近电场满足1/r的分布规律，靠近阳极丝的地方电场为最大。为了使阳极丝附近的电场更加均匀，我们在每一根阳极丝外侧加了一圈螺旋结构，并通过有限元分析软件ANSYS对室内静电场进行模拟，最终得到的电场分布如图4-2所示。可以看出在加了螺旋结构之后阳极丝外部一定范围内的电场更加均匀，但是对于阳极丝附近的粒子漂移过程、漂移曲线以及阳极丝表面的电场分布都还需要更进一步的模拟计算，接下来的工作就是对多丝

12、室内的静电场的详细计算，充分利用Garfield程序模拟出更精确的结果。图4-1. 多丝正比室內电场分布图图4-2. 加螺旋结构后多丝正比室內电场分布图5. 结论对多丝正比计数器的工作原理进行了深入研究，掌握了多丝正比室的制作方法，了解的多丝正比室的特性以及关键结构部分的选型对多丝正比室的整体探测性能影响，并借助有限元分析工具对多丝正比计数器室内电场进行模拟计算，模拟结构得出，在添加螺旋结构之后，阳极丝表面一定区域内的电场分布更加均匀，但是这个区域的进一步细化还需要更加详细的计算来确定，这也是我后续工作的重点，通过Garfield程序模拟电子漂移过程，更加精确的掌握添加螺旋结构后多丝室内的电场

13、变化，给出最优化的模型。参考文献：1AHMED S N. 2 - Interaction of radiation with matter M. Physics and Engineering of Radiation Detection (Second Edition). Elsevier. 2015: 65-155.2刘杰, 孙鸣. 核电厂辐射监测系统技术发展趋势及产品研发思路 J. 中国核电, 2009, 02): 133-9.3马宇箭. 辐射监测系统国产化方向研究 J. 核电子学与探测技术, 2009, 05): 1235-40+944.4张玉敏. 国外放射性探测装备和技术的发展现状与

14、趋势 J. 舰船防化, 2009, 01): 1-5.5MILLER A, MACHRAFI R, MOHANY A. Development of a semi-autonomous directional and spectroscopic radiation detection mobile platform J. Radiation Measurements, 2015, 72(0): 53-9.6PORTNOY D, FISHER B, PHIFER D. Data and software tools for gamma radiation spectral threat detection and nuclide identification algorithm development and evaluation J. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 0): 7聂亚杰, 杜平, 冯东辉. 国外核生化监控技术发展现状 J. 舰船科学技术, 2006, 02): 102-8.8NAKAMURA H, SHIRAKAWA Y,