TWI708927B

TWI708927B - 調壓型大面積無窗氣流式比例計數器

Info

Publication number: TWI708927B
Application number: TW108138227A
Authority: TW
Inventors: 陳晉奇; 袁明程
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-11-01
Also published as: TW202117290A

Abstract

一種調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，包括一腔體、一金屬托盤、一側蓋板、一氣體鋼瓶以及一電壓輸入及訊號輸出端子。腔體具有一側面開口。金屬托盤用來放置一大面積射源，該金屬托盤由該側面開口移入或移出該腔體。側蓋板藉由一O形環以一鎖定裝置將該側蓋板固定於該側面開口以形成氣密結構。氣體鋼瓶用來供應專用氣體至該腔體內。電壓輸入及訊號輸出端子用來對一陽極絲網提供電壓，由陽極絲網收集該大面積射源因游離現象產生之自由電子，經該電壓輸入及訊號輸出端子輸出至一電壓訊號處理模組進行脈衝高度或脈衝計數之分析。

Description

調壓型大面積無窗氣流式比例計數器

本發明係有關於一種無窗氣流式比例計數器，特別是有關於一種調壓型大面積無窗氣流式比例計數器。

大面積無窗氣流式比例計數器主要用於量測或校正自標準金屬放射源表面射出的α粒子或β粒子的發射率，而此類標準放射源一般的長寬尺寸約12 cm x 17 cm，最大約可達21 cm x 30 cm，厚度約0.3 cm，適用於校正表面污染偵測器的偵測效率。依據ISO 8769規範之要求，對α粒子放射源，大面積無窗氣流式比例計數器，必須量測到能量大於系統雜訊的所有α粒子引發的脈衝訊號。對β粒子放射源，則必須量測到能量0.6 keV以上所有β粒子所引發的脈衝訊號。由上述說明可知，大面積無窗氣流式比例計數器量測系統，需量測一特定能量大小或脈衝高度位準以上的α粒子或β粒子輻射引發的事件數，而如何確保相同能量的同類型粒子，可產生相同高度的脈衝，成為整個量測系統是否能準確量測放射源表面α或β粒子發射率的關鍵。

根據比例計數器量測輻射的原理，當高能粒子輻射進入比例計數器腔體內，此高能粒子會游離腔體內之氣體，形成初始的離子對(一自由電子及一陽離子)。一般而言，高能粒子每授與約30 eV能量至氣體，可使氣體生成一離子對，此初始離子對中的電子，會被比例計數器中的電場加速。當其動能足夠時，可游離其他的氣體分子，使離子對數量增加，比例計數器輸出的訊號因而增高，此即所謂的氣體放大效應。對一圓柱形比例計數器言，此氣體放大效應產生的訊號放大倍率(M)與施予比例計數器的電壓(V)，以及比例計數器中的陽極絲半徑(a)、陽極絲中心至陰極距離(b)、腔體氣壓(p)、氣體種類等因素有關，根據Diethorn的研究，對一圓柱形比例計數器，其關係式如公式(1)所示，而其中的∆V是電子連續兩次觸發游離現象的電位差、K是產生氣體放大效應所需的最低電場對氣壓比值，對特定氣體種類而言∆V及K是常數。

(1)

對於大面積、多陽極絲、氣流式的比例計數器而言，公式(1)可能無法準確推估其放大倍率(M)，但這些影響因素間的相互關係，仍極具參考價值。這些影響因素中，腔體氣壓及易受環境氣壓影響而改變。陽極絲中心至陰極(金屬腔體)距離會因標準放射源(此時標準放射源視為腔體的一部分)厚度的不同而改變。而∆V及K則可能因腔體氣密不良，使空氣滲入而改變。而施予比例計數器的電壓及陽極絲半徑，則與硬體設計及製作有關，較不易受環境條件之影響。因此欲增進大面積無窗氣流式比例計數器之長期穩定性與準確度，使量測系統可測得特定能量位準之訊號，則需設法降低或克服前述腔體氣壓、陽極絲中心至陰極距離、腔體氣密等因素之影響。

習知用於量測或校正自大面積放射源表面射出α粒子或β粒子的發射率的偵測器，係使用大面積無窗氣流式比例計數器。第1圖和第2圖係顯示習知大面積無窗氣流式比例計數器之結構示意圖，如第1圖所示，習知上開式大面積無窗氣流式比例計數器10，大面積射源12以彈簧片固定於上蓋板16。大面積射源12放置於射源出入口18，射源出入口18尺寸是14 cm x 19 cm，上蓋板16與腔體20間有O形環22防止氣體洩漏，O形環22周長約需70 cm。上開式大面積無窗氣流式比例計數器10具有氣體排出口14。使用上開式大面積無窗氣流式比例計數器10時，氣體鋼瓶30供應專用氣體經由腔體20上的氣體輸入口24輸入至腔體20中，並由電壓輸入及訊號輸出端子26對陽極絲網28提供電壓，由陽極絲網28收集因游離現象產生之自由電子，則經電壓輸入及訊號輸出端子26輸出至電壓訊號處理模組32進行脈衝高度或脈衝計數之分析。上開式大面積無窗氣流式比例計數器10會有5項缺點：(1)由於上蓋板16與腔體20間無迫緊之設計或裝置，易有空氣滲入之情況，使腔體20內氣體成分改變；(2)而為免空氣滲入，通常需使用較大流量的氣體輸入腔體20內，使腔體20氣壓維持微正壓；(3)不同射源厚度的差異，會使腔體20內的電場強度因射源而異，造成能量位準設定的偏差；(4)由於O形環22通常為絕緣體，使上蓋板16與腔體20間的電位可能不同，造成電場不穩定，需另以電纜連接腔體20與上蓋板16改善此現象；(5)會有大面積射源12掉落壓斷陽極絲網28之風險。

如第2圖所示，習知下開式大面積無窗氣流式比例計數器40，大面積射源42放置於腔體底板44上，腔體底板44大小約25 cm x 35 cm，而腔體底板44則固定於一升降裝置46，可轉動此升降裝置46上的搖桿48，將腔體底板44上升至貼合腔體50，腔體底板44與腔體50間有O形環52防止氣體洩漏，O形環52周長約需112 cm。下開式大面積無窗氣流式比例計數器40具有氣體排出口54。使用下開式大面積無窗氣流式比例計數器40時，氣體鋼瓶60供應專用氣體經由腔體50上的氣體輸入口56輸入至腔體50中，並由電壓輸入及訊號輸出端子58對陽極絲網62提供電壓，由陽極絲網62收集因游離現象產生之自由電子，則經電壓輸入及訊號輸出端子58輸出至電壓訊號處理模組64進行脈衝高度或脈衝計數之分析。下開式大面積無窗氣流式比例計數器40具有與上開式大面積無窗氣流式比例計數器10相同的缺點。且其設計使用較長的O形環52，增加了氣體洩漏或空氣滲入的機會，此外由於升降裝置46對腔體底板44與腔體50間的迫緊力度不均，難防止氣體洩漏或空氣滲入之現象，而對不同厚度射源造成的電場強度變異，亦無改善。

為解決上述問題，因此須要一種可調整內部氣體壓力，且持續保持內部氣體流動與純度的大面積無窗氣流式比例計數器。

本發明之目的是提供一種調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，可調整內部氣體壓力且持續保持內部氣體流動與純度。

本發明為達成上述目的提供一種調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，包括一腔體、一金屬托盤、一側蓋板、一氣體鋼瓶以及一電壓輸入及訊號輸出端子。腔體具有一側面開口。金屬托盤用來放置一大面積射源，該金屬托盤由該側面開口移入或移出該腔體。側蓋板藉由一O形環以一鎖定裝置將該側蓋板固定於該側面開口以形成氣密結構。氣體鋼瓶用來供應專用氣體經由該腔體上的一氣體輸入口輸入至該腔體內。電壓輸入及訊號輸出端子用來對一陽極絲網提供電壓，由陽極絲網收集該大面積射源因游離現象產生之自由電子，經該電壓輸入及訊號輸出端子輸出至一電壓訊號處理模組進行脈衝高度或脈衝計數之分析。

與習知之大面積無窗氣流式比例計數器比較，本發明具有以下優點： 1. 本發明之射源進出口開在側面，降低O形環周長，並以金屬螺絲迫緊金屬側蓋板、O形環與金屬腔體，使腔體達氣密。 2. 本發明之液態氣壓控制裝置，藉由調整氣體導管伸入液面下之深度，可穩定控制腔體氣壓至設定值，並維持氣體的連續輸入與排出。 3. 本發明於陽極絲網與射源間設置護級絲網，使主要電場產生於陽極絲網與護級絲網之間，防止射源厚度差異對電場強度之影響，使氣體放大效應得以穩定。

本發明之調壓型大面積無窗氣流式比例計數器是一金屬製的側面開口式大面積無窗氣流式比例計數器，適用於精準量測大面積金屬放射源之α粒子或β粒子發射率。本發明使用側開式結構以及氣壓控制裝置，使得大面積無窗氣流式比例計數器的腔體氣壓，不會受到環境氣壓之影響，且能增進整體量測系統之長期穩定性。再者，由於氣密效果之改善，使得比例計數器氣體的消耗量亦較低。

第3圖顯示本發明之調壓型大面積無窗氣流式比例計數器之結構示意圖，如第3圖所示，調壓型大面積無窗氣流式比例計數器100具有一腔體120與一金屬托盤102。腔體120是金屬材質具有一側面開口104。金屬托盤102用來放置大面積射源112，再由腔體120的側面開口104移入或移出腔體120內。本發明使用側開式的結構所具有之側面開口104大小只需約23 cm x 2 cm，所相配於側面開口104之一O形環122周長約55 cm。本發明之O形環122周長相較於習知的上開式或下開式的腔體結構設計顯著縮短，如此能夠減少氣體洩漏。調壓型大面積無窗氣流式比例計數器100使用鎖定裝置108將一側蓋板106固定於腔體120，可產生均勻且足夠的壓力，使得側蓋板106迫緊O形環122與腔體120形成氣密結構。鎖定裝置108可以是複數個螺絲。

調壓型大面積無窗氣流式比例計數器100具有氣體鋼瓶130用來供應專用氣體經由腔體120上的氣體輸入口124輸入至腔體120內，並由電壓輸入及訊號輸出端子126對陽極絲網128提供電壓，由陽極絲網128收集大面積射源112因游離現象產生之自由電子，則經電壓輸入及訊號輸出端子126輸出至電壓訊號處理模組132進行脈衝高度或脈衝計數之分析。專用氣體可以是10% 甲烷CH4及90% 氬Ar混合氣體，或其他可使用於比例計數器之氣體。

調壓型大面積無窗氣流式比例計數器100尚具有氣體排出口114、塑膠管116、氣壓計132與氣壓控制裝置134。腔體120內氣壓可由氣壓計132讀出，過剩的氣體則由氣壓控制裝置134排出。氣壓控制裝置134是一注入液體之管柱，藉由調整氣體導管伸入其液面下之深度，來調整腔體120內氣壓至設定值，此設定值略大於環境氣壓，一般約在1013 hPa至1500 hPa之間。塑膠管116與氣壓控制裝置134液體水位的相對位置可以調整腔體120內壓力。

調壓型大面積無窗氣流式比例計數器100是以鎖定裝置108固定側蓋板106，使得側蓋板106與腔體120處於等電位狀態，並於陽極絲網128至大面積射源112間加裝護級絲網136，使主要電場存在於陽極絲網128至腔體120內壁，以及陽極絲網128至護級絲網136之間，因此射源厚度變化對電場強度的影響將大幅降低，改善電場強度的穩定性。

本發明藉由改善腔體之氣密性、氣壓穩定性與電場穩定性，進而增進大面積無窗氣流式比例計數器之量測結果的長期穩定性與準確度，達到ISO 8769規範之要求。

100:調壓型大面積無窗氣流式比例計數器 10:上開式大面積無窗氣流式比例計數器 40:下開式大面積無窗氣流式比例計數器 20、50、120:腔體 102:金屬托盤 104:側面開口 12、42、112:大面積射源 22、52、122:O形環 108:鎖定裝置 106:側蓋板 30、60、130:氣體鋼瓶 24、56、124:氣體輸入口 26、58、126:電壓輸入及訊號輸出端子 32、64、132:電壓訊號處理模組 28、62、128:陽極絲網 14、54、114:氣體排出口 116:塑膠管 132:氣壓計 134:氣壓控制裝置 136:護級絲網 16:上蓋板 18:射源出入口 44:腔體底板 46:升降裝置 48:搖桿

第1圖顯示習知上開式大面積無窗氣流式比例計數器之結構示意圖。第2圖顯示習知下開式大面積無窗氣流式比例計數器之結構示意圖。第3圖顯示本發明之調壓型大面積無窗氣流式比例計數器之結構示意圖。

100:調壓型大面積無窗氣流式比例計數器

120:腔體

102:金屬托盤

104:側面開口

112:大面積射源

122:O形環

108:鎖定裝置

106:側蓋板

130:氣體鋼瓶

124:氣體輸入口

126:電壓輸入及訊號輸出端子

128:陽極絲網

114:氣體排出口

116:塑膠管

132:氣壓計

134:氣壓控制裝置

136:護級絲網

Claims

一種調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，包括：一腔體，具有一側面開口；一金屬托盤，用來放置一大面積射源，該金屬托盤由該側面開口移入或移出該腔體；一側蓋板，藉由一O形環以一鎖定裝置將該側蓋板固定於該側面開口以形成氣密結構；一氣體鋼瓶，用來供應專用氣體經由該腔體上的一氣體輸入口輸入至該腔體內；以及一電壓輸入及訊號輸出端子，用來對一陽極絲網提供電壓，由陽極絲網收集該大面積射源因游離現象產生之自由電子，經該電壓輸入及訊號輸出端子輸出至一電壓訊號處理模組進行脈衝高度或脈衝計數之分析。
如請求項1所述的調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，更包括一氣壓控制裝置，該氣壓控制裝置是一注入液體之管柱，藉由調整氣體導管伸入其液面下之深度，可調整該腔體之氣壓至一設定值，該設定值是介於1013 hPa至1500 hPa之間。
如請求項1所述的調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，更包括一氣壓計用來測量該腔體之氣壓。
如請求項1所述的調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，更包括於該陽極絲網與該大面積射源間設置一護級絲網，使主要電場產生於該陽極絲網與該護級絲網之間，防止因該大面積射源之厚度差異影響電場強度。
如請求項1所述的調壓型大面積無窗氣流式比例計數器，其中，該鎖定裝置可以是複數個螺絲。