測氡火花計數(shù)器的研制

過惠平 王洪超 徐智林 張 磊

（第二炮兵工程學(xué)院102教研室 西安 710025）

環(huán)境氡的測量方法可分為兩大類[1]：一類為瞬時監(jiān)測法，如雙濾膜法、閃爍法、氣球法、活性炭吸附解析法等；另一類為累積監(jiān)測法，如活性碳能譜法、固體徑跡法、熱釋光法等。在估算空氣中氡及子體對人群的輻射劑量時，通常須測量空氣中氡及子體的平均濃度，這就得進(jìn)行氡的累積測量。目前公認(rèn)的最佳累積測量方法是固體徑跡法[2,3]。然而，為讀出探測器薄膜上的徑跡信息，須對其蝕刻再用光學(xué)顯微鏡觀測[4]，費時費力，效率低下。上世紀(jì)80年代發(fā)展的固體核徑跡的圖像分析系統(tǒng)[5]，其顯微閱讀器價格較昂貴，不利于推廣。

火花計數(shù)器原理是：a粒子等照射過的固體徑跡探測器片(聚酯膜)經(jīng)化學(xué)蝕刻后出現(xiàn)孔狀徑跡，將此徑跡片放在鍍鋁膜電極和不銹鋼中心電極間并加高壓，蝕刻徑跡孔處將依次發(fā)生火花放電，用電子學(xué)線路記錄放電脈沖，便可對固體徑跡自動計數(shù)，此法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、計數(shù)迅速、價格適宜。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

火花計數(shù)器主要由高壓、成形電路、電極和計數(shù)部分組成。

1.1 高壓及計數(shù)部分

該高壓部分為NIM機(jī)箱的高壓電源(FH1016A型)，該插件提供 kV以下的正或負(fù)極性的穩(wěn)定的直流電壓。計數(shù)部分采用BH1-FH463B型智能定標(biāo)器進(jìn)行計數(shù)。

1.2 成形電路部分

火花計數(shù)器的成形電路多采用圖1所示的4種形式[6–9]。比較這四種電路，圖1(a)成形電路的鍍鋁膜電極需直徑d較大的放電圓孔，這不利于提高火花計數(shù)器徑跡密度測量上限?；鸹}沖電量Q=0.5CtV2，其中Ct是整個電路的電容，V是放電電壓。Ct大，則Q大，故d也相應(yīng)變大。圖1(b)中的微分電容與電極電容呈并聯(lián)關(guān)系，不利于降低整個電路的電容。圖1(c)需一個大的負(fù)載電阻R0去限制放電電流，否則易引起多次放電，增加假計數(shù)；且由于鍍鋁膜電極為負(fù)，放電氧化產(chǎn)生的鋁屑容易填充徑跡孔，影響火花計數(shù)器的正常計數(shù)。本文火花計數(shù)器采用圖1(d)所示的電路，它能克服上述弊端，電路更加穩(wěn)定。

圖1 四種成形電路Fig.1 Four types of shaping circuit.

1.3 電極部分

該火花計數(shù)器裝置如圖2所示，中心電極直徑30 mm，環(huán)電極的內(nèi)徑40 mm、外徑50mm；中心電極和環(huán)電極均采用不銹鋼材料制成，表面拋光(13級拋光度)；中心電極與環(huán)電極間用絕緣木相隔，絕緣木可耐千伏以上高壓；用木質(zhì)材料做箱體，箱體尺寸20 cm′20 cm′15 cm，箱體上表面扣圓柱形槽體，用螺栓將電極固定在箱體槽內(nèi)；在箱體表面加緩沖墊，用于支撐有機(jī)玻璃板，保證有機(jī)玻璃板能平整地壓在鍍鋁膜上。探測膜與中心電極平面接觸，要求探測膜直徑介于中心電極直徑和環(huán)電極內(nèi)徑。探測膜上覆蓋鍍鋁膜，其上覆蓋有機(jī)玻璃板，再置放適當(dāng)重物以確保探測膜與鍍鋁膜平整接觸，以免放電時的電壓瞬時變化導(dǎo)致鍍鋁膜電極產(chǎn)生振動而影響火花計數(shù)器計數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖2 火花計數(shù)器裝置Fig.2 Schematics of the spark counter device.

2 火花計數(shù)器性能試驗

2.1 重物重量對計數(shù)的影響

將鍍鋁膜壓緊的壓力大小會導(dǎo)致電極電容的變化，從而導(dǎo)致火花計數(shù)器的坪曲線變化[10]。為此，重物試驗采用2、4、6、7、8和10 kg的重物。取6組聚酯膜，每50片/組，在19°C、70%濕度、氡濃度為1800 Bq/m3的氡室內(nèi)照射36 h(如無特別說明，下文的氡室照射條件均同此處)。每組聚酯膜對應(yīng)一定質(zhì)量的重物進(jìn)行計數(shù)，每片計數(shù)5次，取平均值，結(jié)果如圖3所示。圖中數(shù)據(jù)點為該電壓下50片聚酯膜計數(shù)的平均計數(shù)，平均誤差≤8%。

由圖3，火花計數(shù)器從電壓350 V開始有計數(shù)，計數(shù)隨電壓升高。2 kg壓力下，500–700 V出現(xiàn)坪；700 V后計數(shù)明顯變高，雜放電現(xiàn)象較為明顯。4 kg壓力下，400 V后出現(xiàn)計數(shù)坪，坪長約300 V。6 kg時，坪長約為400 V，且計數(shù)相對穩(wěn)定。與6 kg壓力相比，7–10 kg的火花計數(shù)略高，但坪長基本相同。綜上所述，本火花計數(shù)器選擇6 kg的重物較為合適。

圖3 重物質(zhì)量對計數(shù)的影響Fig.3 Spark counts under different pressures.

2.2 電極表面拋光程度對計數(shù)的影響

火花計數(shù)器的電極是關(guān)鍵部件，其表面拋光程度影響著火花計數(shù)器計數(shù)的準(zhǔn)確性[11]。用現(xiàn)代拋光技術(shù)對兩個條件相同的電極拋光至6級和13級拋光度，用于火花計數(shù)器，對兩組50片聚酯膜進(jìn)行氡室照射和讀數(shù)，結(jié)果如圖4 所示，電極表面拋光程度13級的坪特性曲線據(jù)優(yōu)。從兩種拋光度下獲得的火花計數(shù)平均值的相對誤差也有顯著差異：電極表面拋光度為6級時的最大相對誤差達(dá)16.7%，而拋光度為13級的最大相對誤差為7.2%。電極表面滑則產(chǎn)生電場的均勻性好，使火花計數(shù)更穩(wěn)定，避免了局部電壓過高引起的重復(fù)計數(shù)，又減少了尖端放電現(xiàn)象。

圖4 電極表面光滑程度對計數(shù)的影響對比Fig.4 Spark counts using the central electrode polished differently.

2.3 聚酯膜蝕刻面積大小對計數(shù)的影響

本文所用火花計數(shù)器中心電極直徑De=30 mm。選用兩組50片/組聚酯膜作氡室照射，蝕刻時，第一組蝕刻徑跡區(qū)直徑Dt=32 mm；第一組蝕徑跡區(qū)直徑Dt=27mm。進(jìn)行火花計數(shù)器讀數(shù)，取平均值，它們的坪特性曲線如圖5所示。DtDe時，坪長較長、坪斜較小，坪特性好于Dt>De時。同時，Dt>De時鍍鋁膜邊緣產(chǎn)生的火花孔遠(yuǎn)多于DtDe時。這是受中心電極邊緣電場非均勻性的影響，電極邊緣的電場略高于中間的電場[9]，電極邊緣電場隨著電壓增大，電壓升至800V時Dt>De的電極邊緣發(fā)生多次火花放電，計數(shù)重復(fù)性增強(qiáng)，導(dǎo)致邊緣區(qū)分布著密集的火花孔。而DtDe，可避免這種效應(yīng)。而且電極邊緣做成圓弧形也有利于減少這種效應(yīng)。

圖5 不同的蝕刻區(qū)直徑對計數(shù)的影響對比Fig.5 Spark counts of polyester film trackers with an etching diameter of Dt=27 or Dt=32 mm.

2.4 清掃電壓的確定以及其對計數(shù)的影響

火花計數(shù)器工作時，在對未做過火花計數(shù)的聚酯膜進(jìn)行火花計數(shù)前，應(yīng)在較高電壓下進(jìn)行火花放電沖擊，對聚酯膜上已穿透和鄰近穿透的蝕刻徑跡孔進(jìn)行清掃，這樣的高壓稱為清掃電壓。沖擊電壓的大小和沖擊次數(shù)與聚酯膜厚度和蝕刻條件有關(guān)[10]，為確定本文所用聚酯膜的清掃電壓，用1000 V、1200 V和1400 V清掃電壓對三組50片/組聚酯膜進(jìn)行電壓清掃、氡室照射、蝕刻、計數(shù)，結(jié)果見圖6。在1200 V或1400 V的電壓沖擊一次所得計數(shù)基本達(dá)到可重復(fù)的程度，效果好于在1000 V電壓沖擊；效果相近，選用較小的電壓，故清掃電壓為1200 V。圖7是聚酯膜在1200 V的清掃電壓下，沖擊1次、2次、5次以及沖擊多次得到計數(shù)與電壓的關(guān)系，可見在該蝕刻條件下聚酯膜經(jīng)5次1200 V電壓沖擊，計數(shù)可達(dá)到可重復(fù)的程度。

圖6 不同的清掃電壓下得到的火花計數(shù)Fig.6 Spark counts of polyester films under different sweeping voltages.

圖7 高壓沖擊后電壓與計數(shù)關(guān)系Fig.7 Spark counts of polyester films after different times of sweeping under 1200 V.

3 結(jié)束語

通過對火花計數(shù)器研制及性能試驗分析，得出本火花計數(shù)器的特點是高壓持續(xù)穩(wěn)定，電路設(shè)計更加合理，電極部分更加適合火花計數(shù)器準(zhǔn)確計數(shù)需要；而且為了更準(zhǔn)確的得到聚酯膜固體徑跡探測器上徑跡的信息，本火花計數(shù)器最佳工作條件應(yīng)包含：

(1) 重物重量為6 kg；

(2) 聚酯膜徑跡探測器在最佳條件下蝕刻；

(3) 聚酯膜蝕刻面積稍小于中心電極表面積；

(4) 正式計數(shù)前，在1200 V的清掃電壓下清掃5–10次；

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