CN107656303A - 一种超低本底α放射性测量装置及其设计方法 - Google Patents

一种超低本底α放射性测量装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低本底α放射性测量装置及其设计方法，装置包括外壳、探测丝、丝支撑、气嘴和绝缘子；所述的外壳底部设置有放置样品的安装腔；所述的探测丝的两端均设置有丝支撑，探测丝两端的丝支撑分别通过各自的绝缘子与外壳的两个相对的侧壁固定连接；所述的装置还包括屏蔽丝，所述的屏蔽丝的两端均设置有丝支撑，屏蔽丝两端的丝支撑也分别通过各自的绝缘子与外壳的两个相对的侧壁固定连接，屏蔽丝固定的侧壁与探测丝固定的侧壁相同。本发明在现有技术的基础之上，设置了用于接收测量装置的外壳侧壁和测量装置的外壳上盖发射的α粒子的屏蔽丝，对测量装置本身的放射性干扰起到了很好的屏蔽作用。

Description

一种超低本底α放射性测量装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及核辐射测量的气体探测器领域，尤其涉及一种超低本底α放射性测量装置及其设计方法。
背景技术
在低水平测量中由于样品计数率较低，测量系统自身的本底干扰是限制测量能力最重要的因素。这一部分本底主要由探测器内壁材料中的α放射性成分贡献，因此对超低本底多丝正比计数器的优化实际上就是对不同方向入射α粒子的筛选，只探测样品发射的α粒子，屏蔽测量系统发射的α粒子。
国内目前常用的流气式正比计数器结构如图1所示，假定α1为样品发射的α粒子；α2为与阳极丝平行的侧壁发射的α粒子；α3为与阳极丝垂直的侧壁发射的α粒子；α4为腔体上盖发射的α粒子，探测丝直径为微米级，相对于正比室它的放射性干扰我们可以忽略不计。其中α1为样品发射的需要被探测的α粒子，α2、α3和α4为测量系统发射的不希望被探测的本底。在低本底α测量中，测量系统本身的辐射干扰会对测量结果产生很大的影响，为了得到更高的测量效率，提出一种针对超低本底α放射性测量装置的优化方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超低本底α放射性测量装置及其设计方法，解决现有技术侧壁和上盖发射的α粒子影响测量的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超低本底α放射性测量装置，包括外壳、探测丝、丝支撑、气嘴和绝缘子；所述的外壳底部设置有放置样品的安装腔；所述的探测丝的两端均设置有丝支撑，探测丝两端的丝支撑分别通过各自的绝缘子与外壳的两个相对的侧壁固定连接；所述的气嘴有两个，分别设置于外壳的另外两个侧壁上；所述的装置还包括屏蔽丝，所述的屏蔽丝的两端均设置有丝支撑，屏蔽丝两端的丝支撑也分别通过各自的绝缘子与外壳的两个相对的侧壁固定连接，屏蔽丝固定的侧壁与探测丝固定的侧壁相同；所述的探测丝接收样品发射的α粒子，所述的屏蔽丝接收外壳侧壁和外壳上盖发射的α粒子。
进一步地，所述的探测丝和屏蔽丝均与侧壁平行设置。
进一步地，所述的探测丝和屏蔽丝均为镀金钨丝。
进一步地，通过所述的气嘴进入测量装置内部的工作气体成分为100％的氩气。
本发明还提供一种超低本底α放射性测量装置的设计方法，包括以下步骤：
S1：初步拟定所述的测量装置的几何尺寸，通过Garfield的cell section建立实体模型，设置测量装置的各项参数；
S2：通过magboltz接口加载工作气体；
S3：建立优化模型以及该优化模型的约束条件，具体：
测量装置的优化涉及到正比室的四项参数，四项参数相互影响，相互制约，根据式(1)可以推导出丝距和工作高压的关系，具体如下：
C＝q/Vo (1)
式(1)中C是单位探测丝对阴极平面的电容，Vo是工作高压，q是单位探测丝长度上的电荷；
LP＝Q1/VP (2)
LS＝Q2/VS (3)
最优解和四项参数之间也存在一定的关系，具体如下：
y＝f(VP,VS,LP,LS) (4)
式(2)(3)(4)中，VP为探测丝所加高压，VS为屏蔽丝所加高压，LP为探测丝间距，LS为屏蔽丝间距，Q1、Q2为与电荷有关的常量；式(4)为正比室结构优化的优化模型，该优化模型可视为有约束条件的多变量最优化问题，式(2)、式(3)即为该优化模型的约束条件；
S4：选取四项参数，通过SRIM计算出α粒子在工作气体中的射程及入射轨迹，结合Garfield计算出的电子的漂移轨迹；
当测量装置外壳侧壁和上盖产生的α粒子以及其电离的电子未均漂移到了屏蔽丝上被屏蔽丝收集，则重新选取四项参数并进行计算；当测量装置外壳侧壁和上盖产生的α粒子以及其电离的电子最终都漂移到了屏蔽丝上被屏蔽丝收集，而样品发射的α粒子产生的次级电子在电场作用下最终漂移到探测丝上被探测丝收集时，此时探测丝和屏蔽丝的直径、间距以及工作高压即为最优解。
进一步地，屏蔽丝和探测丝的直径取值为40μm；且四项参数的取值范围为600V<VP<1000V，1mm<LP<100mm，600V<VS<1000V，1mm<LS<50mm；
优化的过程就是在集合S＝{(VP,VS,LP,LS):600V<VP<1000V,600V<VS<1000V,1mm<LP<100mm,1mm<LS<50mm}上求y＝f(VP,VS,LP,LS)的最优解。
进一步地，所述的工作气体成分为100％的氩气。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在现有技术的基础之上，设置了用于接收测量装置的外壳侧壁和测量装置的外壳上盖发射的α粒子的屏蔽丝，对测量装置本身的放射性干扰起到了很好的屏蔽作用。
(2)进一步地，本发明还提出该测量装置的设计方法，通过该方法求出测量装置各项参数的最优解，测量装置在最优解下可以屏蔽掉室内各个方向的放射性干扰，只探测样品的放射性，且该控制简便，易于实现自动化。
附图说明
图1为现有技术结构示意图；
图2为本发明其中一个方向剖面示意图；
图3为本发明另外一个方向剖面示意图；
图4为本发明方法流程图；
图5为第一种情况下Garfield模拟的电子漂移路径图；
图6为第二种情况下Garfield模拟的电子漂移路径图；
图7为第三种情况下Garfield模拟的电子漂移路径图；
图中，1-外壳，2-样品，3-探测丝，4-屏蔽丝，5-气嘴，6-丝支撑，7-绝缘子，8-侧壁，9-上盖。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
如图2和图3所示，一种超低本底α放射性测量装置，包括外壳1、探测丝3、丝支撑6、气嘴5和绝缘子7；所述的外壳1底部设置有放置样品2的安装腔；所述的探测丝3的两端均设置有丝支撑6，探测丝3两端的丝支撑6分别通过各自的绝缘子7与外壳1的两个相对的侧壁8固定连接；所述的气嘴5有两个，分别设置于外壳1的另外两个侧壁8上；所述的装置还包括屏蔽丝4，所述的屏蔽丝4的两端均设置有丝支撑6，屏蔽丝4两端的丝支撑6也分别通过各自的绝缘子7与外壳1的两个相对的侧壁8固定连接，屏蔽丝4固定的侧壁8与探测丝3固定的侧壁8相同；所述的探测丝3接收样品2发射的α粒子，所述的屏蔽丝4接收外壳1侧壁8和外壳1上盖9发射的α粒子。
更优地，在本实施例中，所述的探测丝3和屏蔽丝4均与侧壁8平行设置。
更优地，在本实施例中，所述的探测丝3和屏蔽丝4均为镀金钨丝。
更优地，在本实施例中，通过所述的气嘴5进入测量装置内部的工作气体成分为100％的氩气。
如图4所示，基于上述装置的实现，本实施例还提供一种超低本底α放射性测量装置的设计方法，包括以下步骤：
S1：初步拟定所述的测量装置的几何尺寸，通过Garfield的cell section建立实体模型，设置测量装置的各项参数；
在本实施例中，参数设置包括：初步设定测量装置长300mm，宽300mm，高150mm；探测丝3为3根，其中1个设置于中心位置，另外2个水平设置于中心的两侧；屏蔽丝4为7根，分布在探测丝3的上方和左右两层上。探测丝3和屏蔽丝4都由直径为40μm的镀金钨丝构成，每根丝的两端都由长75mm、直径10mm的丝支撑6固定在测量装置上。此外，考虑到α粒子的射程，探测丝3上方的五根屏蔽丝4离测量装置顶层的距离设置40mm，探测丝3左右两侧的两根屏蔽丝4离测量装置顶层的距离设置为60mm。三根探测丝离样品的距离设置为80mm。另外，相邻探测丝3的水平间距(丝距)相同，同时相邻屏蔽丝4的水平间距(丝距)相同。
S2：通过magboltz接口加载100％的氩气作为工作气体；
S3：建立优化模型以及该优化模型的约束条件，具体：
所述探测丝3和屏蔽丝4的间距以及工作高压四项参数相互影响并满足一定的关系，具体如下：
C＝q/Vo (1)
式(1)中C是单位探测丝3对阴极平面的电容，Vo是工作高压，q是单位探测丝3长度上的电荷。当丝距减小引起单位探测丝3对阴极平面的电容C减小时，为了使单位丝长度上的电荷保持不变，也就是说为了使丝周围的电场强度维持不变，从而保持原来的气体放大倍数则需要提高工作高压Vo。
测量装置的优化涉及到正比室的四项参数，四项参数相互影响，相互制约，根据式(1)可以推导出丝距和工作高压的关系，具体如下：
LP＝Q1/VP 600V≤VP≤1000V，1mm≤LP≤100mm (2)
LS＝Q2/VS 600V≤VS≤1000V，1mm≤LS≤50mm (3)
最优解和四项参数之间也存在一定的关系，具体如下：
y＝f(VP,VS,LP,LS) (4)
式(2)(3)(4)中，VP为探测丝3所加高压，VS为屏蔽丝4所加高压，LP为探测丝3间距，LS为屏蔽丝4间距，Q1、Q2为与电荷有关的常量；式(4)为正比室结构优化的优化模型，该优化模型可视为有约束条件的多变量最优化问题，式(2)、式(3)即为该优化模型的约束条件。
S4：选取四项参数，通过SRIM计算出α粒子在工作气体中的射程及入射轨迹，结合Garfield计算出的电子的漂移轨迹，可以得到如图5～7所示的粒子运动轨迹图；优化的过程就是在集合S＝{(VP,VS,LP,LS):600V≤VP≤1000V,600V≤VS≤1000V,1mm≤LP≤100mm,1mm≤LS≤50mm}上求y＝f(VP,VS,LP,LS)的最优解；
当测量装置外壳1侧壁8和上盖9产生的α粒子以及其电离的电子在电场的作用下未均漂移到了屏蔽丝4上被屏蔽丝4收集，则重新选取四项参数并进行计算；当测量装置外壳1侧壁8和上盖9产生的α粒子以及其电离的电子最终都漂移到了屏蔽丝4上被屏蔽丝4收集，而样品2发射的α粒子产生的次级电子在电场作用下最终漂移到探测丝3上被探测丝3收集时，此时探测丝3和屏蔽丝4的直径、间距以及工作高压即为最优解。从而在探测丝3上产生一个信号脉冲，经过后端电子学电路的放大被读出。
具体地，在本实施例中，在最优解下测量装置中的屏蔽丝4可以屏蔽掉测量系统本身的放射性干扰，探测丝3只探测样品2发射的α粒子，部分模拟结果如图5～7所示：
当探测丝3所加高压VP＝1000V，屏蔽丝4所加高压VS＝800V，屏蔽丝4间距LS＝30mm，探测丝3间距LP＝50mm，如图5所示，模拟结果显示部分底部的电子漂移到了屏蔽丝4，应该适当降低屏蔽丝4电压；
当探测丝3所加高压VP＝800V，屏蔽丝4所加高压VS＝800V，屏蔽丝4间距LS＝40mm，探测丝3间距LP＝50mm，如图6所示，部分顶部的电子漂移到了探测丝3，应当适当减小屏蔽丝4之间的距离或者增加屏蔽丝4的数量才能对顶部α粒子起到完全屏蔽的效果；
经过多种参数的模拟，我们最终设置VP＝VS＝800V，LP＝50mm，LS＝30mm。模拟结果如图7，样品2发射的α粒子产生的次级电子漂移到探测丝3，而测量装置内壁各个方向发射的α粒子产生的次级电子被相应的屏蔽丝4和丝支撑6收集，不会引起辐射测量计数。本次模拟的参数值也就是测量装置优化得到的最优解。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种超低本底α放射性测量装置，包括外壳、探测丝、丝支撑、气嘴和绝缘子；所述的外壳底部设置有放置样品的安装腔；所述的探测丝的两端均设置有丝支撑，探测丝两端的丝支撑分别通过各自的绝缘子与外壳的两个相对的侧壁固定连接；所述的气嘴有两个，分别设置于外壳的另外两个侧壁上；其特征在于：所述的装置还包括屏蔽丝，所述的屏蔽丝的两端均设置有丝支撑，屏蔽丝两端的丝支撑也分别通过各自的绝缘子与外壳的两个相对的侧壁固定连接，屏蔽丝固定的侧壁与探测丝固定的侧壁相同；所述的探测丝接收样品发射的α粒子，所述的屏蔽丝接收外壳侧壁和外壳上盖发射的α粒子。
2.根据权利要求1所述的一种超低本底α放射性测量装置，其特征在于：所述的探测丝和屏蔽丝均与侧壁平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种超低本底α放射性测量装置，其特征在于：所述的探测丝和屏蔽丝均为镀金钨丝。
4.根据权利要求1所述的一种超低本底α放射性测量装置，其特征在于：通过所述的气嘴进入测量装置内部的工作气体成分为100％的氩气。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的一种超低本底α放射性测量装置的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：初步拟定所述的测量装置的几何尺寸，通过Garfield的cell section建立实体模型，设置测量装置的各项参数；
S2：通过magboltz接口加载工作气体；
S3：建立优化模型以及该优化模型的约束条件，具体：
测量装置的优化涉及到正比室的四项参数，四项参数相互影响，相互制约，根据式(1)可以推导出丝距和工作高压的关系，具体如下：
C＝q/Vo (1)
式(1)中C是单位探测丝对阴极平面的电容，Vo是工作高压，q是单位探测丝长度上的电荷；
LP＝Q1/VP (2)
LS＝Q2/VS (3)
最优解和四项参数之间也存在一定的关系，具体如下：
y＝f(VP,VS,LP,LS) (4)
式(2)(3)(4)中，VP为探测丝所加高压，VS为屏蔽丝所加高压，LP为探测丝间距，LS为屏蔽丝间距，Q1、Q2为与电荷有关的常量；式(4)为正比室结构优化的优化模型，该优化模型可视为有约束条件的多变量最优化问题，式(2)、式(3)即为该优化模型的约束条件；
S4：选取四项参数，通过SRIM计算出α粒子在工作气体中的射程及入射轨迹，结合Garfield计算出的电子的漂移轨迹；
当测量装置外壳侧壁和上盖产生的α粒子以及其电离的电子未均漂移到了屏蔽丝上被屏蔽丝收集，则重新选取四项参数并进行计算；当测量装置外壳侧壁和上盖产生的α粒子以及其电离的电子最终都漂移到了屏蔽丝上被屏蔽丝收集，而样品发射的α粒子产生的次级电子在电场作用下最终漂移到探测丝上被探测丝收集时，此时探测丝和屏蔽丝的直径、间距以及工作高压即为最优解。
6.根据权利要求5所述的一种超低本底α放射性测量装置的设计方法，其特征在于：屏蔽丝和探测丝的直径取值为40μm；且四项参数的取值范围为600V≤VP≤1000V，1mm≤LP≤100mm，600V≤VS≤1000V，1mm≤LS≤50mm；
优化的过程就是在集合S＝{(VP,VS,LP,LS):600V≤VP≤1000V,600V≤VS≤1000V,1mm≤LP≤100mm,1mm≤LS≤50mm}上求y＝f(VP,VS,LP,LS)的最优解。
7.根据权利要求5所述的一种超低本底α放射性测量装置的设计方法，其特征在于：所述的工作气体成分为100％的氩气。
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