CN104576285A - 超低本底α电离室 - Google Patents

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Abstract

本发明属于放射性测量技术领域，公开了一种用于测量超低本底α样品的超低本底α电离室。该电离室包括一个圆柱形的腔体和屏蔽体，其中腔体位于屏蔽体内且位于屏蔽体底部的中心位置；腔体顶部的下表面设置有圆形的阳极和圆环形保护极，阳极和保护极的工作电压相同且均作为收集极，阳极、保护极及圆柱形腔体顶部的圆心位置一致，保护极位于阳极的外侧且与阳极之间绝缘；腔体的底部设置有样品托，同时也作为阴极；阳极和阴极之间的距离为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的2～5倍。该电离室具有能够对电离室本身材料的α发射率进行甄别和剔除、用于测量超低本底α样品的特点。

Description

超低本底α电离室
技术领域
本发明属于放射性测量技术领域，具体涉及一种用于测量超低本底α样品的超低本底α电离室。
背景技术
在环境监测、基础物理实验、新型材料生产特别是微电子元件封装材料生产中对低本底甚至超低本底α测量的需求不断增加。尤其是随着半导体生产工艺进入更精细的纳米水平，操作电压变得更低，在这种条件下电离辐射引起的软错误(Soft Error)将成指数增加。为了使这种错误率不影响电子产品的性能，就要求封装材料中的α放射性尽可能小。因此，亟需相应的超低本底α测量装置对材料中的α发射率进行检测。
目前，测量低本底α样品的α发射率主要采用气体探测器和半导体探测器。气体探测器主要包括大面积屏栅电离室和大面积流气式正比计数器。气体探测器的α本底主要来自于探测器材料中天然的α放射性，其降本底的方法是选择本底尽可能低的探测器材料。这种方法已经达到了极限，仍很难满足对超低本底α样品测量的需求。同样，对于半导体探测器，除了受到探测器材料自身的α本底之外，同时还受到宇宙射线的影响，也很难满足超低本底测量的需求。目前，还没有一种能够对探测器材料本身的α发射率进行甄别和剔除的超低本底α电离室。
发明内容
(一)发明目的
根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种能够对电离室本身材料的α发射率进行甄别和剔除、用于测量超低本底α样品的电离室。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
超低本底α电离室，该电离室包括一个圆柱形的腔体和屏蔽体，其中腔体位于屏蔽体内且位于屏蔽体底部的中心位置；腔体顶部的下表面设置有圆形的阳极和圆环形保护极，阳极和保护极的工作电压相同且均作为收集极，阳极、保护极及圆柱形腔体顶部的圆心位置一致，保护极位于阳极的外侧且与阳极之间绝缘；腔体的底部设置有样品托，同时也作为阴极；阳极和阴极之间的距离为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的2～5倍。
优选地，阳极、保护极及阴极的材质为金属。
优选地，阳极、保护极及阴极的材质为铜。
优选地，腔体的材质为塑料。
优选地，屏蔽体的材质为不锈钢。
优选地，腔体的材质为尼龙。
优选地，腔体底部的样品托为抽屉式结构，便于换样。
优选地，阳极和保护极之间留有0.1～1cm的间隙。
优选地，保护极的宽度为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的0.5～1.5倍。
(三)有益效果
本发明提供了一种超低本底α电离室，该电离室利用其对宇宙射线和周围γ射线不灵敏且α本底主要来自于电离室内壁表面的特点，合理设计电离室腔体、保护极、阳极及阴极的位置、形状、大小等，对来自电离室腔体内壁的α粒子进行甄别和剔除，使得该电离室能够对超低本底α样品进行测量。具体原理为：
根据电离室的结构，将α粒子的来源依据产生的位置不同可分为来自阳极的本底α阳、来自侧壁的本底α侧以及来自样品的粒子α样。
由于α粒子的能量在5MeV左右，常压下在电离室工作气体中的射程约为5cm左右。通过对电离室极间距的合理设计，使从阳极发射的本底α阳产生的电离电荷和从阴极上放置的样品发射的粒子α样产生的电离电荷到达阳极的距离不同。在饱和电压下，两者电荷收集时间不同，即输出脉冲信号的上升时间不同。以阴、阳极之间极间距为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的3倍为例，则两者脉冲信号上升时间也至少为3倍关系。根据脉冲信号上升时间的差异，就可以甄别出发射的α粒子来源于阳极还是样品。
保护极的尺寸为常压下电离室工作气体射程的0.5～1.5倍。来自侧壁的本底α侧就会在保护极上产生一个幅度较大信号，当然也可能在阳极产生一个幅度较小的信号。而来自于样品的粒子α样则不会在保护极上产生信号或者产生幅度较小的信号。因此，就可以通过分析保护极和阳极信号幅度的相对关系甄别出来自于侧壁的本底α侧。
此外，阴极也即样品托，由于α粒子穿透能力弱。将样品覆盖在样品托上时，也消除了阴极可能产生的本底。
附图说明
图1是电离室结构的剖面示意图，其中1是阳极，2是保护极，3是屏蔽体，4是腔体，5是样品托；
图2是电离室三维剖面示意图，其中3是屏蔽体，4是腔体；
图3是待测样品发射的α粒子产生的脉冲信号图；
图4是侧壁发射的α粒子产生的脉冲信号图；
图5是阳极发射的α粒子产生的脉冲信号图；
图6是不同位置发射的α粒子产生的脉冲信号图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
超低本底α电离室，如图1和图2所示，该电离室包括一个圆柱形腔体和屏蔽体，其中圆柱形腔体位于屏蔽体内且位于屏蔽体底部的中心位置。其中腔体的材质为尼龙，高度为15cm，直径55cm，屏蔽体的材质为不锈钢。圆柱形腔体的顶部下表面设置有圆形的阳极和圆环形保护极，阳极和保护极均作为收集极，材质为铜。其中阳极直径44cm，保护环的宽度为5cm，保护极位于阳极的外侧且与阳极之间留有0.1cm的缝隙以绝缘，阳极、保护极及腔体顶部的圆心位置一致；腔体的底部设置为材质为铜的样品托，同时也作为阴极；阳极和阴极之间的距离为10cm。
采用超低本底α电离室测量样品时，还需要配套的气路系统、高压模块、前置放大器、数字化波形采集系统和数字化波形分析软件。其中气路系统为超低本底α电离室提供高纯的电离室工作气体，可以采用CH4、N2等气体，高压模块为阳极和保护极分别加相同的工作电压。阳极和保护极输出的信号分别经前置放大器放大后，由数字化波形采集系统完成数据采集。数字化波形采集系统选择10M的采用率和10位分辨。数字化波形分析软件首先提取的脉冲形状参数，主要包括信号幅度、上升时间以及两路信号的时间关系。然后通过脉冲形状参数，确定α粒子在电离室中发射的位置。从而识别出α粒子是来自电离室壁的本底还是来自待测样品。图3-图6是不同位置发射的α粒子的脉冲形状。如图3是来自样品的α粒子，在阳极产生了一个幅度较大、上升约为30～40μs的信号,而在保护极上几乎没有产生信号。图4是来自侧壁的α粒子，在保护极上产生了一个幅度较大的信号,而在阳极上产生了幅度较小的信号。图5是来自阳极的α粒子，在阳极产生了一个幅度较小、上升约为10μs的信号,而在保护极上几乎没有产生信号。图6是连续记录的5个信号，可以很明显地分辨出这些信号对应的α粒子分别来自阳极、侧壁还是样品。对样品发射的α粒子进行记录，对本底进行剔除，最终实现超低本底测量，得到待测样品的α表面发射率。
实施例2
与实施例1不同的是，腔体底部的样品托为抽屉式结构，便于换样。阳极和保护极之间留有0.5cm的间隙。保护极的宽度为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的1.5倍。
实施例3
与实施例1不同的是，阳极和保护极之间留有1cm的间隙，保护极的宽度为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的0.5倍。
实施例4
与实施例1不同的是，阳极和阴极之间的距离为常压下α在电离室工作气体中射程的5倍，阳极和保护极之间填充有0.5cm的绝缘材料。
实施例5
与实施例1不同的是，阳极和阴极之间的距离为常压下α在电离室工作气体中射程的2倍，阳极和保护极之间填充有0.5cm的绝缘材料。

Claims (9)

1.超低本底α电离室，其特征在于，该电离室包括一个圆柱形的腔体和屏蔽体，其中腔体位于屏蔽体内且位于屏蔽体底部的中心位置；腔体顶部的下表面设置有圆形的阳极和圆环形保护极，阳极和保护极的工作电压相同且均作为收集极，阳极、保护极及圆柱形腔体顶部的圆心位置一致，保护极位于阳极的外侧且与阳极之间绝缘；腔体的底部设置有样品托，同时也作为阴极；阳极和阴极之间的距离为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的2～5倍。
2.根据权利要求1所述的超低本底α电离室，其特征在于，阳极、保护极及阴极的材质为金属。
3.根据权利要求1或2所述的超低本底α电离室，其特征在于，阳极、保护极及阴极的材质为铜。
4.根据权利要求1所述的超低本底α电离室，其特征在于，腔体的材质为塑料。
5.根据权利要求1所述的超低本底α电离室，其特征在于，屏蔽体的材质为不锈钢。
6.根据权利要求1或4所述的超低本底α电离室，其特征在于，腔体的材质为尼龙。
7.根据权利要求1所述的超低本底α电离室，其特征在于，腔体底部的样品托为抽屉式结构。
8.根据权利要求1所述的超低本底α电离室，其特征在于，阳极和保护极之间留有0.1～1cm的间隙。
9.根据权利要求1所述的超低本底α电离室，其特征在于，保护极的宽度为常压下α粒子在电离室工作气体中射程的0.5～1.5倍。
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