薄窗型多阳极气体探测器研究进展

薄窗型气体探测器是最近发展并用于低能量加速器质谱探测技术。该探测器的入射窗采用氮化硅膜,薄而均匀,分辨率高,目前已在低能量粒子探测技术中得到初步应用,显示出广泛的应用前景。本文主要从薄窗型气体探测器基本原理、薄氮化硅膜与Mylar膜的对比、不同质子数Z的低能量粒子脉冲高度对比、薄窗型气体探测器与硅探测器的对比,以及应用等方面进行阐述。     

一种新型气体探测器的研制

加速器质谱(accelerator mass spectrometry,AMS)技术因探测对象不同,探测器也应根据需要进行选择。为建立低能量重离子加速器质谱测量技术,本文设计制作一台新型气体探测器并调试应用。该探测器采用厚度50 nm,膜面积8 mm×8 mm的氮化硅膜作为入射窗。采用5.48 MeV的241Am源的α粒子对探测器进行调试,调试后将该探测器安装于中国原子能科学研究院的300 kV小型AMS系统上进行129I粒子测量。经模拟计算以及对探测器的调试、应用,证明该探测器具有较高的能量分辨率,可以很好的实现不同粒子的鉴别,同时测量灵敏度可达到10^-13国际水平,满足低能量重离子的测量要求。     

低能重离子薄窗型气体电离室的设计

正为建立低能重核素加速器质谱测量技术,需研发薄窗型气体电离室。对于传统的气体电离室,一般采用Mylar膜,但其厚度需在1μm左右,但低能重核素在这种膜中会损失很大能量(SRIM模拟1.2 MeV的~(129)I穿不过1μm的Mylar膜,如图1所示),导致电离室无法测量低能重离子。为解决这个问题,30nm厚的Si_3N_4膜作为探测器的入射窗,SRIM模拟显示1.2 MeV的~(129)I在30nm厚的Si_3N_4窗中损失的能量为0.113 MeV,满足低能重核素测量要求。在此基础上,开展了低能重核素探测器的设计和建造,结构如图2所示,     

一个简易的正比计数器探测系统

本文介绍了一个低能量γ射线探测器系统,它由端窗型流气式正比计数器和一个具有双极脉冲对基线漂移补偿的前置放大器组成。正比计数器是一个两端用有机玻璃薄窗密封的直径为70mm、长为30mm的薄壁硬铝圆筒。阳极丝用直径为25μm的镀金钨丝直接固定在薄窗的中心,使阳极丝周围的电场分布均匀,减少端点效应,提高能量分辨率。入射的γ射线通过端窗后平行于阳极丝方向,增加了γ射线在工作气体中的作用长度,     

厚GEM探测器对γ射线探测效率的研究

作为一种新型微结构气体探测器(MPGD),厚型气体电子倍增器（THGEM）用于较高能量光子探测是新的尝试。为了解其探测机理及探测效率的主要影响因素,利用多粒子输运软件、多物理耦合仿真软件及气体电离模拟软件,分别建立了光子与探测器相互作用模型、电子漂移扩散模型和气体电离模型。通过仿真得到了漂移极内表面和膜上电极的电子出射概率,¹³⁷Cs在漂移极内表面产生激发电子的能量分布和角分布。动态模拟了电子在特定电场中的漂移和横向扩散行为,定量计算了原初电子的入孔数量和入孔效率。最后通过实验验证,证明增大漂移区距离和提高THGEM膜间电压可显著提高THGEM对γ射线的探测效率。     

厚GEM探测器对γ射线探测效率的研究

作为一种新型微结构气体探测器(MPGD),厚型气体电子倍增器(THGEM)用于较高能量光子探测是新的尝试。为了解其探测机理及探测效率的主要影响因素,利用多粒子输运软件、多物理耦合仿真软件及气体电离模拟软件,分别建立了光子与探测器相互作用模型、电子漂移扩散模型和气体电离模型。通过仿真得到了漂移极内表面和膜上电极的电子出射概率,~(137)Cs在漂移极内表面产生激发电子的能量分布和角分布。动态模拟了电子在特定电场中的漂移和横向扩散行为,定量计算了原初电子的入孔数量和入孔效率。最后通过实验验证,证明增大漂移区距离和提高THGEM膜间电压可显著提高THGEM对γ射线的探测效率。     

序言

正气体探测器以气体作为工作介质,通过入射粒子在其中产生的电离效应探测粒子。气体探测器作为历史最悠久的粒子探测器,起源于十九世纪末的核物理研究,经过一百多年的发展,现已具有很多成熟类型,成为粒子探测器大家族的重要成员。得益于气体介质的特点,气体探测器结构灵活,功能多样,性价比高,易于大规模使用,从计数测量和剂量检测,到能量测量,再到精确的位置测量和快速时间测量等各方面都有广泛的应用。气体探测器的发展和核与粒子物理学的发展紧密相联。早在1898年,居里夫妇在发现放射性同位素镭和钋时就使用了电离室,气体探测器随后在核与粒子物理实验的持续驱动下得到了蓬勃发展,而气体探测器的发展又极大推动了核与粒子物理实验研究。1968年,法国物理学家G.Charpak发明了多丝正比室,实现了大面积条件下基于电信号的快速粒子径迹测量,这是探测器技术发展中的一次革命,开启了现代高能物理实验的大门,G.Charpak也因此在1992年获得了诺贝尔物理学奖。气体探测器早已超出了传统低能核物理领域,深入渗透到了核与粒子物理实验以及核科学与工程的各个方面。     

硅光伏探测器探测α粒子研究

采用蒙特卡罗方法计算了硅光伏探测器探测α粒子的能量分辨率等参数,通过实验测得了其α谱和探测效率。实验表明,硅光伏探测器对α粒子具有较高的探测效率和能量分辨率,受β、γ射线影响小,非常适合用作α粒子探测器。     

放射性气溶胶监测仪准直器优化设计

基于反符合钝化注入平面硅(PIPS)探测器设计一个合适的准直器,降低低能α粒子对β粒子计数的影响。利用Geant4软件模拟反符合PIPS探测器添加准直器前后不同能量的α粒子和β粒子探测效率,结果表明,添加准直器后α探测效率降低约18%,β能量大于0.65 MeV时,添加准直器后的β探测效率降低约0.5%。利用²⁴¹Am标准面源对反符合PIPS探测器添加准直器前后的探测效率进行实验测量,发现与理论计算的探测效率吻合好,可去掉约95%的能量小于3 MeV的α粒子。准直器可应用在气溶胶监测仪需要准确区分α粒子和β粒子计数的场合。     

X射线正比计数管的使用

X射线正比计数管是一种气体型的X射线探测器件,它工作在气体放电正比区,有气体放大现象,因而信噪比高。和闪烁探测器相比,能量分辨率好,允许在较高计数率下工作,对低能X射线有较高的探测效率。因此,X射线正比计数管是探测低能X射线和γ射线的能量和强度的良好探测器。     

利用转化体实现THGEM在高能γ射线测量中的研究

为提高厚型气体电子倍增探测器对高能伽马射线的探测效率,研制高Z材料的光电转化体,将伽马射线转化为电子后测量。通过研究设计了多孔铅型的光电转化体(孔直径1 mm、孔间距1.2 mm),理论计算其光电转化效率为6%。并结合转化体和单模THGEM探测器建立探测系统,测量662 keV伽马射线。结果显示,含转化体的THGEM探测系统对662 keV光子探测效率达到了3%,说明转化体对于提高探测效率是有效的;同时分析探测效率略低于转化体光电转化率的理论计算值6%的主要因素为探测器外结构膜窗对低能光电子造成的损失。     

一种简便的氚表面污染测量仪的研制

氚发射的β粒子能量很低,最大能量仅18keV,因此直接测氚需要灵敏度高的无窗或薄窗计数器。国外过去大多采用正比计数器,近年来也采用闪烁计数器。前者灵敏度高,技术成熟但制作麻烦,使用时需携带笨重的充气钢瓶,后者结构及线路简单,携带轻便,适于批量生产。为此,我们研制了用固体闪烁计数器探测氚的表面污染测量仪。     

GaN核辐射探测器的性能研究

GaN作为第3代半导体材料,具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度大、抗辐射能力强等特点。制备了GaN半导体探测器,并应用该探测器对²⁴¹Am α粒子能谱进行测量,得到α粒子能谱的能量分辨率约30%。同时,以Si半导体探测器为标准,对GaN探测器进行了能量及探测效率的测量,得到探测器的探测效率最高可达80.1%。最后,应用Keithley 2635静电计对GaN探测器的I-V曲线等进行测试,发现在-15 V偏压下,GaN探测器的本底电流密度小于70 nA/cm²。     

栅型气体电子倍增器的研制

实践中发现,微结构气体探测器(MPGD)遇到三方面挑战:打火时放电电流的抑制与稳定运行、单元面积增大后的生产工艺以及孔型结构带来的探测位置重建偏差。为解决以上问题,本文提出了一种新型结构的MPGD——栅型气体电子倍增器(Groove)。使用3种不同几何尺寸的栅型电极,在不同气体中对8.04 keV铜靶X射线的能谱进行测量,以检验探测器性能。与蒙特卡罗模拟计算结果对比表明,探测器信号主要来自雪崩产生的离子。能谱测量结果显示:栅极狭缝宽度0.2 mm、厚度0.8 mm的探测器增益和能量分辨率好于其他尺寸的探测器;在93%Ar+7%CO_2中运行时,探测器增益与分辨率两项指标稍好于在95%Ar+5%CH_4中。测量得到的探测器增益最高可达3×10~4左右,能量分辨率最高可达15.6%。     

爆炸物检测中的模拟计算

为优化基于伴随α粒子技术的爆炸物检测系统中的γ探测器和数据分析软件,利用蒙特卡罗程序EGSnrc对γ探测器的探测效率和能量响应分别进行了模拟。NaI(Tl)、BGO等几种无机闪烁体γ探测器探测效率的模拟计算结果为探测器的优化选择提供依据;对碳、氧单质元素、硝酸氨、模拟炸药样品在14MeV中子作用下的特征γ射线,在Φ5″×8″NaI(Tl)探测器的能量响应模拟计算结果进行了分析,并与实验测量能量响应进行了比较。结果表明,模拟方法可靠,应用该方法可对其他的单质材料来进行响应计算以建立响应函数数据库。     

栅型气体电子倍增器的研制

实践中发现，微结构气体探测器（MPGD）遇到三方面挑战：打火时放电电流的抑制与稳定运行、单元面积增大后的生产工艺以及孔型结构带来的探测位置重建偏差。为解决以上问题，本文提出了一种新型结构的MPGD--栅型气体电子倍增器（Groove）。使用3种不同几何尺寸的栅型电极，在不同气体中对8.04 keV铜靶X射线的能谱进行测量，以检验探测器性能。与蒙特卡罗模拟计算结果对比表明，探测器信号主要来自雪崩产生的离子。能谱测量结果显示：栅极狭缝宽度0.2 mm、厚度0.8 mm的探测器增益和能量分辨率好于其他尺寸的探测器；在93%Ar+7%CO₂中运行时，探测器增益与分辨率两项指标稍好于在95%Ar+5%CH₄中。测量得到的探测器增益最高可达3×10⁴左右，能量分辨率最高可达15.6%。     

单粒子灵敏度标定阈下修正技术及其应用

单粒子标定技术是电流型探测器灵敏度标定的重要手段,本文通过对电流型探测器能量响应特性及探测器信号脉冲形成过程的研究,提出了阈下修正方案,解决了单粒子标定技术在低能领域的应用。通过该方法测得的钴源灵敏度与电流标定法测量结果在1.1%内一致,钴铯灵敏度比值与理论结果在7.0%内一致。     

云母窗型G-M管辐射响应特性研究

云母窗型G-M管能够探测α粒子、β粒子和γ射线。论文建立了云母窗型G-M管测试平台,通过漏计数修正减少了G-M管的死时间影响。分别对α和β放射源进行探测,得到云母窗型GM管对α和β粒子的响应特性,为云母窗型G-M管用于多种射线的探测作了特性研究。     

用于加速器质谱测量的Bragg探测器

文章涉及1台用于加速器质谱(AMS)测量的Bragg探测器的建立及其调试结果。该探测器是1台全阻止型的气体电离室,电场方向与入射粒子方向平行。用241Am源的α粒子对该探测器的主要性能进行了测试,并将该探测器用于AMS实验进行总能量测量和Z的鉴别。对于能量为49.7 MeV的26Mg离子,能量分辨达到1.4%,Bragg峰值的分辨好于4.1%。     

双端输出塑料闪烁体探测器的符合关联测试

利用双端信号输出的塑料闪烁体与灵敏度高、时间响应快的硅光电倍增管构成塑料闪烁体探测器探头,并与后端的数字化转换器等电子学系统搭建成塑料闪烁体探测器系统。为了研究不同数据处理方法对真事件探测效率和能量分辨率的优化,分别使用标准γ源60Co和137Cs对塑料闪烁体探测器系统进行测试。研究了关联事件的符合时间窗对探测器真事件探测效率的影响,分析了波形的积分长度与脉冲信号甄别(Pulse Shape Discrimination,PSD)开窗法对能谱能量分辨率的改进。结果表明,在关联事件的符合时间窗为15 ns时,真事件探测效率最佳,当波形积分长度为80 ns时,通过PSD开窗后能量分辨率由原来的53.38%优化为42.21%。