輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)新進(jìn)展

1、輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)新進(jìn)展 多絲正比計(jì)數(shù)器調(diào)研報(bào)告姓名：XX學(xué)號(hào)：XXXX專業(yè)：XXX學(xué)院：XXXX2016年1月多絲正比計(jì)數(shù)器調(diào)研報(bào)告本論文介紹的多絲正比計(jì)數(shù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)代的測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并對(duì)傳統(tǒng)多絲正比室進(jìn)氣工作方式進(jìn)行創(chuàng)新改造。裝置具有測(cè)量成本低，技術(shù)先進(jìn)、功能合理，測(cè)量方式創(chuàng)新等特點(diǎn)。1. 快充式多絲正比計(jì)數(shù)器的硬件組成根據(jù)2、2檢測(cè)的實(shí)際需求，快充式多絲正比計(jì)數(shù)器采用獨(dú)特的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)量方式先進(jìn)合理。其硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分工作：(1)根據(jù)需求設(shè)計(jì)搭建了多絲正比室。多絲正比室結(jié)構(gòu)合理，性能較好，經(jīng)過(guò)測(cè)試具有較低的工作電壓，能觀察到明顯的坪曲線。(2)在電子線路設(shè)計(jì)方面，

2、采用c8051f020單片機(jī)，使測(cè)量和控制一體。操作簡(jiǎn)單、方便，克服了一般多絲正比計(jì)數(shù)器在使用和操作時(shí)的不方便和不靈活的缺點(diǎn)。高壓采用程控高壓模塊，連續(xù)可調(diào)；諷別閾釆用程控DAC控制，連續(xù)可調(diào)。流氣控制采用程序和手動(dòng)兩種方式控制，方便靈活。在測(cè)量上可以采用控制箱和計(jì)算機(jī)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單。(3)在關(guān)鍵探測(cè)器的前置電路方面，采用高性能的元件設(shè)計(jì)了電荷靈敏放大器，其具有能量響應(yīng)線性好，噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在電子系統(tǒng)使用中對(duì)環(huán)境沒(méi)有特別的要求，不需要特別的干燥和保存環(huán)境。(4)多絲正比計(jì)數(shù)器快充式系統(tǒng)，采用了上下兩半的密封結(jié)構(gòu)，具有理想的密封措施，可以抽真空。進(jìn)行先真空再流氣的方式的電離轄射測(cè)量

3、。在測(cè)量時(shí)，減小了充氣時(shí)間。使用一般多絲正比計(jì)數(shù)器從放入樣品到達(dá)到測(cè)量，需要數(shù)小時(shí)，現(xiàn)在只要15分鐘即可開始測(cè)量，極大地提高了對(duì)樣品的測(cè)量效率。在測(cè)量時(shí)的用氣成本上，使用原來(lái)儀器一瓶工作氣體可測(cè)量10-30個(gè)樣品,現(xiàn)在一瓶氣能夠測(cè)量100-120個(gè)樣品?？斐涫蕉嘟z正比計(jì)數(shù)器硬件釆集系統(tǒng)由計(jì)數(shù)采集箱、流氣控制箱和上位機(jī)組成。其中多絲正比室用來(lái)放置被測(cè)樣品；計(jì)數(shù)采集箱用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、觀別和計(jì)數(shù)；正比室內(nèi)反應(yīng)氣體的抽氣放氣由流氣控制箱控制；上位機(jī)可對(duì)整個(gè)儀器進(jìn)行控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析和保存。測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1-1所示1。圖1-1. 多絲正比計(jì)數(shù)器測(cè)量系統(tǒng)硬件組成框圖2. 多絲正比室的制作多絲

4、正比室根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌梢灾瞥筛鞣N大小形狀,有方形、長(zhǎng)方形、圓柱形和多邊形等。其中的工業(yè)設(shè)計(jì)也各有特色，有的用漆論薄膜做窗測(cè)量外部射線，有旳將放射源放置在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量等。如圖2-1為多絲正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)原理圖。多絲正比室的陽(yáng)極是有一排平行等距離的極細(xì)的金屬絲組成,固定在絕緣框架上，安置在兩個(gè)陰極平面之間。上方的陰極平面是由金屬板組成，而下層的金屬平面則是由金屬絲繞制而成。氣體入口和氣體出口用于氣體的送入和流通,氣體電離被限制在密封室內(nèi)，放射性樣品通過(guò)送樣抽屜送入多絲正比室。在工作時(shí)陽(yáng)極絲和陰極之間加直流高壓，陽(yáng)極絲與電子電路相連，脈沖信號(hào)從陽(yáng)極絲上取出后,經(jīng)過(guò)放大、題別、整形后送入單片機(jī)進(jìn)行處

5、理。圖2-1. 多絲正比室結(jié)構(gòu)原理圖經(jīng)過(guò)反復(fù)討論研究，快充式多絲正比室的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：(1)活性測(cè)樣面積：1521cm2；(2)多絲室體積：39cm長(zhǎng)x39cm寬x7cm高；(3)陰極平面組成：l00um不銹鋼絲絲狀平面，間距1cm；(4)陽(yáng)極絲組成：l0um日本產(chǎn)渡金鎢絲5根；(5)電源：市電220 V 50 Hz；(6)流氣速度：0200sccm；(7)多絲正比室框架：環(huán)氧樹脂纖維板；(8)密封室：鋁制，無(wú)窗。3. 多絲正比室測(cè)量性能(1) 氣體放大倍數(shù)氣體放大倍數(shù)，即輸出脈沖的幅度。多絲正比計(jì)數(shù)器和正比計(jì)數(shù)器同樣工作在正比區(qū)，帶電粒子在多絲正比室中引起工作氣體電離，產(chǎn)生初級(jí)電離生成初級(jí)離

6、子對(duì)。初級(jí)離子對(duì)在電場(chǎng)的作用下，會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生次級(jí)電離，大部分的次級(jí)電離的貢獻(xiàn)是由于陽(yáng)極絲附近的雪崩效應(yīng)。對(duì)于每次電離，次級(jí)離子對(duì)的數(shù)目是初級(jí)粒子對(duì)的固定倍數(shù)，這個(gè)倍數(shù)就是氣體放大倍數(shù)。影響氣體放大倍數(shù)的因素主要有陽(yáng)極絲，氣體成分，和工作高壓。(2) 計(jì)數(shù)率坪曲線計(jì)數(shù)率坪曲線一般是指計(jì)數(shù)率一高壓坪曲線,即其計(jì)數(shù)率與高壓的關(guān)系曲線。對(duì)于一臺(tái)性能正常的多絲正比室,改變儀器的工作高壓時(shí),計(jì)數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)坪區(qū)，故稱之為坪曲線。由于脈沖的幅度是有高壓升高而變化的,所謂的坪區(qū)其實(shí)是指計(jì)數(shù)率基本保持不變,一般有一定的斜率。能觀察到明顯坪曲線是室正常工作的一項(xiàng)必須的指標(biāo)，在坪區(qū)儀器的計(jì)數(shù)率不容易受工作電壓的擺動(dòng)產(chǎn)生

7、較大的影響，儀器的工作電壓一般選取在坪曲線中間的位置。一般我們希望坪的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，因?yàn)槠旱奈恢糜绊懝ぷ麟妷旱倪x擇，我們希望坪的位置靠前因此工作電壓能較低。(3) 時(shí)間分辨能力多絲正比計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨能力是指兩個(gè)脈沖區(qū)別開的最小時(shí)間間隔。時(shí)間分辨能力直接影響對(duì)高發(fā)射率的放射源的計(jì)數(shù)。時(shí)間分辨能力主要由兩部分構(gòu)成，一是多絲正比室探測(cè)到一個(gè)粒子后，一直到能探測(cè)到下一個(gè)粒子的間隔時(shí)間也是多絲正比室的死時(shí)間。影響這部分時(shí)間的因素主要有氣體的選擇，室的工藝，工作的高壓和入射粒子的類型。二是電子學(xué)電路處理的時(shí)間，如將脈沖用微分電路處理，IE別的方式和觀別閾值旳選擇等。(4) 探測(cè)效率探測(cè)效率是在多絲正比室中

8、發(fā)射的粒子能被探測(cè)到旳幾率。在理想條件下，多絲正比計(jì)數(shù)器的探測(cè)效率接近100%。但受諸多因素的影響，比如對(duì)于高發(fā)射率的平面源測(cè)量如果時(shí)間分辨能力差容易產(chǎn)生漏計(jì)數(shù)造成計(jì)數(shù)率低，放大倍數(shù)不夠容易受到噪聲干擾。再仔細(xì)分析影響探測(cè)效率的因素后，還應(yīng)該對(duì)探測(cè)效率進(jìn)行一定的修正。(5) 空間分辨能力空間分辨能力是指把入射粒子的空間位置分辨開得能力，也就是把入射粒子位置分辨的最小距離。(6) 能量分辨能力能量分辨能力是指探測(cè)到的脈沖幅度反應(yīng)入射粒子的能量的能力，即分辨不同能量的入射粒子最小能量差別的能力。因?yàn)檎扔?jì)數(shù)器收集到的初級(jí)和次級(jí)粒子對(duì)正比于粒子產(chǎn)生的初級(jí)離子對(duì)，脈沖幅度能反應(yīng)入射粒子能量的大小。但由

9、于多絲正比室的性質(zhì)和對(duì)時(shí)間分辨能力的要求會(huì)限制能量分辨能力，多絲正比室的能量分辨能力并不理想。對(duì)于用于平面源活度測(cè)量的多絲正比計(jì)數(shù)器，我們關(guān)心的性能主要有氣體放大倍數(shù)，計(jì)數(shù)率坪曲線，時(shí)間分辨能力和探測(cè)效率。裝置是對(duì)放入多絲正比室的平面源總計(jì)數(shù)進(jìn)行測(cè)量，我們只要求大的靈敏探測(cè)面積，而不關(guān)心粒子的發(fā)射位置，因此對(duì)空間分辨能力沒(méi)有要求。對(duì)放入多絲正比室測(cè)量的平面源，都是人工制備的，核素己知的。因此不需要通過(guò)能譜分析來(lái)鑒別其核素種類，對(duì)于能量分辨率也沒(méi)有要求。4. 對(duì)多絲正比計(jì)數(shù)器室內(nèi)電場(chǎng)的優(yōu)化多絲正比計(jì)數(shù)器在早期的核物理研究中起了很大作用，盡管其它探測(cè)器技術(shù)發(fā)展很快，多絲正比計(jì)數(shù)器使得其今天不但有廣

10、泛應(yīng)用，還有新的發(fā)展。國(guó)外研究人員曾開展過(guò)一些多對(duì)于多絲正比計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化均勻電場(chǎng)來(lái)改善能量分辨率的研究。上世紀(jì)50年代，H. H. Rossi通過(guò)在陽(yáng)極絲外加裝一個(gè)螺旋（helix）柵極的方法提高具有各向同性的特征球形正比計(jì)數(shù)的能量分辨率，用于劑量率測(cè)量。上世紀(jì)60年代，Benjamin通過(guò)調(diào)整球形正比計(jì)數(shù)組成部件（球徑，絲直接，支撐架的長(zhǎng)度直徑等）的比例關(guān)系等構(gòu)成探測(cè)器內(nèi)部均勻一致電場(chǎng)，以提高能量分辨率，用于中子能譜測(cè)量。這些探測(cè)器研究由于開展時(shí)間較早，是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)完成對(duì)性能測(cè)試和探測(cè)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，缺乏對(duì)物理過(guò)程的詳細(xì)分析和描述。經(jīng)過(guò)我們前期調(diào)研，擬在多絲正比室每一根絲設(shè)計(jì)適當(dāng)尺寸螺旋柵

11、極以使電場(chǎng)達(dá)到一致性，以提高探測(cè)器的能量分辨率。使用Garfield程序?qū)Χ嘟z室內(nèi)的電場(chǎng)做了一個(gè)模擬，室內(nèi)添加8根陽(yáng)極絲和8根陰極絲，室內(nèi)氣體采用90%的氬氣和10%CO2，模擬結(jié)果如圖4-1所示，在陽(yáng)極絲附近電場(chǎng)滿足1/r的分布規(guī)律，靠近陽(yáng)極絲的地方電場(chǎng)為最大。為了使陽(yáng)極絲附近的電場(chǎng)更加均勻，我們?cè)诿恳桓?yáng)極絲外側(cè)加了一圈螺旋結(jié)構(gòu)，并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)室內(nèi)靜電場(chǎng)進(jìn)行模擬，最終得到的電場(chǎng)分布如圖4-2所示?？梢钥闯鲈诩恿寺菪Y(jié)構(gòu)之后陽(yáng)極絲外部一定范圍內(nèi)的電場(chǎng)更加均勻，但是對(duì)于陽(yáng)極絲附近的粒子漂移過(guò)程、漂移曲線以及陽(yáng)極絲表面的電場(chǎng)分布都還需要更進(jìn)一步的模擬計(jì)算，接下來(lái)的工作就是對(duì)多絲

12、室內(nèi)的靜電場(chǎng)的詳細(xì)計(jì)算，充分利用Garfield程序模擬出更精確的結(jié)果。圖4-1. 多絲正比室內(nèi)電場(chǎng)分布圖圖4-2. 加螺旋結(jié)構(gòu)后多絲正比室內(nèi)電場(chǎng)分布圖5. 結(jié)論對(duì)多絲正比計(jì)數(shù)器的工作原理進(jìn)行了深入研究，掌握了多絲正比室的制作方法，了解的多絲正比室的特性以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分的選型對(duì)多絲正比室的整體探測(cè)性能影響，并借助有限元分析工具對(duì)多絲正比計(jì)數(shù)器室內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)構(gòu)得出，在添加螺旋結(jié)構(gòu)之后，陽(yáng)極絲表面一定區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)分布更加均勻，但是這個(gè)區(qū)域的進(jìn)一步細(xì)化還需要更加詳細(xì)的計(jì)算來(lái)確定，這也是我后續(xù)工作的重點(diǎn)，通過(guò)Garfield程序模擬電子漂移過(guò)程，更加精確的掌握添加螺旋結(jié)構(gòu)后多絲室內(nèi)的電場(chǎng)

13、變化，給出最優(yōu)化的模型。參考文獻(xiàn)：1AHMED S N. 2 - Interaction of radiation with matter M. Physics and Engineering of Radiation Detection (Second Edition). Elsevier. 2015: 65-155.2劉杰, 孫鳴. 核電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及產(chǎn)品研發(fā)思路 J. 中國(guó)核電, 2009, 02): 133-9.3馬宇箭. 輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化方向研究 J. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2009, 05): 1235-40+944.4張玉敏. 國(guó)外放射性探測(cè)裝備和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與

14、趨勢(shì) J. 艦船防化, 2009, 01): 1-5.5MILLER A, MACHRAFI R, MOHANY A. Development of a semi-autonomous directional and spectroscopic radiation detection mobile platform J. Radiation Measurements, 2015, 72(0): 53-9.6PORTNOY D, FISHER B, PHIFER D. Data and software tools for gamma radiation spectral threat detection and nuclide identification algorithm development and evaluation J. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 0): 7聶亞杰, 杜平, 馮東輝. 國(guó)外核生化監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 J. 艦船科學(xué)技術(shù), 2006, 02): 102-8.8NAKAMURA H, SHIRAKAWA Y,