CN113608253A - 多栅极测氡仪静电测量腔 - Google Patents

多栅极测氡仪静电测量腔 Download PDF

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谭延亮
莫贻香
王璐薇
范钟凯
林芬
胡滔
袁红志
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Abstract

多栅极测氡仪静电测量腔，包括圆柱形测量腔、塑料上盖、半导体探测器及复数个半球形金属网格栅极，圆柱形测量腔筒壁的下部对称设有第一阀门管道及第二阀门管道，半导体探测器固定安装在塑料上盖的中间位置，半球形金属栅极依次固定在塑料上盖上，半导体探测器处在最内侧的半球形金属栅极内，塑料上盖与圆柱形测量腔采用螺纹连接。通过圆柱形测量腔的直径为D1和半导体探测器的直径为D0设置复数个半球形金属栅极直径并计算圆柱形测量腔内各个半球形金属栅极上的电压。本发明提供的多栅极测氡仪静电测量腔通过优化调整超大测量腔腔壁与半球形金属栅极的大小及与电压的合适值，使得测量腔内电场尽可能相对均匀，从而提高静电场对带正电的218Po的收集效率，提高静电收集法测氡仪探测灵敏度。

Description

多栅极测氡仪静电测量腔
技术领域
本发明涉及核辐射测量技术，特别是一种多栅极测氡仪静电测量腔。
背景技术
氡是由镭、钍衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，已被国际癌症研究机构列入室内重要致癌物质，是引起肺癌的第二大诱因。氡的测量必须引起我们的注意。监测室内氡浓度水平是人们评价环境、控制疾病的重要手段。氡衰变会产生218Po，218Po具有放射性，且氡衰变后产生的218Po被发现88％是带正电荷的离子，吸入后对人体呼吸系统产生内照射。空气中的氡气的测量方法有很多种，常用的有静电收集法、电离室法、闪烁室法、双滤膜法、活性炭法、热释光法、固体径迹蚀刻法等。其中静电收集法是一种应用很广泛的氡测量方法。
静电收集法测氡仪的工作原理是在测量腔内设置高压电场，气泵将空气以一定的速率经过干燥管以及滤膜进入测量腔内，在抽气结束后，222Rn进行衰变产生带正电的氡子体218Po，在测量腔静电场的作用下，将带正电的218Po收集到探测器的表面，而被收集的氡子体218Po会进一步衰变产生α粒子，对探测到的α粒子进行计数，最后根据被探测的α粒子的数量来确定氡的浓度。
有人提出通过在静电测量腔内增加一个金属栅极（网格）能够有效提高带正电的218Po粒子的收集效率，在测量腔为柱状圆顶电压为2000V、半球形栅极电压为1800V时，氡子体收集效率从73.3%提高到86.6%，相较于不加栅极时收集效率提高了13.3%。
然而，在超大的测量腔体内加入一个金属栅极并不能够很好的完成测量腔内电场优化，仿真观察到超大测量腔壁内电场线的分布并不均匀，测量腔壁与半球形栅极之间电场线分布较分散，而半球形栅极与探测器之间电场线分布较密集，通过简单改变半球形栅极大小及电压大小并不能使电场均匀分布。对此，如何确定半球形金属栅极的半径和电压值的大小来对超大测量腔内电场进行优化设计提高218Po的收集效率是一项具有挑战性的工作。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种多栅极测氡仪静电测量腔。
本发明的技术方案是：多栅极测氡仪静电测量腔，包括圆柱形测量腔、塑料上盖、半导体探测器及n个半球形金属栅极，n为设置的半球形金属栅极的数量，取值为正整数。
所述圆柱形测量腔筒壁的下部对称设有第一阀门管道及第二阀门管道，半导体探测器固定安装在塑料上盖的中间位置，n个半球形金属栅极依次固定在塑料上盖上，半导体探测器处在最内侧的半球形金属栅极内，塑料上盖与圆柱形测量腔采用螺纹连接。
其中，圆柱形测量腔的直径为D1，测量腔高度H为D1/2 ± 20%，半导体探测器的直径为D0，从最外侧的半球形金属栅极到最内侧的半球形金属栅极的直径依次为d1、d2......dn，半球形金属栅极直径的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，D1、D0的值均为已知。
本发明进一步的技术方案是：测量时圆柱形测量腔内半球形金属栅极上电压的计算公式为：
Figure 703210DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，U为圆柱形测量腔内壁预置的电压，k为调节测量腔与栅极之间、栅极与栅极之间、栅极与探测器之间的比例系数，k的取值范围为1.5～10，a为电场强度。
最外侧第一个半球形金属栅极的电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，第二个半球形金属栅极的电压为
Figure 432131DEST_PATH_IMAGE004
，依次∙∙∙∙∙∙，第n个半球形金属栅极与半导体探测器之间的电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
本发明再进一步的技术方案是：所述圆柱形测量腔的为铜材，所述n个半球形金属栅极均为网格栅极。
本发明更进一步的技术方案是：所述各个半球形金属栅极实际直径的调整范围为dn
Figure 510946DEST_PATH_IMAGE006
20%，各个半球形金属栅极的实际电压值调整范围为Un
Figure 8923DEST_PATH_IMAGE006
20%。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
本发明提供的多栅极测氡仪静电测量腔通过优化调整超大测量腔腔壁与半球形金属栅极的大小及与电压的合适值，使得测量腔腔壁与最外侧半球形金属栅极之间、各半球形金属栅极之间、最内侧半球形金属栅极与半导体探测器表面之间的电场尽可能相对均匀。当测量腔内电场相对均匀，带正电的218Po离子在测量腔内的平均运动速度就会相对快，收集时间就能相对短，从而提高静电场对带正电的218Po的收集效率，提高静电收集法测氡仪探测灵敏度。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例，如附图1所示，多栅极测氡仪静电测量腔，包括圆柱形测量腔1、塑料上盖2、半导体探测器3及四个半球形金属栅极4。
所述圆柱形测量腔1的为铜材，圆柱形测量腔1筒壁的下部对称设有第一阀门管道1-1及第二阀门管道1-2，半导体探测器3固定安装在塑料上盖2的中间位置，四个半球形金属栅极4依次固定在塑料上盖2上，半导体探测器3处在最内侧的半球形金属栅极内，塑料上盖2与圆柱形测量腔1采用螺纹连接，四个半球形金属栅极4均为网格状以便于气体流通。
其中，圆柱形测量腔1的直径为D1，测量腔高度H为D1/2 ± 20%，半导体探测器3的直径为D0，从最外侧的半球形金属栅极到最内侧的半球形金属栅极4的直径依次为d1、d2......dn，半球形金属栅极直径的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（1）
式（1）中，设D1、D0的值均为已知，本实施例中设计从最外侧的半球形金属栅极到最内侧的半球形金属栅极4共有四个，据上述式（1）能够求出四个半球形金属栅极的理论直径d1、d2、d3、d4，半球形金属栅极实际直径的调整范围为dn
Figure 718253DEST_PATH_IMAGE006
20%。
Figure 668891DEST_PATH_IMAGE008
（3）
本实施例还涉及到测量时圆柱形测量腔1内半球形金属栅极4上电压的计算，该电压的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（4）
式（4）中，U为圆柱形测量腔1内壁预置的电压。
其中，
Figure 551397DEST_PATH_IMAGE010
表示的是圆柱形测量腔1内壁与最外侧第一个半球形金属栅极之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示的是最外侧第一个半球形金属栅极与第二个半球形金属栅极之间的距离，
Figure 841564DEST_PATH_IMAGE012
表示的是第二个半球形金属栅极与第三个半球形金属栅极之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示的是第三个半球形金属栅极与最内侧第四个半球形金属栅极之间的距离，
Figure 784112DEST_PATH_IMAGE014
表示的是最内侧第四个半球形金属栅极与半导体探测器3之间的距离。
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示的是圆柱形测量腔1内壁与最外侧第一个半球形金属栅极之间的电势差，
Figure 222047DEST_PATH_IMAGE016
表示的是最外侧第一个半球形金属栅极与第二个半球形金属栅极之间的电势差，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示的是第二个半球形金属栅极与第三个半球形金属栅极之间的电势差，
Figure 580347DEST_PATH_IMAGE018
表示的是第三个半球形金属栅极与最内侧第四个半球形金属栅极之间的电势差，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示的是最内侧第四个半球形金属栅极与半导体探测器3之间的电势差。
其中，k为调节圆柱形测量腔1内壁与最外侧第一个半球形金属栅极之间、最外侧第一个半球形金属栅极与第二个半球形金属栅极之间、第二个半球形金属栅极与第三个半球形金属栅极之间、第三个半球形金属栅极与最内侧第四个半球形金属栅极之间、最内侧第四个半球形金属栅极与半导体探测器3之间的比例系数，目的是优化电场使其尽可能地相对均匀，k的取值范围为1.5～10，
Figure 52916DEST_PATH_IMAGE020
为电场强度。
通过已知最外层电压U，k为固定取值，利用公式（4）能够求出
Figure DEST_PATH_IMAGE021
的值，进而求得各个电势差，最后计算得出四个半球形金属栅极的理论电压值的大小U1、U2、U3、U4。其中，最外侧第一个半球形金属栅极的电压为
Figure 166366DEST_PATH_IMAGE003
，第二个半球形金属栅极的电压为
Figure 91597DEST_PATH_IMAGE022
，第三个半球形金属栅极的电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，最内侧第四个半球形金属栅极的电压为
Figure 253588DEST_PATH_IMAGE024
，各半球形金属栅极的实际电压值调整范围在Un
Figure DEST_PATH_IMAGE025
20%。由上述内容能够知道，本装置能够有效地确定测量腔内金属栅极直径以及金属栅极上的电压值，从而提高静电场对带正电的218Po的收集效率，提高静电收集法测氡仪探测灵敏度。

Claims (4)

1.多栅极测氡仪静电测量腔，其特征是：包括圆柱形测量腔、塑料上盖、半导体探测器及n个半球形金属栅极，n为设置的半球形金属栅极的数量，取值为正整数；
所述圆柱形测量腔筒壁的下部对称设有第一阀门管道及第二阀门管道，半导体探测器固定安装在塑料上盖的中间位置，n个半球形金属栅极依次固定在塑料上盖上，半导体探测器处在最内侧的半球形金属栅极内，塑料上盖与圆柱形测量腔采用螺纹连接；
其中，圆柱形测量腔的直径为D1，测量腔高度H为D1/2 ± 20%，半导体探测器的直径为D0，从最外侧的半球形金属栅极到最内侧的半球形金属栅极的直径依次为d1、d2 ......dn，半球形金属栅极直径的计算公式为：
Figure 205099DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，D1、D0的值均为已知。
2.如权利要求1所述的多栅极测氡仪静电测量腔，其特征是：测量时圆柱形测量腔内半球形金属栅极上电压的计算公式为：
Figure 489450DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，U为圆柱形测量腔内壁预置的电压，k为调节测量腔与栅极之间、栅极与栅极之间、栅极与探测器之间的比例系数，k的取值范围为1.5～10，a为电场强度；最外侧第一个半球形金属栅极的电压为
Figure 839660DEST_PATH_IMAGE003
，第二个半球形金属栅极的电压为
Figure 867659DEST_PATH_IMAGE004
，依次∙∙∙∙∙∙，第n个半球形金属栅极与半导体探测器之间的电压为
Figure 49241DEST_PATH_IMAGE005
。
3.如权利要求1或2所述的多栅极测氡仪静电测量腔，其特征是：所述圆柱形测量腔的为铜材，所述n个半球形金属栅极均为网格栅极。
4.如权利要求1或2所述的多栅极测氡仪静电测量腔，其特征是：所述各个半球形金属栅极实际直径的调整范围为dn
Figure 238914DEST_PATH_IMAGE006
20%，各个半球形金属栅极的实际电压值调整范围为Un
Figure 138737DEST_PATH_IMAGE006
20%。
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