PIPS-低本底α、β測(cè)量影響因素的研究

程 梟,劉 沖

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

低本底α、β測(cè)量?jī)x作為檢測(cè)低濃度α、β的一種必不可少的常規(guī)測(cè)量手段，具有靈敏度高、本底低及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各方面的弱α、β放射性測(cè)量。鈍化離子注入平面硅型PIPS半導(dǎo)體探測(cè)器的晶體表面采取了離子注入鈍化處理技術(shù)，對(duì)α、β粒子響應(yīng)好，同時(shí)環(huán)境γ影響小，且可擦拭、靈敏層薄、輸出脈沖信號(hào)快，是目前低本底α、β活度分析的發(fā)展方向[1]。探測(cè)器兩端的反向偏壓、探測(cè)器與放射源之間距離及探測(cè)環(huán)境中真空度會(huì)對(duì)PIPS探測(cè)器的探測(cè)性能產(chǎn)生影響[2]。為研究偏壓、源距和真空度對(duì)PIPS探測(cè)器在低本底α、β測(cè)量中的影響程度，本文在其他因素條件不變的情況下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，分別通過(guò)單獨(dú)改變偏壓、源距及真空度，研究偏壓、源距和真空度對(duì)測(cè)量的影響。

1 α、β測(cè)量分析原理

放射源產(chǎn)生的粒子會(huì)入射到PIPS探測(cè)器中，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在探測(cè)器兩端施加一定的偏置電壓，產(chǎn)生的電子和空穴會(huì)在電場(chǎng)的作用下分別向兩極漂移，在回路中形成電信號(hào)，電信號(hào)先后通過(guò)前置放大器和多道分析器后輸出到計(jì)算機(jī)上，獲得能譜圖[3]。

不同能量的放射源產(chǎn)生的脈沖幅度大小具有線(xiàn)性關(guān)系，因此在低本底α、β測(cè)量?jī)x進(jìn)行α、β測(cè)量時(shí)，能量與道址成線(xiàn)性關(guān)系[4]。已知239Pu平面源的最大能量值為5.155 MeV，241Am平面源的最大能量值為5.486 MeV[5]，根據(jù)測(cè)得的兩α平面源的峰頂?shù)乐?，結(jié)合已知條件代入下式可以得到能量與道址的線(xiàn)性關(guān)系。

E=a×m+b

(1)

式中：E——能量值；m——峰頂對(duì)應(yīng)道址。

在α與β粒子的區(qū)分中，一般認(rèn)為能量大于3MeV的為α粒子，能量小于2.2MeV的為β粒子[6]。可以得出不同條件下能量與道址的線(xiàn)性關(guān)系，取平均值確定低本底α、β測(cè)量?jī)x的α道與β道的區(qū)間，用于分析低本底α、β測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果。

用各試驗(yàn)的本底計(jì)數(shù)率、探測(cè)效率以及串道比的極差與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11682—2008《低本底α和/或β測(cè)量?jī)x》中儀器分級(jí)的Ⅰ級(jí)到Ⅲ級(jí)差值的比值來(lái)表示該影響因素對(duì)各指標(biāo)的影響程度。α本底計(jì)數(shù)率的儀器分級(jí)差值為0.9 計(jì)數(shù)·cm2/h，β本底計(jì)數(shù)率的儀器分級(jí)差值為0.9 計(jì)數(shù)·cm2/h，α和β的探測(cè)效率的儀器分級(jí)差值為20%，若比值大于0.1，α射線(xiàn)對(duì)β道的串道比的儀器分級(jí)差值為4%，β射線(xiàn)對(duì)α道的串道比的儀器分級(jí)差值為1%。因?yàn)楸戎敌∮?.1時(shí)，所有指標(biāo)都不會(huì)從Ⅰ級(jí)儀器變化為Ⅲ級(jí)儀器，因此若比值大于0.1，則認(rèn)為該因素對(duì)此指標(biāo)有一定影響，小于0.1則認(rèn)為太大的影響。

2 試驗(yàn)方案

決定低本底α、β測(cè)量?jī)x性能的最重要的指標(biāo)是本底計(jì)數(shù)率、探測(cè)效率和串道比[7]，本試驗(yàn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11682—2008《低本底α和/或β測(cè)量?jī)x》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)采用自制的PIPS-低本底α、β測(cè)量系統(tǒng)，其中PIPS探測(cè)器型號(hào)為HPL-AB20-R14，直徑20mm，耗盡層為300nm，用于試驗(yàn)的放射源信息如表1所示。

表1 放射源信息Table 1 Radioactive source information

2.1 偏壓試驗(yàn)

在探究偏置電壓對(duì)低本底α和β測(cè)量?jī)x器性能的影響時(shí)，在測(cè)量室內(nèi)放置放射源、PIPS探測(cè)器和前置放大器，在測(cè)量位置放置239Pu、241Am和90Sr平面源。在大氣壓環(huán)境下進(jìn)行α、β測(cè)量;在測(cè)量位置放置一個(gè)沒(méi)有放射源的空樣品盤(pán)，并在大氣壓環(huán)境下進(jìn)行本底測(cè)量。受探測(cè)器自身性能的影響，本試驗(yàn)選取7 組不同的偏置電壓，分別為10、20、30、40、50、60、70 V，其他測(cè)量條件保持不變。在相同的偏置電壓條件下，分別進(jìn)行α、β和本底測(cè)量。本底測(cè)量時(shí)間為24 h；α的每次測(cè)量累計(jì)計(jì)數(shù)不少于1 000 次，每次測(cè)量10 次；每次測(cè)量β的累積計(jì)數(shù)不小于1 000，測(cè)量10 次[4]。

2.2 源距試驗(yàn)

在探討探測(cè)器與放射源之間的距離對(duì)低本底α、β測(cè)量?jī)x性能的影響時(shí)，采用同偏置試驗(yàn)的方式，在大氣壓下進(jìn)行α、β和本底測(cè)量。利用自制的距離調(diào)節(jié)裝置，調(diào)整探測(cè)器的位置，改變探測(cè)器與放射源之間的距離。

由于受探測(cè)器、放大器結(jié)構(gòu)和測(cè)量室大小的影響，本試驗(yàn)選擇了5組不同的源距進(jìn)行測(cè)試，分別為1、3、5、7、9 mm，該源距指PIPS探測(cè)器邊緣到放射源之間的距離。在相同的源距下，分別進(jìn)行α、β和本底測(cè)量。本底測(cè)量時(shí)間為24 h；α的每次測(cè)量累計(jì)計(jì)數(shù)不少于1 000 次，每次測(cè)量10 次；每次測(cè)量β的累積計(jì)數(shù)不小于1 000，測(cè)量10 次。

2.3 真空度試驗(yàn)

在探索真空對(duì)低本底α、β測(cè)量?jī)x器性能的影響時(shí)，需要進(jìn)行α、β和本底測(cè)量。用真空調(diào)節(jié)閥連接測(cè)量室和真空泵，調(diào)節(jié)測(cè)量室的真空度。安裝在測(cè)量室內(nèi)的絕對(duì)氣壓計(jì)可以檢測(cè)測(cè)量室內(nèi)的真空度。顯示的真空度值越小，真空效果越好，反之亦然。

為了保證可靠的測(cè)試結(jié)果，需要在測(cè)試前對(duì)前置放大器的放大倍數(shù)、多通道分析儀的閾值以及探測(cè)器與放射源的距離進(jìn)行調(diào)整。源距調(diào)整到約1 mm，使α和β都可以有效地計(jì)數(shù)，并在開(kāi)始真空測(cè)試前保持此測(cè)試條件不變。試驗(yàn)過(guò)程中，打開(kāi)真空泵，調(diào)節(jié)真空調(diào)節(jié)閥，使測(cè)量室內(nèi)的真空度在0～100 kPa范圍內(nèi)變化。選擇7組不同的真空條件進(jìn)行測(cè)試，分別為1、10、30、50、70、90、95 kPa。調(diào)整壓力穩(wěn)定后，在相同的真空條件下進(jìn)行α，β和本底測(cè)量。本底測(cè)量時(shí)間為24 h；α的每次測(cè)量累計(jì)計(jì)數(shù)不少于1 000 次，每次測(cè)量10 次；每次測(cè)量β的累積計(jì)數(shù)不小于1 000，測(cè)量10 次。

3 結(jié)果與分析

3.1 偏壓試驗(yàn)結(jié)果

1)偏壓與道址

根據(jù)偏置電壓試驗(yàn)結(jié)果可知，改變偏置電壓會(huì)改變?chǔ)练派湓?39Pu的峰頂?shù)乐?。?duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖1所示。

圖1 探源距試驗(yàn)239Pu峰頂?shù)乐稦ig.1 The 239Pu peak road site of the source distance test

從圖1可以看出，隨著探測(cè)器工作偏壓的逐漸增大，會(huì)導(dǎo)致α放射源的峰值道址發(fā)生偏移，并逐漸增大。從10 V到20 V變化大，從20 V到70 V變化小。這是因?yàn)楫?dāng)PIPS半導(dǎo)體探測(cè)器的工作壓發(fā)生變化時(shí)，PN結(jié)電容的寬度也隨之變化，從而使結(jié)區(qū)域內(nèi)的電荷量也發(fā)生變化，峰頂?shù)乐芬搽S著偏壓的變化而改變[6]。根據(jù)測(cè)量分析原理中的方法，可以確定用于偏壓試驗(yàn)的低本底α、β測(cè)量?jī)x的α通道和β通道的道址區(qū)間。

偏壓試驗(yàn)中10、20、30、40、50、60、70 V的α道與β道址區(qū)間如圖2所示。圖中239Pu的α能譜圖在峰位的左邊有很明顯的傾斜的主要原因是粒子通過(guò)在源和探測(cè)器之間的介質(zhì)，造成了能量損失。峰位是通過(guò)導(dǎo)出α能譜的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接找出的。

圖2 偏壓試驗(yàn)10、20、30、40、50、60、70 V α、β道址區(qū)間Fig.2 Bias voltage test 10、20、30、40、50、60、70 V α, β road site interval

2) 偏壓試驗(yàn)性能結(jié)果

不同偏壓條件下低本底α、β測(cè)量?jī)x的α、β的探測(cè)效率測(cè)量分析結(jié)果如表2所示。

由表2的數(shù)據(jù)可以得到：

表2 偏壓試驗(yàn)性能結(jié)果Table 2 Bias test performance results

α本底計(jì)數(shù)率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為1.067，β本底計(jì)數(shù)率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.401?？梢钥闯?，10～70 V的偏壓對(duì)α本底計(jì)數(shù)率的影響程度較大，偏壓的增加會(huì)逐漸降低α本底計(jì)數(shù)率；10～70 V的偏壓對(duì)β本底計(jì)數(shù)率影響程度相對(duì)較小，偏壓增大會(huì)逐漸增加β本底計(jì)數(shù)率。

α探測(cè)效率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.055，β探測(cè)效率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.088?？梢钥闯?，10～70 V的偏壓對(duì)α探測(cè)效率和β探測(cè)效率沒(méi)有影響。但由上表可以看出偏壓從10 V到20 V時(shí)，β探測(cè)效率增加的較為明顯。

α串β道的串道比的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.100，β串α道的串道比的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.140?？梢钥闯?，10～70 V的偏壓對(duì)α串β道的串道比的幾乎沒(méi)有影響，但偏壓從10 V到20 V時(shí)，α串β道的串道比減小較為明顯；10～70 V的偏壓對(duì)β串α道的串道比的影響程度也較小，增大偏壓會(huì)使β串α道的串道比逐漸增大。

3.2 源距試驗(yàn)結(jié)果

1)源距與道址

根據(jù)源距試驗(yàn)結(jié)果可知，改變?cè)淳鄷?huì)改變?chǔ)练派湓?39Pu的峰頂?shù)乐?。?duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖3所示。

圖3 源距試驗(yàn)239Pu峰頂?shù)乐稦ig.3 Source distance test 239Pu peak road site

從圖3中可以看出，隨著探測(cè)器與放射源距離的逐漸增加，會(huì)導(dǎo)致α放射源的峰值道址發(fā)生偏移并變小。由于調(diào)整放射源與探測(cè)器邊緣的距離是人為手動(dòng)進(jìn)行的，存在一定的誤差，導(dǎo)致源距試驗(yàn)中峰頂?shù)乐放c源距的的線(xiàn)性關(guān)系較差。

2)源距試驗(yàn)性能結(jié)果

不同源距條件下低本底α、β測(cè)量?jī)x的α、β的探測(cè)效率測(cè)量分析結(jié)果如表3所示。

由表3的數(shù)據(jù)可以得到：α本底計(jì)數(shù)率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為1.056，β本底計(jì)數(shù)率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.268?？梢钥闯?，源距對(duì)α本底計(jì)數(shù)率的影響較大，增大源距會(huì)增加α本底計(jì)數(shù)率；源距對(duì)β本底計(jì)數(shù)率的影響相對(duì)較小，增大源距也會(huì)增加β本底計(jì)數(shù)率。

表3 源距試驗(yàn)性能結(jié)果Table 3 Source distance test performance results

α探測(cè)效率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為2.593，β探測(cè)效率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.479?？梢钥闯?，源距對(duì)α探測(cè)效率有很大的影響，增大源距會(huì)降低α探測(cè)效率；源距對(duì)β探測(cè)效率的影響相對(duì)較小，增大源距會(huì)降低β探測(cè)效率。

α串β道的串道比的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.130，β串α道的串道比的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.100?？梢钥闯觯淳鄬?duì)α串β道的串道比的影響較小，增大源距會(huì)增大α串β道的串道比；源距對(duì)β串α道的串道比沒(méi)有影響。

3.3 真空度試驗(yàn)結(jié)果

1)真空度與道址

根據(jù)真空度試驗(yàn)結(jié)果可知，改變真空度會(huì)改變?chǔ)练派湓?39Pu的峰頂?shù)乐?。?duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖4所示。

圖4 真空試驗(yàn)的239Pu峰頂?shù)乐稦ig.4 The 239Pu peak road site of the vacuum test

由圖4可見(jiàn)，隨著真空度的逐漸增加，α放射源的峰頂?shù)乐窌?huì)發(fā)生偏移并變小。

2)真空度試驗(yàn)性能結(jié)果

不同真空度條件下低本底α、β測(cè)量?jī)x的α、β的探測(cè)效率測(cè)量分析結(jié)果如表4所示。

表4 真空度試驗(yàn)性能結(jié)果Table 4 Performance results of vacuum test

由表4的數(shù)據(jù)可以得到：

α本底計(jì)數(shù)率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.822，β本底計(jì)數(shù)率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.216?？梢钥闯?，真空度對(duì)α本底計(jì)數(shù)率的影響較大，真空度的增大會(huì)降低α本底計(jì)數(shù)率；真空度對(duì)β本底計(jì)數(shù)率的影響相對(duì)較小，真空度的增加整體上會(huì)使β本底計(jì)數(shù)率減小。

α探測(cè)效率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.188，β探測(cè)效率的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.054?？梢钥闯觯婵斩葘?duì)α探測(cè)效率的影響不大，這是由于α道的范圍較寬，所以α探測(cè)效率的變化趨勢(shì)表現(xiàn)不明顯。真空度增大會(huì)降低α探測(cè)效率；真空度對(duì)β探測(cè)效率沒(méi)有影響。

α串β的串道比的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.048，β串α的串道比的極差與儀器分級(jí)差值的比值為0.040?？梢钥闯觯婵斩葘?duì)α串β的串道比和β串α的串道比均為影響。但真空度從1 kPa變化到95 kPa時(shí)，測(cè)量的239Pu譜線(xiàn)存在明顯拖尾越來(lái)越嚴(yán)重現(xiàn)象，但因?yàn)棣恋赖姆秶^寬，所以α串β的串道比的變化不明顯。

4 結(jié) 論

本文按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，研究了影響PIPS-低本底α、β測(cè)量?jī)x性能的影響因素，分析了偏置電壓、源距和真空度對(duì)測(cè)量?jī)x性能的影響。從測(cè)試結(jié)果可以看出：1)改變偏置電壓、源距和真空會(huì)改變峰頂?shù)乐返奈恢谩?)偏置電壓、源距和真空度是PIPS-低本底α和β測(cè)量?jī)x的影響因素。偏置電壓和源距的影響較小，源距的影響最大，特別是在探測(cè)效率方面。3)由各試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，偏差電壓、源距離和真空度對(duì)α本底計(jì)數(shù)率的影響均較大，這是因?yàn)棣帘镜子?jì)數(shù)率本來(lái)就很小，所以很小的波動(dòng)會(huì)對(duì)它產(chǎn)生較大的影響。

低本底α、β測(cè)量?jī)x廣泛應(yīng)用在環(huán)境樣品、氣體樣品、進(jìn)出口商品、水樣品等弱α、β樣品的放射性的檢測(cè)。在進(jìn)行PIPS-低本底α、β測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)時(shí)，可以按照實(shí)際需要通過(guò)改變偏壓、源距和測(cè)量環(huán)境的真空度達(dá)到改善儀器性能的目的。