CN108445530B - 一种α粒子阻隔型低能电子探测器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种α粒子阻隔型低能电子探测器件。包括一端开口的外壳、真空密封窗、α粒子阻隔层及电子探测装置；真空密封窗位于外壳开口端，与外壳形成真空腔室；α粒子阻隔层紧贴真空密封窗位于外壳内部，且与外壳绝缘，用于阻隔α粒子穿过；电子探测装置包括电子探测器、高压模块和信号采集模块；所述电子探测器位于外壳内部并与α粒子阻隔层平行，电子探测器与α粒子阻隔层之间的间隔形成飞行腔室；高压模块和信号采集模块位于外壳外部，电子探测器阳极与高压模块连接，电子探测器信号输出端和信号采集模块连接；α粒子穿过真空密封窗进入并停留在α粒子阻隔层的微孔中。解决了现有技术中高氡环境下不能对氚发射低能电子直接探测的缺陷。

Description

一种α粒子阻隔型低能电子探测器件

技术领域

本发明涉及一种低能电子探测器件，特别是涉及一种α粒子阻隔型低能电子探测器件。

背景技术

在核能大发展的背景下，反应堆、氚工艺等涉氚场所中氚的操作运用量在数年增加，为了实现人员的安全防护，空气中氚的实时测量成为涉氚操作场所的一项重要的研究内容。在某些特殊的涉氚操作场所，人员操作场所中也含有较高浓度的氡。空气中，氡主要以氡气的形式存在，氚以氚化水蒸汽(HTO)和氚气(HT)的形式存在。氡衰变放出能量为5.47MeV的α粒子，氚衰变放出平均能量为5.67keV的β粒子。两者均为气态，且氡放出的α粒子能量约为氚放出β粒子的1000倍，因此氡的存在给氚的准确测量带了严重的干扰。

为了实现氚的实时准确测量，需要对氚放出的β粒子进行准确、高效的测量，文献“杨怀元，吴斌，温雪莲等，气中氡甄别型氚监测仪的研制，核电子学与探测技术，2004，24(6)：555-558”公开了一种氡甄别型氚监测仪TAM-V。该系统采用一体化的平行板型丝壁式测氚电离室和镀铝聚酯膜窗平行板型测氡密闭电离室，其核心是利用镀铝聚酯膜密封成双层电离室。镀铝聚酯膜能透过能量较高的α粒子而阻止低能的β粒子，再通过双层电离室氡补偿的方式实现空气中氚监测过程中氡干扰的实时、同步测量与补偿。这种方法是通过总计数中补偿掉氡α得到氚计数的，受氡浓度变化影响较大，氡浓度变化剧烈时补偿算法几乎失效，且探测下限很高，不能有效的用于高氡环境下氚的准确测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，用以解决现有技术中高氡环境下不能对氚发射低能电子直接探测的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特殊之处在于：包括一端开口的外壳、真空密封窗、α粒子阻隔层及电子探测装置；

上述真空密封窗位于外壳开口端，与外壳形成真空腔室；

上述α粒子阻隔层紧贴真空密封窗位于外壳内部并沿外壳横截面设置，且与外壳绝缘，用于阻隔α粒子穿过；上述真空密封窗大小与α粒子阻隔层一致，用以密封α粒子阻隔层上的小孔；

上述电子探测装置包括电子探测器、高压模块和信号采集模块；上述电子探测器位于外壳内部并与α粒子阻隔层平行，电子探测器与α粒子阻隔层之间的间隔形成飞行腔室；高压模块和信号采集模块位于外壳外部，电子探测器与高压模块和信号采集模块连接；上述电子探测器工作在脉冲模式下，通过高压模块，获得高压并将测量信号输出；通过信号采集模块将电子探测器件的脉冲信号提取并处理、显示；

上述α粒子阻隔层包括相互叠放的若干层微通孔板，不同层微通孔板上的微孔轴向具有夹角，α粒子穿过真空密封窗进入并停留在α粒子阻隔层的微孔中。

优选地，飞行腔室内靠近α粒子阻隔层的一端设置阴极，靠近电子探测器的一端设置阳极，α粒子阻隔层、飞行腔室的阴极、阳极及电子探测器平行放置；

阴极接直流高压电源，阴极、阳极均与外壳绝缘。

优选地，上述微通孔板的微孔为圆柱形、立方体形或锥形等，每层微通孔板上的微孔之间，轴向平行。

优选地，上述微通孔板的材料为对0.1MeV以下的低能电子反散射概率大于0.3的高原子序数材料，微通孔板的厚度为10～20μm；

微通孔板上的多层孔道，开孔直径为0.5～1μm，开孔密度为2.5×10⁵个/mm²。

优选地，上述α粒子阻隔层包括相互叠放的两层微通孔板，两层微通孔板微孔之间的锐角夹角θ满足(d₁/cosθ-H/sinθ)>R_α，且(d₂·cosθ-H·cotθ)>R_α；其中l₁第一层微通孔板厚，l₂为第二层微通孔板厚，H为微孔直径，d₁为α粒子径迹在第一层微通孔板管壁中的最小距离，d₂为α粒子径迹在第二层微通孔板管壁中的最小距离；R_α为该能量α粒子在微通孔板中的最大射程。

优选地，该探测器还包括设置在外壳与α粒子阻隔层、阴极及阳极之间的绝缘层，上述绝缘层的材料为耐高压(＞1KV)且放气少的绝缘材料。

优选地，上述真空密封窗的厚度为10～20nm，为具有较好阻氚性能的材料(常温下氚漏率低于10^-14mol^-1·m^-1·s^-1·Pa^-1/2)。

优选地，飞行腔室的阳极和阴极为开窗式平板型电极或平行丝电极，材料是耐高压且导电性能良好的材料(电阻率≤2.9×10^-8Ω·m)。

优选地，电子探测器为对keV级低能电子敏感的探测器件，包括半导体探测器或表面涂抹荧光涂层的闪烁体探测器。

优选地，上述外壳上镶嵌有高压电缆接头及信号电缆接头；

高压电缆接头壳体与所述外壳连接，电缆芯与壳体绝缘，通过导线与电子探测器阳极连接；

信号电缆接头壳体与所述外壳连接，电缆芯与壳体绝缘，通过导线与所述电子探测器信号输出端连接。

优选地，上述外壳为圆柱体或立方体结构；上述α粒子阻隔层为与外壳对应的圆柱体或立方体结构，上下底面直径或边长为1～5cm；上述真空密封窗为圆形或四边形且直径或边长大于(略大于)α粒子阻隔层的直径或边长；当飞行腔室内不设置电机时，飞行腔室的高度为0.1～1cm，当设置电极时，飞行腔室的高度为5～10cm；

微通孔板的材料为金或银；绝缘层材料为如陶瓷或聚四氟乙烯；真空密封窗材料为Al₂O₃；飞行腔室阳极与阴极的材料为铜或铝；所述外壳的材料是不锈钢。

本发明的有益效果是：

1、本发明由真空密封窗、外壳、α粒子阻隔层、电子探测装置组成。真空密封窗和外壳确保微通孔板微孔内为真空，α粒子和电子运动不受空气的干扰，且确保低能电子能够穿透且带有一定速度进入微通孔板微孔；α粒子阻隔层在将α粒子阻挡的同时确保了电子进入飞行腔室，直接飞入或经过电场加速后被电子探测器所收集，原理简单，易与实现，纯粹的物理设计，没有功耗和电子设计等其他方面的要求；

2、本发明电子探测器，可对低能电子进行准确测量。电子探测器将低能电子进行收集，产生脉冲信号或电流信号，通过信号采集模块进行分析，进而实现电子能量、能谱等信息的测量；

3、本发明利用了α粒子、电子与物质相互作用的原理不同，将复杂环境下的测量对象直接筛选，而不是像背景技术中提到的，两种射线都进入探测系统、再通过信号处理的方式扣除α的影响，探测系统直接只对低能电子进行探测。避免了人为因素和电子学系统的引发误差的可能，从根本上实现了扣除α粒子后测量氚发射电子的难题，因此可用于高氡环境下氚的绝对实时测量，且不受外界氡浓度的变化的干扰。

附图说明

图1是本发明α粒子阻隔型低能电子探测器件结构图。

图2是本发明α粒子阻隔层一种可能结构的工作原理图。

图中，1-真空密封窗，2-外壳，3-α粒子阻隔层，4-飞行腔室阴极，5-飞行腔室阳极，6-绝缘层，7-直流高压电源，8-电子探测器，9-高压电缆接头，10-信号电缆接头，11-高压模块，12-信号采集模块，13-初始电子，14-初始α粒子，15-穿过α阻隔层的电子，16-被电场加速的电子，17-飞行腔室的电场线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

从图1可以看出，本发明一种α粒子阻隔型低能电子探测器件包括真空密封窗1、外壳2、α粒子阻隔层3、飞行腔室、电子探测装置五部分。其中飞行腔室内还可以包括飞行腔室阴极4及飞行腔室阳极5；α粒子阻隔层3、飞行腔室阴极4、飞行腔室阳极5与外壳之间设置绝缘层6；电子探测装置包括电子探测器8，高压模块11，信号采集模块12。

其中，外壳2为一端开口的圆柱不锈钢腔体或立方体不锈钢腔体，外壳2上还可以设有高压电缆接头9和信号电缆接头10，外壳2与绝缘层6、真空密封窗1共同组成密封腔体，并在α粒子阻隔层3与电子探测器8之间形成飞行腔室；真空密封窗1的材料为具有一定机械硬度、且不易吸附氚的薄膜材料，如Al₂O₃等，厚度10～20nm，为圆形或四边形，直径或边长为1～5cm，设置在外壳2的开口端；α粒子阻隔层3位于外壳内部，真空密封窗1附着在α粒子阻隔层3上，α粒子阻隔层3的材料为在厚衬底条件下对0.1MeV以下的低能电子反散射概率大于0.3的高原子序数材料，如金和银等，上下底面直径或边长为1～5cm，厚度10～20μm，为圆形或四方形；绝缘层6的材料为耐高压且放气少的绝缘材料，如陶瓷或聚四氟乙烯等，为圆形筒或四方形筒，筒壁厚1μm，内径与α粒子阻隔层、电子探测器的外径一致；飞行腔室可加电场也可不加电场，不加电时，腔室高0.1～1cm；飞行腔室加电时，腔室两端设置飞行腔室阴极4和飞行腔室阳极5，电极为开窗式平板型电极或平行丝电极，材料是耐高压且导电性能良好的材料，如铜或铝等，外接直流稳压电源7为两端电极提供8000～10000V的直流高压，飞行腔室高度为5～10cm。射线源发射出低能电子和α粒子，两种粒子穿过真空密封窗进入阻隔层的微孔中，与阻隔层发生作用，最终部分电子穿过α粒子阻隔层进入飞行腔室；飞行腔室为真空，电子经过电场加速或直接穿过飞行腔室后打在电子探测器8的表面；电子探测器8通过高压电缆接头8、信号电缆接头9与高压模块11和信号采集模块12连通，对穿过飞行腔室的电子进行收集和测量；高压模块11为电子探测器8提供0～3000V可调的稳定高压；电子探测器为具有低能电子探测能力的半导体探测器或表面涂有荧光材料的闪烁体探测器，闪烁体探测器后设置有光电倍增管。整个电子探测器的形状为圆柱体或立方体。穿过飞行腔室的电子进入电子探测器，形成脉冲信号或电流信号；信号采集模块通过高压电缆接头和电缆线与电子探测器的输出端相连，将探测器收集的信号加以成形和显示。

α粒子阻隔层3包括若干层微通孔板，每层微通孔板为圆柱体或立方体薄板，开有若干通孔，通孔为圆柱形、立方体形或锥体等；绝缘层包裹微通孔板边缘，用以绝缘微通孔板和外壳；微通孔板的微孔中也是真空。

图2展示了一周可能的α粒子阻隔层的结构，以下实施例参照图2对α阻隔层的工作原理作进一步详细描述。

穿过真空密封窗的α粒子沿着初始速度方向在微孔中运动，α粒子的运动轨迹几乎是直线，沿直线运动至碰到微孔壁，打入微孔壁并在微孔壁中损失能量，待能量耗尽就停留在微通孔板的管壁中。为了将α粒子完全阻隔，需满足α粒子径迹在双层管壁中的最小距离d₁、d₂均大于该能量α粒子在微通孔板中的最大射程R_α，即第一层微通孔板厚l₁、第二层微通孔板厚l₂、微孔直径H、两微通孔板微孔夹角(<90°的角)θ之间需满足(d₁/cosθ-H/sinθ)>R_α，且(d₂·cosθ-H·cotθ)>R_α；低能电子在高原子序数的材料表面，具有较大的散射概率，电子沿着初始速度方向在微孔中运动，至碰到微孔壁后发生散射，改变方向继续运动，经多次散射，最终穿过双层微孔，进入飞行腔室。如此，α粒子被耗尽在阻隔层中，电子通过阻隔层。

Claims (10)

1.一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：包括一端开口的外壳、真空密封窗、α粒子阻隔层及电子探测装置；

所述真空密封窗位于外壳开口端，与外壳形成真空腔室；

所述α粒子阻隔层紧贴真空密封窗位于外壳内部并沿外壳横截面设置，且与外壳绝缘，用于阻隔α粒子穿过；

所述电子探测装置包括电子探测器、高压模块和信号采集模块；所述电子探测器位于外壳内部并与α粒子阻隔层平行，电子探测器与α粒子阻隔层之间的间隔形成飞行腔室；高压模块和信号采集模块位于外壳外部，电子探测器阳极与高压模块连接，电子探测器信号输出端和信号采集模块连接；

所述α粒子阻隔层包括相互叠放的若干层微通孔板，不同层微通孔板上的微孔轴向具有夹角，α粒子穿过真空密封窗进入并停留在α粒子阻隔层的微孔中。

2.根据权利要求1所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：飞行腔室内靠近α粒子阻隔层的一端设置阴极，靠近电子探测器的一端设置阳极，α粒子阻隔层、飞行腔室的阴极、阳极及电子探测器平行放置；

阴极接直流高压电源，阴极、阳极均与外壳绝缘。

3.根据权利要求2所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：所述微通孔板的微孔为圆柱形、立方体形或锥形，每层微通孔板上的微孔之间轴向平行。

4.根据权利要求3所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：所述微通孔板的材料为对0.1MeV以下的低能电子反散射概率大于0.3的高原子序数材料，微通孔板的厚度为10～20μm；

微通孔板上的多层孔道，开孔直径为0.5～1μm，开孔密度为2.5×10⁵个/mm²。

5.根据权利要求4所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：所述α粒子阻隔层包括相互叠放的两层微通孔板，两层微通孔板微孔之间的锐角夹角θ满足(d₁/cosθ-H/sinθ)>R_α，且(d₂·cosθ-H·cotθ)>R_α；其中H为微孔直径，d₁为α粒子径迹在第一层微通孔板管壁中的最小距离，d₂为α粒子径迹在第二层微通孔板管壁中的最小距离；R_α为α粒子在微通孔板中的最大射程。

6.根据权利要求5所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：还包括设置在外壳与α粒子阻隔层、阴极及阳极之间的绝缘层，所述绝缘层的材料为耐1KV以上的高压的绝缘材料。

7.根据权利要求6所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：所述真空密封窗的厚度为10～20nm，常温下氚漏率低于10^-14mol^-1·m^-1·s^-1·Pa^-1/2。

8.根据权利要求2-7任一所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：飞行腔室的阳极和阴极为开窗式平板型电极或平行丝电极，飞行腔室的阳极和阴极材料的电阻率≤2.9×10^-8Ω·m；电子探测器为对keV级低能电子敏感的探测器件，包括半导体探测器或表面涂抹荧光涂层的闪烁体探测器。

9.根据权利要求8所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：所述外壳上镶嵌有高压电缆接头及信号电缆接头；

高压电缆接头壳体与所述外壳连接，电缆芯与壳体绝缘，通过导线与电子探测器阳极连接；

信号电缆接头壳体与所述外壳连接，电缆芯与壳体绝缘，通过导线与所述电子探测器信号输出端连接。

10.根据权利要求6所述的一种α粒子阻隔型低能电子探测器件，其特征在于：所述外壳为圆柱体或立方体结构；所述α粒子阻隔层为与外壳对应的圆柱体或立方体结构，上下底面直径或边长为1～5cm；所述真空密封窗为圆形或四边形且直径或边长大于α粒子阻隔层的直径或边长；真空腔室的高度为0.1～1cm或5～10cm；

微通孔板的材料为金或银；绝缘层材料为陶瓷或聚四氟乙烯；真空密封窗材料为Al₂O₃；飞行腔室阳极与阴极的材料为铜或铝；所述外壳的材料是不锈钢。