CN110954935B - 一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核辐射探测技术领域，提供一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，包括流气式电离室和半导体探测器，所述电离室外壁接正高压，所述半导体探测器位于电离室端面的中心，半导体探测器接地为低电平，形成了一个电场。α粒子在电离室中电离产生电子‑离子对，在电场作用下漂移至电离室收集极并形成信号。其中，电离室的收集极可以有多种不同的形式。同时，222Rn和220Rn的带正电子体218Po、216Po等也可以在电场作用下，漂移至半导体探测器表面，通过半导体探测器测量氡子体能谱。本发明氡测量装置，既具有较高的探测器效率和探测器灵敏度，又具有氡子体的区分能力，并能减少氡的长寿命子体带来的本底贡献。

Description

一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术领域，具体的说是一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置。
背景技术
氡气是天然存在的一种无色无味的放射性气体，位于元素周期表的第六周期零族。氡元素原子序数为86，氡气密度为9.96kg/m3。自然界中氡的天然同位素有219Rn（又称锕射气），220Rn（钍射气），和222Rn（氡射气），它们分别来自于锕系（铀-235）、钍系（钍-232）和铀系（铀-238）。铀-235自然界中含量很低（仅占铀-238含量的0.32%），而由它衰变出来的219Rn半衰期又很短，只有3.96秒，所以在空气中几乎测不出它的存在。
氡的衰变产物被称为氡子体。氡及其子体随呼吸进入人体后，氡子体会沉积在气管、支气管部位，部分深入到人体肺部。氡子体就在这些部分不断积累，并继续快速衰变，同时放射出能量高的粒子，杀伤人体细胞组织，并可能诱发细胞变异，成为癌细胞，使人患有癌症。同时氡对人体脂肪有很高的亲和力，特别是氡与神经系统结合后，危害更大。医学研究已经证实，恶性肿瘤、白血病、不孕不育、胎儿畸形、基因畸形遗传等，都与氡等放射性物质有关。因此，需要对空气中的氡含量进行监测，以确保人员安全。
常用的测氡仪形式包括电离室法测氡和静电收集法测氡等。
电离室法测氡，一般采用圆柱型流气式电离室如图1所示，进入电离室中的222Rn和220Rn（及新生的218Po和216Po等）衰变放出的α粒子将气体电离，产生电子-离子对，电子-离子对在高压电场中漂移产生脉冲信号被记录下来。电离室法测氡能够测量222Rn及其子体α衰变释放的α粒子，由于氡子体带正电，会在电场作用下吸附到阴极。当电离室腔体加正高压时，氡子体则在电场作用下向中央丝极移动，最终吸附在中央丝极外表面。氡子体衰变产生的α射线方向是同向性的，从几何角度考虑，中央丝极是圆弧外表面，理论上α射线射向探测器灵敏体积并完全沉积并被探测的效率会高于50%。因此，采用电离室法测氡，具有较高的探测效率。但是，气体电离室由于其固有特性，能量分辨率较差，无法区分222Rn、220Rn及其子体的组成成分。测量时，只能对222Rn、220Rn及其子体的总的α计数率进行测量。
静电收集法测氡，则是通过空气泵或者借助腔体内外浓度差使得氡扩散进入腔体，氡子体则被腔体外的材料过滤。“纯氡”在腔体内衰变产生新生子体，建立平衡后，产生的218Po正离子在静电场作用下被收集到半导体探测器的表面，如图2所示，通过测量氡子体的α射线能谱，经校准后换算成空气氡浓度。静电收集法测氡的能量分辨率高，能够通过能谱测量区分不同氡子体的贡献，可以有效避免氡的长寿命子体带来的本底贡献。但是，由于222Rn和220Rn本身不带电，静电收集法实际测量的是它们的带正电子体218Po、216Po等。由于218Po等正离子在漂移至半导体探测器表面前，很容易和极化的水蒸气分子发生作用变成中性粒子而影响到静电场的收集效率。因此，静电收集法测氡的效率相对电离室法较低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，既具有较高的探测器效率和探测器灵敏度，又具有氡子体的区分能力，并能减少氡的长寿命子体带来的本底贡献。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，包括流气式电离室和半导体探测器，所述电离室外壁接正高压，所述半导体探测器位于电离室端面的中心，半导体探测器接地为低电平。由于电离室外壁接高压，半导体探测器接地，因此形成了一个电场。α粒子在电离室中电离产生电子-离子对，在电场作用下漂移至电离室收集极并形成信号。其中，电离室的收集极可以有多种不同的形式。同时，222Rn和220Rn的带正电子体218Po、216Po等也可以在电场作用下，漂移至半导体探测器表面，通过半导体探测器测量氡子体能谱。
电离室通过收集极测量氡及其子体衰变的α粒子产生的脉冲信号，低电平端的半导体探测器则测量经电场作用漂移至探测器表面的218Po、216Po等释放的α粒子。两者相互独立，互不干扰，却能同时进行测量。
在电离室法测氡中，吸附在阴极的氡子体释放的α粒子大约有50%被电离室探测到，其余50%射入阴极内部无法被探测。在本技术方案中，在阴极附近安装了一块半导体探测器，因此吸附在阴极附近的氡子体衰变释放出α粒子射向电离室时，可以被电离室探测到，射向阴极时可以被半导体探测器探测到，探测效率大大提高。
本发明还采用了半导体探测器技术，由于半导体探测器具有良好的能量分辨率，因此可以对氡子体的种类进行识别，从而可以对上一个采样周期残留在探测器内部的氡子体成分比进行有效识别，并根据其半衰期的不同，进行有效扣除。
在上述技术方案中，所述电离室收集极是在与半导体探测器相对的另一个端面处引入一个点状电极，接正高压，并通过隔直电容引出信号读出，半导体探测器处为零点位，电离室的内腔壁侧面增设若干层圆环形阶梯电极，在电离室内部形成一个阶梯下降的电场。
本发明基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，与电离室法测氡和静电收集法测氡相比，没有显著增加探测装置的结构，却同时完成了两类探测器的功能，结构简单，探测效率高，便于系统的便携使用。同时，具备不同粒子的识别功能，能有效避免氡的长寿命子体带来的本底贡献，使得系统具有了更广的应用范围。
附图说明
图1为电离室法测氡的装置结构示意图。
其中：1.电离室腔体，2.中央丝极。
图2为静电收集法测氡的装置结构示意图。
其中：4.腔体，5.氡子体，3.半导体探测器。
图3为本发明实施例基于电离室和半导体探测器的氡测量装置的结构示意图。
其中：6.电离室，5.氡子体，3.半导体探测器，7.点状电极，8.阶梯电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的其中一个实施例，而不是全部的实施例。
如图3所示，本实施例提供一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，包括流气式电离室6和半导体探测器3，所述电离室6外壁接正高压，所述半导体探测器3位于电离室端面的中心，半导体探测器3接地，形成一个电场，α粒子在电离室中电离产生电子-离子对，在电场作用下漂移至电离室收集极并形成信号。
其中，电离室收集极是在与半导体探测器相对的另一个端面处引入一个点状电极7，接正高压，并通过隔直电容引出信号读出，半导体探测器处为零点位。电离室的内腔壁侧面增设若干层圆环形阶梯电极8，在电离室内部形成一个阶梯下降的电场。具体的，所述电离室6的腔体尺寸φ140mm×70mm，所述阶梯电极8宽度5mm，共7层，每层阶梯电极间隔5mm，均匀布置在电离室的内腔壁侧面。氡子体5如218Po、216Po等会在电场作用下，漂移至半导体探测器表面，用于测量氡子体能谱，进行核素识别。由于采用了点状电极的阳极读出结构，此实施例下，电离室可以工作在电子脉冲电离室状态下，电子脉冲电离室的成型时间只需要μs量级，可以工作在更高计数率的环境下。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，其特征在于：包括流气式电离室和半导体探测器，所述电离室外壁接正高压，所述半导体探测器位于电离室端面的中心，半导体探测器接地，形成一个电场，α粒子在电离室中电离产生电子-离子对，在电场作用下漂移至电离室收集极并形成信号，所述电离室收集极是在与半导体探测器相对的另一个端面处引入一个点状电极，接正高压，并通过隔直电容引出信号读出，半导体探测器处为零点位，电离室的内腔壁侧面增设若干层圆环形阶梯电极，在电离室内部形成一个阶梯下降的电场。
2.根据权利要求1所述的基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，其特征在于：所述电离室的腔体尺寸φ140mm×70mm，所述阶梯电极宽度5mm，共7层，每层阶梯电极间隔5mm，均匀布置在电离室的内腔壁侧面。
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