一種新型氣體探測器的研制

于 波，趙慶章，何 明，龐義俊，張宇軒，胡 畔，王芳芳，武紹勇，姜 山

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

隨著加速器質(zhì)譜(AMS)技術(shù)的發(fā)展，如何精確測量低能量重離子是現(xiàn)階段的一個重要研究方向。氣體探測器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，精度高，適用于重離子測量。氣體探測器通常采用Mylar膜作為入射窗，入射窗的厚度較厚，在測量低能量重離子時，入射窗損失的能量較大，進入探測器的能量較小。中國原子能科學(xué)研究院的AMS小組研發(fā)了一種新型氣體探測器，使用厚度僅為50 nm的氮化硅薄膜作為入射窗，在測量低能量重離子方面有較多的優(yōu)勢[1-3]。

采用極薄的氮化硅膜做為入射窗的氣體探測器是最近發(fā)展起來用于測量低能量重離子的一種新型氣體探測器，已在低能量重離子加速器質(zhì)譜領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。該種探測器具有廣泛的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)還沒有對其進行深度研究，而本次設(shè)計的厚度僅為50 nm的氮化硅膜作為入射窗的氣體探測器研制在國內(nèi)是首次，本文就氣體探測器的工作原理、設(shè)計依據(jù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)試方法、在束應(yīng)用進行論述。

1 工作原理

加速器質(zhì)譜(AMS)裝置中的主要部件之一是探測器，根據(jù)鑒別的對象選擇探測器，氣體探測器在低能量重離子的鑒別上有較好的優(yōu)勢，該工作中設(shè)計的氣體探測器工作原理基于探測器望遠鏡方法。此方法由兩個或多個探測器組成測量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)接收同一方向的入射帶電粒子，就像望遠鏡觀測某個方向，所以又叫ΔE-E探測器望遠鏡方法。最簡單的探測器望遠鏡包括兩個探測器，待測粒子穿過第一個探測器停止在第二個探測器中。第一個探測器稱為通過探測器，或者投射探測器，也叫ΔE探測器；第二個探測器的厚度應(yīng)大于待測粒子在其中的剩余射程，稱為停止探測器，也叫E探測器。工作原理基于Bethe-Block能量損失率公式的粒子鑒別方法。

離子穿過物質(zhì)時因電離作用造成的能量損失率，可以用Bethe-Block公式[4]描述。在非相對論區(qū)，Bethe-Block公式可以化簡為：

(1)

式中：dE/dx為能量損失率；C為與阻擋介質(zhì)有關(guān)而與入射粒子無關(guān)的參數(shù)；v為入射粒子的速度；m為電子的質(zhì)量；I為阻擋介質(zhì)原子的平均激發(fā)/電離能，I≈12ZAeV，ZA為阻擋介質(zhì)的原子序數(shù)；Ze為入射粒子的有效電荷，即以電子電荷為單位的均方根電荷。在非相對論區(qū)，E=1/2Mv2，公式(1)可化簡為：

(2)

如果能量為E的離子在厚度為t的透射探測器中損失能量為ΔE，忽略對數(shù)項隨離子能量的慢變化，則：

(3)

對于固定ΔE探測器，t為常數(shù)，則：

(4)

2 設(shè)計依據(jù)

2.1 探測器入射窗

氮化硅膜硬度大，薄且均勻性好，是優(yōu)良的探測器入射窗材料[5]。為了增加低能量重離子在探測器中沉積的能量，入射窗的厚度越薄越好，即材料面密度越小越好，因此選擇厚度為50 nm、面積為8 mm×8 mm的氮化硅膜作為入射窗，以保證離子在穿過探測器窗時損失的能量最小。

2.2 電子漂移速度

電子在氣體中的漂移速度隨著約化場強的增大而增大，約化場強為E/P，E表示電場強度，P表示氣體壓力。

2.3 電場均勻性

為了使電離室靈敏體積內(nèi)的電場盡量均勻，該電離室由一個陰極板、一個柵網(wǎng)、兩個陽極板組成(陰極板面積=柵網(wǎng)面積=兩個陽極板面積和)。極板厚度要適當(dāng)，各極板間盡量平行，要選用光滑平整極板材料[6-7]。

2.4 柵極屏蔽失效

探測器的屏蔽失效率為[8]：

(5)

式中：d為柵極絲間距離，b為柵極與陽極間距離，r為柵極絲半徑。根據(jù)公式(5)算得該探測器的屏蔽失效率為0.010 6。由此可見，該探測器的柵極對陽極的屏蔽失效影響很小。

2.5 工作氣體

為了保證探測器正常工作，實驗前用實驗氣體將探測器中的空氣排出，同時工作時采用流氣，保證探測器中充有純度高的氣體[9-10]。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

氣體探測器結(jié)構(gòu)示于圖1。其由一塊陰極板、兩塊大小相同的陽極板以及一塊帶有金屬網(wǎng)格狀的柵極板組成，裝入不銹鋼的金屬外殼內(nèi)，同時該探測器采用50 nm厚、面積8 mm×8 mm的Si3N4膜作為探測器的入射窗，室壁開有三個孔，分別作為氣壓表接口、氣泵接口、充氣孔。極板由厚度為0.1 mm的鍍金銅片刻制而成。陰極大小為60 mm×65 mm；每塊陽極的大小均為60 mm×32.25 mm，他們之間的間隙為0.5 mm，兩塊陽極板的總面積(包括陽極之間的間隙)是60 mm×65 mm，柵極板大小為60 mm×65 mm，柵極采用在印刷電路板上敷設(shè)鍍金鎢絲而成，柵極透射率為98.9%，該設(shè)計使得靈敏體積內(nèi)的電場更加均勻。極板的載體為絕緣性能良好印刷線路板。

圖1 氣體探測器結(jié)構(gòu)

4 調(diào)試

采用5.48 MeV的241Am源α粒子進行調(diào)試，高純(99.99%)異丁烷作為實驗氣體，實驗室氣溫為22～26 ℃，相對濕度為30%～45%。調(diào)試的主要內(nèi)容為氣密性實驗(真空穩(wěn)定性實驗)、膜窗耐壓試驗、坪曲線測試、分辨率測試。

4.1 氣密性實驗

實驗過程中，用機械泵將探測器抽真空，腔體內(nèi)的氣壓抽到0.1 Pa，用氣壓表監(jiān)測24 h內(nèi)探測器腔體氣壓變化，每小時記錄一次氣壓值，氣壓隨時間變化示于圖2。由圖2結(jié)果可知，24 h內(nèi)氣壓無較大變化，表明該電離室氣密性良好，滿足氣密性要求。

圖2 時間與氣壓變化的關(guān)系

4.2 膜窗耐壓實驗

由于氮化硅膜僅為50 nm，為避免氣體探測器的膜窗在充氣或者抽氣時破裂，進行膜窗耐壓實驗。該實驗建立在合理的真空系統(tǒng)的設(shè)計上，整個探測器和前腔室用機械泵粗抽，機械泵可將真空度抽到0.1 Pa，然后開啟前腔室的分子泵，利用分子泵抽取前腔室真空至5.6×10-5Pa，分子泵保持工作狀態(tài)。最后從探測器端緩慢打開放氣閥沖入異丁烷氣體，使探測器氣壓由0.1 Pa上升到1 600 Pa。氣體探測器膜窗耐壓實驗數(shù)據(jù)列于表1，從表1實驗數(shù)據(jù)可以看出，探測器氣壓由0.1 Pa到1 600 Pa緩慢變化時，前腔室真空度不變，可以證明膜的真空隔離性能滿足實驗使用要求[11]。

表1 膜窗耐壓實驗數(shù)據(jù)

4.3 坪曲線測試

為了確定探測器的性能優(yōu)劣，需要進行坪曲線測試。探測器實驗氣壓為300 hPa，陰極電壓300 V條件下，改變陽極電壓，繪制陽極電壓與脈沖高度的關(guān)系曲線(圖3a)，經(jīng)實驗驗證閾電壓為200 V時，50～200 V為復(fù)合區(qū)，200 V以后進入飽和區(qū)。探測器實驗氣壓為300 hPa，陽極電壓300 V條件下，改變陰極電壓，繪制陰極電壓與脈沖高度的關(guān)系曲線(圖3b)，經(jīng)實驗驗證，閾電壓為200 V時，50～200 V為復(fù)合區(qū)，200 V以后進入飽和區(qū)。該實驗可以看出，一定條件下，脈沖高度隨著電壓增大而增大，這是因為復(fù)合損失隨電壓升高而減小，繼續(xù)增大電壓時復(fù)合逐漸消失，電流趨向飽和，此時達到探測器的飽和區(qū)。探測器的飽和電壓低，飽和區(qū)域大，斜率小，表明探測器性能優(yōu)良。

a——陽極電壓；b——陰極電壓

4.4 分辨率測試

不同氣壓下沉到陰極和陽極1上的能量列于表2。采用α源模擬計算(SRIM2008和SRIM2013)，在氣壓100 hPa時，陰極板和陽極板沉積的能量相當(dāng)于低能量重離子沉積的能量，模擬的能量與真實實驗測量的離子能量相近。

表2 不同氣壓下沉積到各個極板上的能量

測量5.48 MeV的α粒子的分辨率。氣壓設(shè)定為100 hPa，柵極電壓為0 V時，得到陽極1和陰極的分辨率隨電壓(例如：陽極電壓a和陰極電壓-a，改變|a|)變化曲線示于圖4。從圖4結(jié)果中可以看出，陽極1電壓在160 V和350 V時皆有能量分辨率的極值點，陰極電壓在350 V時有能量分辨率的極小值，陽極1電壓極值點和陰極電壓極值點取交集，得到350 V是最佳電壓，此外從坪曲線上看，160 V不在坪曲線區(qū)域內(nèi)，350 V為測得的最佳分辨率。

將電壓設(shè)定為350 V最佳電壓值時，通過數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)分別測量陽極1和陰極α粒子的分辨率以及雙維譜，如圖5～6所示，陽極1和陰極都測得較好的分辨率，陽極1為10.55%，陰極為9.43%，同時獲得了清晰的雙維譜，測量結(jié)果表明該探測器有較高的分辨率，性能優(yōu)良，滿足使用需求。

圖4 不同電壓下陽極1和陰極的分辨率

圖5 陽極1(a)與陰極(b)的能譜

圖6 雙維譜

5 在束應(yīng)用

該探測器在中國原子能科學(xué)研究院自主研制且具有自主產(chǎn)權(quán)的300 kV小型化AMS系統(tǒng)上進行步實驗，電荷態(tài)為2+時的離子鑒別，對于129I測量時選取2+電荷態(tài)，129I與電荷之比為63.5，此時可能伴隨129I的離子主要是63Cu。此時129I2+的粒子能量為0.9 MeV，63Cu1+的能量為0.45 MeV，因此只要從能量上測定即可將不同粒子區(qū)分開。圖7為129I/127I比值為3.75×10-11和2.7×10-13的探測器測量譜，可以看出利用探測器可以很好實現(xiàn)不同粒子的鑒別，實現(xiàn)了對129I的高效高靈敏測量，該探測器對129I的測量靈敏度達到了10-13國際水平[12]，同時系統(tǒng)傳輸效率達到50%，有效排除了各種干擾本底，成功實現(xiàn)了對低能量重核素的測量。

a——129I/127I=3.72×10-11；b——129I/127I=2.7×10-13

6 結(jié)論

該種氣體探測器氣密性良好，具有較長的工作坪區(qū)，較小的坪斜，可在200～450 V高壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。模擬計算、調(diào)試以及在束應(yīng)用結(jié)果表明，采用厚50 nm、面積8 mm×8 mm的極薄 Si3N4膜作為探測器入射窗的氣體探測器，滿足對低能量重離子的測量要求，其應(yīng)用效果顯著，完成了鈹窗和Mylar膜窗不能完成的工作，取得了良好的應(yīng)用效果，為低能重離子探測技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。