基于PIPS探測(cè)器的天然氡釷子體探測(cè)裝置研究

鄒功江， 夏　源， 曾國(guó)強(qiáng)， 葛良全， 李　強(qiáng)， 魏世龍， 譚承君

(成都理工大學(xué)　地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610059)

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基于PIPS探測(cè)器的天然氡釷子體探測(cè)裝置研究

鄒功江， 夏源， 曾國(guó)強(qiáng)*， 葛良全， 李強(qiáng)， 魏世龍， 譚承君

(成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059)

對(duì)基于PIPS探測(cè)器的天然氡釷子體探測(cè)裝置進(jìn)行了研究。探討了探測(cè)器與放射源之間最佳探測(cè)距離為3 mm；對(duì)電荷靈敏前置放大器性能進(jìn)行了分析，結(jié)果與理論參數(shù)相符。PIPS探測(cè)器能量分辨率好，實(shí)測(cè)對(duì)214Po的特征峰能量分辨率為4.9%。整個(gè)探測(cè)裝置的不穩(wěn)定度小于5%，保證了測(cè)量氡釷子體α粒子潛能濃度時(shí)結(jié)果穩(wěn)定可靠。探測(cè)裝置可以不需要人工更換濾膜而連續(xù)運(yùn)行，適合在無(wú)人操作的情況下對(duì)天然氡釷子體進(jìn)行連續(xù)在線測(cè)量。

PIPS探測(cè)器； 氡釷子體； α能譜測(cè)量； α潛能濃度

0　引言

222Rn/220Rn分別是由天然放射性系列鈾系和釷系經(jīng)過(guò)放射性衰變產(chǎn)生的氣體元素，我們稱之為天然氡釷。它沒(méi)有顏色，沒(méi)有氣味，由于222Rn/220Rn的母體鈾普遍存在于土壤和建筑材料中，母體經(jīng)一系列衰變不斷釋放222Rn/220Rn，所以222Rn/220Rn在大氣中的含量是不可忽略的。222Rn/220Rn衰變產(chǎn)物在常溫下空氣中能形成放射性氣溶膠而污染空氣，容易被呼吸系統(tǒng)截留，并在局部區(qū)域不斷累積造成內(nèi)照射而誘發(fā)肺癌[1]。氡釷子體的生物學(xué)危害特別是其子體產(chǎn)生的α射線，對(duì)人體造成的危害已引起人們?cè)絹?lái)越廣泛的重視，對(duì)其的調(diào)查測(cè)量和研究工作也顯得非常重要。

空氣中氡釷子體的濃度隨氣象條件變化而有很大不同，欲準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氡子體的危害，必須連續(xù)可靠測(cè)量氡釷子體的放射性強(qiáng)度，尤其是α粒子的活度。本探測(cè)裝置通過(guò)抽氣的方式將含有氡釷子體的放射性氣溶膠采集到濾膜上，利用PIPS探測(cè)器對(duì)濾膜上的α粒子進(jìn)行探測(cè)。

1　α粒子的探測(cè)

α粒子是帶正電的高能粒子(He原子核)，它在穿過(guò)介質(zhì)后迅速失去能量。它們通常由一些重原子或一些人造核素衰變時(shí)產(chǎn)生。

對(duì)α射線進(jìn)行α能譜測(cè)量的主要探測(cè)器為半導(dǎo)體探測(cè)器(包括：金硅面壘型半導(dǎo)體探測(cè)器、鋰離子注入型半導(dǎo)體探器、Si-PIN半導(dǎo)體光電二極管等)。該探測(cè)器具有能量分辨率高、性能穩(wěn)定、探測(cè)效率較高、體積小、抗磁性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、反向漏電流小以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛應(yīng)用，而在半導(dǎo)體探測(cè)器中，PIPS探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,其表面采用了鈍化處理工藝，并且具有可擦拭，不易損壞、探測(cè)靈敏面積大等特點(diǎn)，是目前放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)的首選探測(cè)器。本探測(cè)裝置使用的是PIPS探測(cè)器。

2　PIPS探測(cè)器

2.1PIPS探測(cè)器特點(diǎn)

探測(cè)裝置采用的是Canberra公司CAM系列PIPS探測(cè)器，PIPS半導(dǎo)體探測(cè)器屬于結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器，利用加速器產(chǎn)生的具有一定能量的正離子束流，直接穿透半導(dǎo)體材料(硅) 表面而形成PN 結(jié)。帶電粒子在探測(cè)器的耗盡區(qū)里發(fā)生相互作用產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，它們最初的空間分布取決于射線的種類和能量。隨后在一定時(shí)間內(nèi)這些電子空穴對(duì)被分離和收集，這一時(shí)間取決于電子空穴對(duì)的幾何位置、探測(cè)器耗盡區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)的分布以及器件工作溫度下的載流子遷移率[3]。PIPS探測(cè)器的能量分辨率好，探測(cè)器使用0.5 μm厚的鋁和1 μm的凡立水封裝，它不漏光且抗惡劣環(huán)境。凡立水的厚度相當(dāng)于0.6 μm硅等效厚度,它對(duì)α粒子引起的能量散射、吸收和濾紙和探測(cè)器之間的空氣引起的散射、吸收相比可以忽略[4]。

2.2PIPS探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)

PIPS探測(cè)器具有較大的工作溫度范圍，最高可達(dá)50℃，最低溫度為-30℃，保存溫度需要在100℃以下，漏電流一般情況下小于10 nA，加在探測(cè)器上的偏置電壓一般為+70 V，在這個(gè)偏壓下，以CAM450為例，此時(shí)探測(cè)器的電容接近200 pF。系統(tǒng)采用的CAM900靈敏區(qū)域?yàn)?00 mm2，靈敏區(qū)厚度為120 μm ～325 μm。對(duì)α射線的分辨率好，當(dāng)偏壓為15 V～24 V時(shí)，半高寬為45 KeV,當(dāng)偏壓為70 V時(shí)，半高寬為39 KeV。

2.3PIPS 探測(cè)器與樣品距離的選擇

α粒子在物質(zhì)中的射程很短，氡釷子體衰變產(chǎn)生的α粒子在空氣中的射程約在4 cm～9 cm范圍內(nèi)，具體會(huì)因空氣濕度等影響而略有差異。在進(jìn)行α能譜測(cè)量時(shí)，主要是利用α粒子的電離物質(zhì)的特性對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。在α能譜測(cè)量時(shí)，為了保持能量的線性關(guān)系，必須使α粒子能量損耗具有一致性，即使其處于同一能量衰減條件下對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。

圖1為PIPS探測(cè)器對(duì)α粒子探測(cè)效率與探測(cè)器到放射源之間距離的關(guān)系。圖1中采用的兩種探測(cè)器型號(hào)分別為CAM450與CAM1700，放射源半徑分別為24 mm和42 mm，從1圖中可以看出探測(cè)器到樣品的距離越大，探測(cè)器的探測(cè)效率越低。為了盡可能提高探測(cè)效率，而又不影響濾膜的更換，我們應(yīng)選擇一個(gè)合適的探測(cè)距離。

圖1　探測(cè)器-放射源距離與α粒子探測(cè)效率的關(guān)系Fig.1　Geometrical efficiency for alpha counting as a function of the source-detector distance for PIPS

圖2　空氣中探測(cè)器-放射源距離與半高全寬的關(guān)系Fig.2　Variation of the resolution (FWHM) as function of the detection source distance in air

圖2為空氣中PIPS探測(cè)器對(duì)238Pu(5 499.2 KeV)源測(cè)量的能量半高全寬(FWHM)與探測(cè)器到放射源距離的關(guān)系。探測(cè)器能量分辨率的計(jì)算公式為：

(1)

其中：FWHM為α粒子能峰的半高全寬；E0為α粒子能量。

在多道脈沖幅度分析器中，探測(cè)器能量分辨率通常表示為全能峰最大高度的一半所占的道數(shù)與全能峰所在道址的比值，即：

η=(ChR-ChL)/ChE

(2)

其中，ChR表示全能峰一半高度較大的道址；ChL表示全能峰一半高度較小的道址；ChE表示全能峰所在的道址。

從圖2我們可以看出：探測(cè)器離樣品距離越大，對(duì)238Pu的α粒子測(cè)量時(shí)的半高全寬越大，結(jié)合式(1)可知此時(shí)的能量分辨率也越大；當(dāng)探測(cè)器與樣品距離小于10 mm時(shí)，探測(cè)器的能量分辨率小于10%。

我們使用標(biāo)準(zhǔn)镅-241α源測(cè)量了在不同距離下，PIPS探測(cè)器對(duì)α粒子的探測(cè)效率，以便選擇最佳的探測(cè)距離。表1為測(cè)量數(shù)據(jù)，其中241Am源的直徑為5 mm。

表1　探測(cè)效率測(cè)量數(shù)據(jù)

由于探測(cè)器對(duì)不同能量的α粒子探測(cè)效率相差不大[5]，在整個(gè)探測(cè)過(guò)程中，我們可以參考探測(cè)器對(duì)241Amα源的探測(cè)效率，來(lái)選擇對(duì)氡釷子體測(cè)量時(shí)的探測(cè)距離，為了得到更好的測(cè)量結(jié)果，而又不影響系統(tǒng)自動(dòng)走紙的情況下，通常使探測(cè)器與樣品的距離保持在1 cm的距離內(nèi)，本探測(cè)裝置中選擇的探測(cè)器與樣品距離為3 mm。

3　氡釷子體連續(xù)測(cè)量方法

3.1氡釷子體測(cè)量原理

α粒子潛能εp是該原子到210Pb或208Pb的過(guò)程中所發(fā)射的α粒子總能量[6]。而α潛能濃度(PAEC)定義為單位體積空氣中存在的222Rn/220Rn的短壽命子體的α潛能之和，因此如果Ci是衰變產(chǎn)物i的放射性濃度(Bq/m3)，則短壽命子體混合物的α潛能濃度Cp(對(duì)氡222Rn子體表示為Cp，Rn；對(duì)220Rn子體表示為Cp，Tn)為[7]：

(3)式中：εpi為i種核素的原子的α潛能；λi為第i種核素的衰變常數(shù)，單位為s-1。因此由測(cè)量222Rn/220Rn子體的濃度代入(1)式可求出α粒子潛能濃度，由于222Rn/220Rn的子體存在一定的平衡比，實(shí)際上可以測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的α計(jì)數(shù)，通過(guò)一定的平衡比，簡(jiǎn)單地求出α潛能濃度。

在222Rn和220Rn兩個(gè)放射性氣體的衰變鏈中，天然α放射性主要由218Po、214Po、212Po、214Bi等核素構(gòu)成，另外216Po產(chǎn)生的α粒子能量為0.36 MeV～0.59 MeV，在空氣中的射程小于3 mm，再加上抽氣濾膜自吸收的影響，探測(cè)器幾乎無(wú)法探測(cè)到，因此我們主要測(cè)量對(duì)象為218Po、214Po、212Po、214Bi四種核素。

3.2測(cè)量裝置及測(cè)量方法

如圖3所示，基于PIPS探測(cè)器的氡釷子體連續(xù)測(cè)量?jī)x分為兩個(gè)部分：①氣溶膠采樣裝置；②后端信號(hào)處理電路。PIPS探測(cè)器和電荷靈敏前置放大器放在金屬屏蔽外殼內(nèi)，減少外界電磁等干擾。后端電路放在屏蔽殼外，包括主板電路和數(shù)字多道能譜儀。探測(cè)裝置采用的電源模塊給電荷靈敏前置放大器提供+6 V/-6 V電壓，給PIPS半導(dǎo)體探測(cè)器提供+24 V/+70 V偏壓。

圖3　儀器結(jié)構(gòu)Fig.3　Instrument structure

工作狀態(tài)開始后，氣泵開始抽氣，自動(dòng)滾紙裝置將濾膜夾緊，含有天然放射性氡釷子體的氣溶膠被收集到濾膜上，探測(cè)器測(cè)量沉積的放射性氣溶膠發(fā)射的α射線，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由緊挨探測(cè)器的前置放大器放大后輸出到后端電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行處理，抽氣速度和走紙裝置都由主板的單片機(jī)控制。

4　硬件電路部分

4.1電荷靈敏前置放大器參數(shù)的選擇

圖4為探測(cè)裝置使用實(shí)驗(yàn)室已有的電荷靈敏前置放大器原理圖，配合不同探測(cè)器，電荷靈敏前置放大器的一些參數(shù)也有所不同，偏置電阻R4太小不僅會(huì)給電荷靈敏前置放大器輸出信號(hào)帶來(lái)極零點(diǎn)，還會(huì)使探測(cè)器的噪聲變大，通常偏置電阻上的壓差為0.5V時(shí)，探測(cè)器噪聲最小[8]，考慮到PIPS探測(cè)器的漏電流在5 nA ～10 nA，因此選擇偏置電阻R4=51 MΩ；為了獲得更好的信噪比，應(yīng)該選擇和探測(cè)器等效電容值相近的場(chǎng)效應(yīng)管作為第一級(jí)放大環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)使用的PIPS探測(cè)器具有較大電容，因此選擇2N6550作為第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管。

圖4　低噪聲電荷靈敏前置放大器原理圖Fig.4　Low noise charge sensitive amplifier

圖5為我們用此電荷靈敏前置放大器連接PIPS探測(cè)器時(shí)，對(duì)241Amα源探測(cè)得到的脈沖信號(hào)，電壓幅度VOM=520 mV。241Am放射的α粒子主要能量為5 485.74 KeV，查詢工作手冊(cè)可知對(duì)于PIPS探測(cè)器每產(chǎn)生一個(gè)電子-離子對(duì)需要的能量為 3.61 eV，經(jīng)計(jì)算可知每個(gè)脈沖輸入的電荷量為Q=2.43×10-13C,故電荷靈敏前置放大器的電荷靈敏度ACQ=VOM/Q=2.14×1012V/C，而理論電荷靈敏度ACQ≈1/Cf，其中Cf為反饋電容，反饋電容大小Cf=0.5 pF,故理論電荷靈敏度為2×1012V/C，可見電荷靈敏前置放大器性能良好。

圖5　241Amα源經(jīng)過(guò)前放后的輸出信號(hào)Fig.5　The output signal of 241Am with CSA

5　軟件部分

軟件分為上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件和儀器控制軟件，儀器控制軟件功能包括通訊模塊、顯示模塊、控制模塊和氡釷子體潛能濃度算法模塊，本探測(cè)裝置選用基于INTEL低功耗凌動(dòng)處理器的工業(yè)單板一體機(jī)，該工控機(jī)小巧、輕便，便于安裝，且可在該機(jī)上運(yùn)行基于windows XP系統(tǒng)的人機(jī)界面，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)便易行。同時(shí)為了方便地儲(chǔ)存測(cè)量到的α粒子的計(jì)數(shù)、譜線圖、測(cè)量環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)，我們加入了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地管理，查詢數(shù)據(jù)將更加方便。

6　性能指標(biāo)及結(jié)論

6.1探測(cè)器能量分辨率

圖6為我們測(cè)量得到的222Rn/220Rn子體譜線圖，測(cè)試時(shí)間為6 h，測(cè)試環(huán)境溫度14℃。對(duì)于特征峰214Po，我們經(jīng)過(guò)數(shù)字多道能譜儀得到的道址如表2所示。

圖6　222Rn/220Rn子體α能譜圖Fig.6　Alpha spectrum of 222Rn and 220Rn progeny

測(cè)量對(duì)象ChRChLChE道址/道786826818

將表2數(shù)據(jù)代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到空氣中PIPS探測(cè)器對(duì)214Po特征峰的能量分辨率為4.9%。

6.2系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)定

保持測(cè)量條件不變，對(duì)同一樣品進(jìn)行8次測(cè)量，記錄探測(cè)裝置α粒子總計(jì)數(shù)，測(cè)量溫度為25℃，測(cè)量時(shí)間為1分鐘，測(cè)量對(duì)象為239Pu固體面源，測(cè)量結(jié)果如表3所示。計(jì)算表3測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差δ，其計(jì)算公式為：

表3　穩(wěn)定度測(cè)量數(shù)據(jù)表

(4)

其中：Ni為第i次測(cè)量值；n為實(shí)驗(yàn)組數(shù)，經(jīng)計(jì)算測(cè)裝置的不穩(wěn)定度為δ=1.72%。

6.3天然氡釷子體潛能濃度測(cè)量結(jié)果

將測(cè)量系統(tǒng)放到通風(fēng)的室內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，時(shí)間為2015年3月23日早上8:00到第二天早上 8:00，每隔2 h進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4　室內(nèi)氡釷子體潛能濃度測(cè)量結(jié)果

一般來(lái)講，220Rn子體在空氣中含量的漲落很大，在早上3:00～7:00最高，下午到晚上8:00最低，最高與最低值之間相差約2倍～3倍。陰天較高，晴天、有風(fēng)的天氣較低，并且與222Rn變化趨勢(shì)相同[9-10]，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本符合此規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

7　結(jié)語(yǔ)

基于PIPS探測(cè)器的氡子體測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣中含有氡釷子體的放射性進(jìn)行快捷、有效、準(zhǔn)確的測(cè)量。PIPS探測(cè)器抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境中γ射線不靈敏，同時(shí)我們?cè)谙到y(tǒng)中加入了金屬屏蔽外殼，減小了外界電磁對(duì)信號(hào)的影響。整個(gè)探測(cè)裝置可以不需要人工更換濾膜而連續(xù)運(yùn)行，適合在無(wú)人操作的情況下對(duì)天然氡釷子體進(jìn)行連續(xù)在線測(cè)量，該套裝置也適合用于地震預(yù)測(cè)中氡氣的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

[1] UNITED NATIONS SCIENTIFIC COMMITTEE ON THE EFFECTS OF ATOMIC RADIATION. Sources and effects of ionizing radiation:Sources[M].United Nations Publications，2000．

[2] 安繼剛.電離輻射探測(cè)器[M].北京：原子能出版社,1995.

AN J G.Ionizing Radiation Detector[M].Beijing：Atomic Energy Press, 1995.(In Chinese)

[3] 田新，肖無(wú)云，王善強(qiáng)，等.α、β粒子在鈍化注入平面硅探測(cè)器中的脈沖形狀分析[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2011,31(11)：1255-1258.

TIAN X, XIAO W Y,WANG S Q,et al. Pulse Shape of Alpha and Beta Particles in Passivated Implanted Planer Silicon Detector[J].Nuclear Electronics & Detection Technology，2011,31(11):1255-1258.(In Chinese)

[4] 李東明,胡華四,褚俊.用PIPS探測(cè)器連續(xù)測(cè)量氣溶膠的研究[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2005,25(2)：187-189.

LI D M, HU H S, ZHU J. The research of continuous aerosol measurement[J].Nuclear Electronics & Detection Technology,2005,25(2)：187-189.(In Chinese)

[5] 康璽,肖德濤.氡子體α能譜法測(cè)量?jī)x器探測(cè)效率的測(cè)定[J].核技術(shù),2005,28(9):700-703.

KANG X, XIAO D T.Detection efficiency of alpha spectrometer for radon progeny measurement[J].NuclearTechniques, 2005,28(9):700-703.(In Chinese)

[6] 田志恒.輻射劑量學(xué)[M].北京：原子能出版社，1992.

TIAN Z H.Radiation Dosimetry[M].Beijing：Atomic Energy Press, 1992.(In Chinese)

[7] 陳生慶，周劍良.空氣中222Rn/220Rn子體α潛能濃度測(cè)量方法的研究進(jìn)展[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,20(4):81-84.

CHEN S Q, ZHOU J L.Review of Measurement Methods of Potential Alpha-Energy Concentration of Radon Progeny and Thoron Progeny in Air[J].Joyrnal of Nanhua University:Science and Technology,2006，20(4):81-84. (In Chinese)

[8] CREMAT, INC. CR-150-R5 evaluation board application guide[Z]. Cremat, inc. 2014.

[9] 邱仕真.用能量甄別法快速測(cè)定α氣溶膠[J]. 龍巖師專學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1987，5(2):73-79.

QIU S Z. Alpha aerosol measurement by the method of energy discrimination[J].Journal of Longyan Teachers College:Science and Technology,1987，5(2):73-79. (In Chinese)

[10] 劉艷陽(yáng),劉福東,王春紅,等.室內(nèi)222Rn/220Rn子體平衡因子的初步測(cè)量[J].原子能科學(xué)技術(shù),2010,44(12):1527-1531.

WANG Y Y,LIU F D,WANG C H, et al, Primary Measure of Equipment Factor of222Rn/220Rn indoor[J].Atomic Energy Science and Tecnology,2010,44(12):1527-1537.(In Chinese)

A study on detection device for natural radon progeny and thorium progeny based on PIPS detector

ZOU Gong-jiang, XIA Yuan, ZENG Guo-qiang*,GE Liang-quan, LI Qiang, WEI Shi-long, TAN Cheng-jun

(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu610051, China)

Studying on detection system for natural radon progeny and thorium progeny based on PIPS detector is carried out in this study. The discussion indicates that the best detecting distance between detector and source is 3 mm. It has good consistent with the theoretical data by analyzing the performance of charge sensitive preamplifier. The PIPS detector has advantages of high energy resolution, which is 4.9% t for α-ray of214Po. The instability of detection device is less than 5%, ensuring reliable results when measuring for α radioactivity of natural thorium and radon and their progeny. The detecting device can be operated continuously without replacing the filter. This is suitable for the measurement for natural thorium and radon and their progeny without manual operation.

PIPS semiconductor detector; progeny of radon and thorium; alpha energy spectrum ; potential alpha-energy

2015-04-23改回日期：2015-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(41474159);國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA061803)；地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(gnzds2014006)

鄒功江(1971-)，男，副教授，博士，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及核輻射探測(cè)，E-mail：zgl@cdut.edu.cn。

曾國(guó)強(qiáng)(1980-)，男，副教授，博士，從事核輻射探測(cè)與核電子學(xué),E-mail:zgq@cdut.edu.cn。

1001-1749(2016)04-0487-06

P 631.6

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.08