計數(shù)管的設計與性能測試

隋鳳麗　馬單冬　袁霄宇

摘要：文章闡述了流氣正比計數(shù)管在設計上各技術參數(shù)的選定原理及參照，包括流氣正比計數(shù)管內半徑R2與陽極絲半徑R1之比的選定、陽極絲材料的選擇、陰極金屬筒的大小選擇與加工要求等以及生產中的測試記錄。實驗結果性能測定指標包括：計數(shù)效率（計數(shù)效果）噪音水平、能譜分辨率、分辨時間（死時間）及使用條件（使用方便否）。

關鍵詞：流氣；正比；計數(shù)管；衍射；X射線；光譜儀；電場；計數(shù)率；特性曲線

中圖分類號：TL816 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）10-0093-02

1 流氣正比計數(shù)管各技術參數(shù)設定

1.1 流氣正比計數(shù)管內半徑R2與陽極絲半徑R1之比的選定

我們對德國西門子電氣公司出產的X射線光譜儀，日本電子株式會社出產的JXA-3A電子探針等儀器上使用的流氣正比計數(shù)管進行統(tǒng)計，它們的R2與R1之比值都大于400，有的為800左右，有的或稍多一點。通過實驗我們采用的陽極絲直徑（2R1）為30微米，筒內直徑（2R2）為24mm或25mm，故我們所用的R2與R1之比值為800～833，這樣，我們就有了足夠的電場強度，實驗證明，我們所選定的R2與R1的比值，在實際使用中性能還是較好的。

1.2 陽極絲材料的選擇

所用的陽極絲材料一般為重金屬絲，在強電子轟擊下，不至于變形，最常用的為鉑絲、金絲和鎢絲。一般常用的陽極絲直徑為30～60微米，通過實驗，我們采用了直徑為30微米的鎢絲。對陽極金屬絲要求均勻、光滑、清潔，這樣有利于得到一個均勻電場，鎢絲的優(yōu)點為不易變形、便宜等，缺點為不易焊牢。

1.3 陰極金屬筒的大小選擇與加工要求

作為陰極的金屬圓筒，其內壁最好能光滑如鏡，要求內部光潔度能達到Ra0.025方好，比此更高的光潔度當然更好，比此稍差一點也可以，就是管內光潔度差了會影響電場的均勻分布。

流氣正比計數(shù)管內徑（直徑）最常用的為25mm左右，根據(jù)需要可以大一些，也可小一些。一般說，大一些性能可以好一些，小一些可以減小體積與減輕重量，現(xiàn)在一般是在保持較好性能的條件下，向小的方向發(fā)展。計數(shù)管內徑（直徑）應小于計數(shù)管有效長度的二分之一以上。

計數(shù)管的有效長度一般為50～100mm，根據(jù)需要可以長一些，也可以短一些。一般說長一些有利于形成均勻電場，短一些可以減小體積與減輕重量。

我們所采用的流氣正比計數(shù)管的有效長度為60mm，一般計數(shù)管的有效長度應為外界進入的輻射照射區(qū)在同方向上長度的三倍或更多一點。

1.4 計數(shù)管選材

圓筒所用的材料，一般多采用黃銅，也可用不銹鋼制造，因不銹鋼較貴又不易加工，故應用較少，有時為了減輕計數(shù)管的重量，便于運動，也可以采用鋁。我所采用的是不銹鋼。

1.5 陽極絲的安裝

陽極絲要較嚴格地安裝在金屬圓筒的中心。這樣可以形成一個均勻分布的電場，為使得計數(shù)管的性能優(yōu)越，裝時要緊一些，否則因陽極絲較松，一通氣陽極絲就會擺動，這樣會嚴重影響計數(shù)的穩(wěn)定性。陽極絲一定要粗細均勻清潔，否則電場不均勻，計數(shù)性能就會變差。

固定中心陽極絲的計數(shù)管兩端的螺釘，有一端須采用可調螺釘，這樣在必要時，可以調整陽極絲的松緊。在螺釘中心打一個細孔，用以安裝中心陽極絲，此孔要求與筒同軸度高，使中心陽極絲嚴格處在計數(shù)管中心。以保證計數(shù)管的電場均勻，我們所采用的細孔直徑為200微米。

另外，在流氣正比計數(shù)管兩端，固定中心螺絲的絕緣板，我們采用半透明絕緣的有機玻璃制成，能耐高壓3000V以上，采用半透明有機玻璃可用以觀察陽極絲從而保證安裝質量。

1.6 氣體緩沖室

流氣正比計數(shù)管進出氣的兩端，各裝有一個氣體緩沖室，這樣可使氣體均勻地進入計數(shù)管，有利于計數(shù)管的性能穩(wěn)定，對于小型流氣正比計數(shù)管可以不要氣體緩沖室。

1.7 流氣正比計數(shù)管的窗口

對于平面晶體，在X射線熒光方面，多采用圓形或方形大面積窗口，一般直徑為25mm左右，因為流氣正比計數(shù)管是用來測輕元素的，為了增加計數(shù)的強度，故須采用大窗口。目前窗口材料多采用Meller膜，因它不導電，須將膜噴鈹鋁或炭等導電的輕元素，這樣就可以使電場均勻。

對于聚焦的彎曲晶體，多開長形狹縫窗口，縫寬一般為1～3mm左右或更小一點，我們采用2mm的窗寬，窗口長度一般與聚焦的柱形彎曲有效寬度相一致，我們采用了15～18mm的窗長，為了提高透過率，目前多采用1～6微米的Meller薄膜，我們采用3微米的Meller薄膜為窗口材料，由于這種窗口較小，不須噴鈹炭或鋁等導電物質，也不會影響管內電場的均勻性。

對于炭、氮、氧等超輕元素，須使用窗口薄膜厚度為3000埃左右的火棉膠薄膜，由于這種窗口太薄，須采用鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)支撐火棉膠薄膜，鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)的透過率要求大于60%。

1.8 窗口方向的選擇

因為電場主要集中在陽極絲附近，放電是在陽極絲附近進行的，為了提高計數(shù)效率，窗口長的方向多與陽極絲平行，為了某種需要，在不得已的情況下，采用了窗口長度方向與中心陽極絲垂直，這樣制作也可以。這時計數(shù)管性能會較前者差些。

1.9 清潔要求

安裝流氣正比計數(shù)管時，要嚴格清潔，不能有灰塵等東西進入計數(shù)管內，否則將嚴重地影響計數(shù)管性能，會造成能譜曲線變寬，嚴重時會使計數(shù)管無法使用。

1.10 流氣正比計數(shù)管所使用的氣體

我們使用了Ar90%與CH410%的混合氣或Ar90%左右與CO24%左右的混合氣，這兩種氣體都可以使用，前者的性能稍好一點。

2 實驗結果性能測定

從實際使用需要方面的考慮出發(fā)，對探測器性能的評價，應對如下的幾個性能進行測定：計數(shù)效率（計數(shù)效果）、噪音水平、能譜分辨率、分辨時間（死時間）及使用條件（使用方便否）。

對于我們自制的流氣正比計數(shù)管，這幾方面的性能測定結果如下：

2.1 計數(shù)效率（計數(shù)效果）

2.2 噪音水平

在無X射線源或其他輻射源情況下，按正常使用條件，自然本底為0.33C.P.S.左右，即60秒約為20個脈沖左右（菲利普X射線熒光分析儀所帶正比計數(shù)管所給指標為1C.P.S.）。

2.3 能譜分辨率

2.4 計數(shù)管特性曲線

2.5 分辨時間（死時間）

2.6 使用條件

本管的使用條件與一般流氣正比計數(shù)管相同。

以上性能，全在自制多道全聚焦X射線熒光分析儀上測定。

參考文獻

[1] N.Spielberg Adwanoes.X-ray Analysis.Vol10，1968.

[2] 賴祖武.核物理學電子學方法[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，1961.

[3] G..F.Garter.Applied Spectroscopy.Vol 16 N05，1962.

[4] L.S.Birks.X-ray Spectrochemical Analysis.New York.

作者簡介：隋鳳麗（1971-），女，遼寧丹東人，丹東奧龍射線儀器集團有限公司工程師，研究方向：機械制造。

（責任編輯：周 瓊）