CN104035120A - 粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置。该装置包括：测量室、铅室、供气系统、高压源、前置放大器、数据处理模块、计算机。它利用圆柱形多丝正比管对α粒子测量时对入射粒子的粒子轨迹及初始电离位置不敏感的特性，采用水平排列的圆柱形多丝正比管设计装置探测室，克服了α能谱测量中金硅面垒探测器不能直接测量粉末样品的缺点。具有对粉末环境样品α放射性核素的活度探测效率高，能量分辨率好等优点。
Description
技术领域
本发明属于核仪器研制与核辐射测量技术领域，具体涉及一种粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置；它采用一种新型的多丝正比室构成的测量室作为装置的探测器，具有对粉末环境样品α的活度探测效率高，能量分辨率好等优点。
背景技术
环境样品包括环境中的土壤，水，空气和生物等。对环境样品的α放射性核素含量测量常用的方法是测量环境样品的α粒子放射性总活度。环境样品中通常包含一种以上的放射性核素。要确定某种特定的α放射性核素的含量，还需要对样品进行α能谱测量以甄别核素以排除其它核素的干扰。
目前环境样品α能谱测量常用装置是金硅面垒半导体探测器。金硅面垒型半导体α谱仪具有能量分辨率高、能量线性范围宽等优点。但金硅面垒半导体探测器面积无法做得很大，且价格贵，结构复杂。装置在测量时必须进行抽真空操作，只能测量经过化学和电沉积处理的薄源，不能对粉末状的环境样品直接测量。
对粉末环境样品中α粒子放射性总活度测定的常用方法是使用流气式多丝正比计数器构建的低本底α测量系统。流气式多丝正比计数器对于电沉积法制成的平面源的α粒子表面发射率有很高的探测效率，但传统多丝室对α粒子能量分辨率低，不能满足α能谱测量要求。
气体探测器工作在气体电离饱和区的脉冲电离室适用于α粒子等重带电粒子的能谱测量。电离室测量α粒子的入射能量越大，在电离室中引发的工作气体电离越多，输出脉冲幅度越大。脉冲幅度还容易受到入射粒子轨迹及初始电离位置的影响。有两种脉冲型电离室能测量到很好的能谱，屏栅电离室和圆柱形电离室（参见William, J, Price. Nuclear Radiation Detection [M]. New York: McGraw-Hill lnc, 1964. 70-115）。屏栅电离室能够得到较好的能量分辨率，但对源活度探测效率较偏低（参见刘玉莲, 杨大亭等. 300cm_2平行板α屏栅电离室的研制[J]. 辐射防护, 1988, 8(3): 173-193）。圆柱形电离室由于其金属外壁对α粒子的阻挡，不适合直接测量α核素的能谱。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种可对粉末环境样品α放射性核素测量的装置和测量方法，主要用于对α放射性核素活度和能谱进行测量。
本发明的技术解决原理如下。
本发明对α放射性核素的测量所依据的原理是圆柱形多丝正比管对α粒子测量时对入射粒子的粒子轨迹及初始电离位置不敏感，适用于测量粒子的能谱。
本发明采用的网状圆柱形室外壁为网状结构，对入射α粒子有很好的透明性，α粒子不易被外壁阻挡。同时网状圆柱形室置于测量室中，工作时测量室充满工作气体，气体持续扩散到网状圆柱形室中，保证了网状圆柱形室的工作气体供应。
本发明采用的网状圆柱形室的网状柱形外壁和位于中心位置的阳极丝构成的电场和通用圆柱形多丝正比管相似，对入射粒子的粒子轨迹及初始电离位置不敏感。
本发明的技术解决方案如下。
本发明提供的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的测量装置结构包括测量室、铅室、供气系统、高压源、前置放大器、数据处理模块、计算机；其连接关系是：测量室置于铅室中，供气系统通过软管与测量室相连；高压源与测量室内部相连；前置放大器通过屏蔽线与测量室内部相连接；前置放大器通过屏蔽线与数据处理模块相连；数据处理模块通过串口线和计算机相连。
本发明提供的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的测量室的结构包括：网状圆柱形室、样品隔膜、送样抽屉、样品盒、进气口、出气口、室外壳、送样抽屉位于室的下部，样品盒置于送样抽屉上；三个网状圆柱形室水平排列，位于样品盒的上部。
本发明提供的网状圆柱形室，其特征在于：所述的网状圆柱形室的结构包括：阳极丝、圆柱形阴极外壳、阳极丝支柱、陶瓷管组成；阴极的柱面为不锈钢丝组成的网状结构，网状结构允许工作气体扩散进栅极内部，α粒子可透射过阴极柱面被阳极丝收集；阳极丝为镀金钨丝或者不锈钢丝，阳极丝直径的取值范围为10μm~50μm；圆柱形阴极外壳通过导线和室外壳相连。
本发明提供的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的供气系统给测量室提供工作气体，工作气体成分为90%氩气和10%甲烷的混合气体。
本发明提供的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的高压源正极和网状圆柱形室的阳极丝相连，高压源负极和圆柱形阴极外壳相连接，高压源提供阳极和阴极间的偏置高压。
本发明提供的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的前置放大器和阳极丝相连接。
本发明提供的测量室，其特征在于：所述的样品隔膜为迈拉（Mylar）材料，隔膜厚度的取值范围为80μg/cm2~300μg/cm2。隔膜将网状圆柱形室和样品盒隔离，防止网状圆柱形室被粉末环境样品污染。
本发明具有以下优点：
1.装置探测器采用核辐射探测器中的气体探测器中的多丝正比室结构，水平排列的网状圆柱形室构成很大的探测面积，对样品的α放射性核素的活度有由很高的探测效率；
2. 装置采用网状圆柱形室结构，对样品的α放射性粒子有很好的能量分辨率；
3. 装置可以直接对粉末状的环境样品进行测量，不需要再制作成电沉积源，从而大大简化了测样过程。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中。
图1为本装置测量室结构示意图。
图2为网状圆柱形正比计数管结构示意图。
图3为粉末环境样品α粒子测量装置总系统组成框图。
图4为对于不同尺寸的圆筒形电离室的，脉冲幅度与入射粒子初始电离位置的关系图。
其中，（1）网状圆柱形室，（2）样品隔膜，（3）送样抽屉，（4）样品盒，（5）进气口，（6）出气口，（7）测量室外壳，（8）阳极丝，（9）阴极外壳，（10）阳极丝支柱，（11）陶瓷管，（12）测量室，（13）铅室，（14）供气系统，（15）高压源，（16）前置放大器，（17）数据处理模块，（18）计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步说明。
图1为测量室结构示意图。测量室结构包括：（1）网状圆柱形室，（2）样品隔膜，（3）送样抽屉，（4）样品盒，（5）进气口，（6）出气口，（7）测量室外壳。送样抽屉位于室的下部，样品盒置于送样抽屉上。三个网状圆柱形室水平排列，位于样品盒的上部。
在测量室中的工作气体可以是氩甲烷气体，由90%的氩气和10%的甲烷混合气体构成。氩气作为反应气体，主要的作用是和α粒子作用后产生电离放电。甲烷作为猝灭气体，主要的作用是有效的吸收雪崩效应中产生的光子，强烈的抑制放电现象。
测量室外壳采用的是不锈钢材料，包裹在测量室的外面，其主要作用一是形成密封的气室。二是不锈钢外壳接大地后，为测量室提供很好的电磁屏蔽作用。
网状圆柱形室成水平排列，对被测样品具有大的探测灵敏面积。
在测量室内网状圆柱形室和样品盒间安装隔膜，防止网状圆柱形室被粉末环境样品污染。
参照图1介绍测量工作的准备步骤：
a、在开始测量前，先把制备好的环境样品粉末放置在样品盒（4）中，借助专门设备如压样机把样品粉末铺设均匀，平整；
b、将样品盒（4）在送样抽屉中心（3）位置，以将送样抽屉（3）推入测量室；
c、打开供气系统（14）给测量室（12）供气，工作气体从进气口（5）进入，从出气口（6）排出；
d、待室中气体充满后，开始对样品进行测量。
图2为网状圆柱形正比计数管结构示意图。阳极丝、圆柱形阴极外壳、阳极丝支柱、陶瓷管组成。阴极的柱面为不锈钢丝组成的网状结构，网状结构允许工作气体扩散进栅极内部，α粒子可透射过阴极柱面被阳极丝收集；阳极丝为镀金钨丝或者不锈钢丝，阳极丝直径的取值范围为10μm~50μm；圆柱形阴极外壳通过导线和室外壳相连。
圆筒形室测量粒子的脉冲幅度符合公式（参见William, J, Price. Nuclear Radiation Detection [M]. New York: McGraw-Hill lnc, 1964. 70-115）：
其中v(t)为测量到的脉冲幅度，r1为阳极丝的直径，r2为圆筒形室的直径，r-为某一时刻负离子到阳极丝的距离，对入射粒子从开始电离到信号被阳极丝收集经过的距离为r0，在这个过程中产生的离子对为N。
最大脉冲幅度Vmax和r0/ r2 , r2/r1,关系曲线如图4。由图可见当r2/r1非常大的时候，圆筒形电离室的最大脉冲幅度对入射粒子初始电离位置变得非常不敏感了。
图3为粉末环境样品α粒子测量装置总系统组成框图。测量装置由测量室、铅室、供气系统、高压源、前置放大器、数据处理模块、计算机。
测量室置于铅室中，供气系统通过软管与测量室相连。
铅室的作用是屏蔽宇宙射线和周围环境的辐射。
高压源与测量室内部相连，在测量工作时为测量室提供一个高压偏置。
前置放大器通过屏蔽线与测量室内部相连接。测量室中的电荷信号被前置放大器放大，转换成模拟电压信号。
前置放大器通过屏蔽线与数据处理模块相连，从前置放大器出来的信号被送入数据处理模块，信号处理模块通过分析处理得到信号数据的计数率、幅度值。信号处理模块通过RS232串口线将计数率、幅度值的数据送入计算机。
Claims (7)
1.粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的测量装置结构包括测量室（12）、铅室（13）、供气系统（14）、高压源（15）、前置放大器（16）、数据处理模块（17）、计算机（18）；其连接关系是：测量室置于铅室（13）中，供气系统（14）通过软管与测量室（12）相连；高压源（15）与测量室（12）内部相连；前置放大器（16）通过屏蔽线与测量室（12）内部相连接；前置放大器（16）通过屏蔽线与数据处理模块（17）相连；数据处理模块（16）通过串口线和计算机（18）相连。
2.根据权利要求1 所述的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的测量室的结构包括：网状圆柱形室（1）、样品隔膜（2）、送样抽屉（3）、样品盒（4）、进气口（5）、出气口（6）、室外壳（7）；送样抽屉（3）位于室的下部，样品盒（4）置于送样抽屉（3）上；三个网状圆柱形室（1）水平排列，位于样品盒的上部。
3.根据权利要求2 所述的网状圆柱形室，其特征在于：所述的网状圆柱形室的结构包括：阳极丝（8）、圆柱形阴极外壳（9）、阳极丝支柱（10）、陶瓷管（11）组成；阴极的柱面为不锈钢丝组成的网状结构，网状结构允许工作气体扩散进栅极内部，α粒子可透射过阴极柱面被阳极丝收集；阳极丝（8）为镀金钨丝或者不锈钢丝，阳极丝直径的取值范围为10μm~50μm；圆柱形阴极外壳（9）通过导线和室外壳（7）相连。
4.根据权利要求1 所述的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的供气系统给测量室提供工作气体，工作气体成分为90%氩气和10%甲烷的混合气体。
5.根据权利要求1 所述的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的高压源正极和网状圆柱形室（1）的阳极丝（8）相连，高压源负极和圆柱形阴极外壳（9）相连接，高压源提供阳极和阴极间的偏置高压。
6.根据权利要求1 所述的粉末环境样品α放射性核素的测量方法及测量装置，其特征在于：所述的前置放大器（16）和阳极丝（8）相连接。
7.根据权利要求3 所述的测量室，其特征在于：所述的样品隔膜（2）为迈拉（Mylar）材料，隔膜厚度的取值范围为80μg/cm2~300μg/cm2；隔膜（2）将网状圆柱形室（1）和样品盒（4）隔离，防止网状圆柱形室（1）被粉末环境样品污染。
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