【導(dǎo)讀】射的監(jiān)測(cè)器卻很少。本文介紹了一種高性能的高氣壓氬氣電離室環(huán)境。材的選取直接決定著監(jiān)測(cè)器性能的好壞。材能量響應(yīng)曲線的工程圖表，以確定具體的工作氣體及壁材。這樣使得監(jiān)測(cè)器的研制比較耗費(fèi)人力物力。代替試驗(yàn)的過程，從而選取合適的工作氣體及壁材。案很好地實(shí)現(xiàn)了電離室的絕緣。另外介紹了用I／F直接變換的電路以達(dá)到信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由作者本人獨(dú)立完成的。引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律。結(jié)果由本人承擔(dān)。廠年上月2，尹日。自古以來，地球上的生命便暴露于自然環(huán)境的輻射中。輻射大致可以分為非電離輻射及電離輻射兩類。相反，電離輻射有足夠的能量使原子中的電。子游離而產(chǎn)生帶電離子。這個(gè)電離過程通常會(huì)引致生物組織產(chǎn)生化。學(xué)變化，因而對(duì)生物構(gòu)成傷害。輻射的分類可見圖1．1

　　

【正文】 子 又被酒精分子強(qiáng)烈地吸收。由于加充的酒精量很多，所以氬離子幾乎 全部還原。最后到達(dá)陰極的實(shí)際上都是酒精離子。后者在陰極上打出 次級(jí)電子的幾率很小，主要是從陰極上獲得電子而中和，同時(shí)受激變 成激 發(fā)態(tài)分子。激發(fā)能通過自身離解而放出。因此不會(huì)再發(fā)生第二次 放電，計(jì)數(shù)管自持放電得到淬滅。 b鹵素淬滅機(jī)制 與有機(jī)淬滅機(jī)制基本相同，兩者之間只略有差 異。鹵素管的工作氣體一般是在主氣體氖中加入 0． 5％左右的溴氣。 Ne的電離電位為 21． 6eV，它在 16． 5eV處有一亞穩(wěn)態(tài)，因此在電離過 程中有相當(dāng)一部分氖處于亞穩(wěn)態(tài)，而 Br。的電離電位為 12． 8eV，它與 亞穩(wěn)態(tài)氖碰撞也可被電離。 Br。與 Ne+碰撞發(fā)生電荷交換，最后到達(dá)陰 極的是溴離子。溴離子在陰極表面上的作用也是發(fā)生離解而不會(huì)打出 電于。與有機(jī)分子不同的是 ，離解后的溴原子會(huì)重新復(fù)合成溴分子。 因此，管內(nèi)所含的溴分子雖少，但其壽命卻比有機(jī)管長得多。 蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管輸出脈沖的特點(diǎn)： I氣體放大倍數(shù) M大，輸出脈沖幅度可達(dá) lv以上，而且與入射粒 子的種類和能量無關(guān)。 11分辨時(shí)間由正離子的整個(gè)漂移時(shí)間決定，約 100— 300“ S。 Ⅲ氣體放大區(qū)域占滿整個(gè)陽極絲區(qū)，形成正離子鞘，電場(chǎng)減弱， 使得在電場(chǎng)恢復(fù)之前即使有入射粒于射入，也不會(huì)形成雪崩再生。 Ⅳ由于淬滅不完全，在入射粒子產(chǎn)生的脈沖過后出現(xiàn)假脈沖的幾 率隨工作電壓增大而加大。因此坪長短，坪斜大。有機(jī)管的坪長一般 在 200— 300V之間，坪斜 (5一 10)％／ lOOV。 哈爾濱二 r程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2． )蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管構(gòu)造 通常用于 T射線探測(cè)的蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管稱為 T計(jì)數(shù)管。其結(jié) 構(gòu)如圖 3． 8。 圖 3． 8 Y計(jì)數(shù)管結(jié)構(gòu)圖 中央陽極是鎢絲，直徑為 O． 07一 O． 09mm。絲的端部外罩有玻璃套 管，確定了計(jì)數(shù)管的靈敏體積。管的外殼通常是玻璃管，內(nèi)壁襯有銅 皮、不銹鋼或其他金屬皮作陰極或直接在玻璃殼內(nèi)壁噴涂一層鎢粉、 石墨或氯化亞錫等導(dǎo)電材料作陰極。 3． 2． 2閃爍體探測(cè)器 1．閃爍體探測(cè)器的構(gòu)成 閃爍體探測(cè)器是利用某些物質(zhì)在核輻射的作用下會(huì)發(fā)光的特性探 測(cè)核輻射的，這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。光電器件將微弱的閃 爍光轉(zhuǎn)變成光電子，光電子經(jīng)過多次倍增放大后，輸出一個(gè)電脈沖， 這種裝置叫做閃爍體探測(cè)器。 閃爍體探測(cè)器的主要組成部分有閃爍體、光學(xué)收集系統(tǒng)、光電倍 增管 (或其他光電器件 )以及給電倍增管各電極供電的分壓器。它們被 封閉在一個(gè)不透光的外殼內(nèi)，統(tǒng)稱為探頭。結(jié)構(gòu)如圖 3． 9 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 r I i I ： 1 b l一反射層 2一閃爍體 3一硅油 4一光導(dǎo) 5一光電倍增管 6一分壓器 7一電信 號(hào)記錄儀器 8～高壓電源 圖 3． 9閃爍體探測(cè)器組成示意圖 2．閃爍體探測(cè)器的工作原理 閃爍體探測(cè)器的工作原理為：核輻射進(jìn)入閃爍體中，使原子 (或分 子 )激發(fā)，受激原子在退激過程中發(fā)光。光子穿過閃爍體、光導(dǎo)，一部 分到達(dá)光電倍增管的光陰極，在光陰極上打出光電子，被光電倍增管 的第一倍增極收集的光電子經(jīng)過光電倍增管各倍增極的倍增 (或稱放 大 )，便產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)”“。閃爍探測(cè)器的工作過程，也就是入 射拉子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娒}沖的過程?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè)階段： (1)粒 子進(jìn)入閃爍體內(nèi)，使閃爍體的原子或分子激發(fā)電離，粒子 損失能量。 (2)受激的或者電離后又復(fù)合而處在激發(fā)態(tài)的原子和分子在退激 過程中大部分發(fā)射光子，這是對(duì)探測(cè)有用的，另一部分不發(fā)射光子， 而是將能量轉(zhuǎn)化為晶格震動(dòng)或熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，這部分能量對(duì)探測(cè)沒有 用。設(shè)轉(zhuǎn)化為光子的能量轉(zhuǎn)換效率為 C**，光子的平均能量為 hv，則閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)為 光子： — E— K— 1_C— 齜 一 光子 2— i廠 (317)( 式中 K，一一入射粒子在閃爍體內(nèi)的能量損失份額 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)侮論文 (3)光子產(chǎn)生后一部 分穿過閃爍體和光導(dǎo)到達(dá)光電信增管光陰極 上，另一部分會(huì)被吸收成散射而不能到達(dá)光陰極。設(shè)閃爍體的透明度 為 T(定義為物質(zhì)對(duì)光不吸收的概率 )，光陰極的收集因子為 G(G又稱 為收集效率 )，則到達(dá)光陰極的光子數(shù)目 n纛 +為 ” 0； =咒 *旱 TG (3— 18) (4)光陰極將光子轉(zhuǎn)換為光電子。設(shè)光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率為 C m自，則光陰極發(fā)射的光電子數(shù)目為 n電子 =聹光子 C光皂 (319) 若光電子從光陰極到倍增系統(tǒng)的第一倍增極 (倍增極又稱為打拿極 )的 傳輸系數(shù)為 K。，則至 q達(dá)第一倍增極的光電子數(shù) n’電子為； 以電于 =胛 光子 10光電 K2 (320) (5)光電子經(jīng)各倍增極倍增，最后被陽極收集形成電脈沖。 3． 3各種 T射線監(jiān)測(cè)器的比較 對(duì)于這三種探測(cè)器用于測(cè)量環(huán)境 T射線各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。電離室 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢靠，幾何形狀可做成各種各樣，對(duì)于環(huán)境 T射線場(chǎng)可 以把電離室做成球形，這樣對(duì)可以使得探測(cè)器的角響應(yīng)比較好。由于 處于飽和區(qū)，沒有其它復(fù)雜的電離過程，因而工作的性能穩(wěn)定可靠， 同時(shí)飽和區(qū)的電壓范圍一般比較廣，因此對(duì)電離室的高壓電源要求并 不很嚴(yán)格。但是電離室不對(duì)所產(chǎn)生的電流放大，所以產(chǎn)生的電流非常 弱，一般需要靈敏的 電流計(jì)才能測(cè)出，這樣對(duì)后續(xù)的放大電路要求比 較嚴(yán)格。同時(shí)也是因?yàn)槠洚a(chǎn)生的電流非常弱，微弱的漏電都會(huì)對(duì)測(cè)量 產(chǎn)生較大的影響，所以電離室的漏電保護(hù)要求嚴(yán)格。 蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單因而制作簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。氣 體放大倍數(shù) M大，輸出脈沖幅度可達(dá) lv以上，可以不經(jīng)放大直接被記 錄。但是蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管工作于蓋革一彌勒區(qū)，要求的電壓比較高， 同時(shí)這一區(qū)的坪長短，坪斜大，所以要求高壓電源穩(wěn)定性好，在這區(qū) 域會(huì)形成 j下離子鞘，電場(chǎng)減弱，使得在電場(chǎng)恢復(fù)之前即使有入射粒子 射入，也不會(huì)形成雪崩再生，造成漏計(jì)數(shù)。蓋革一彌 勒計(jì)數(shù)管對(duì)粒子 哈爾濱上程大學(xué)碩士學(xué)位論文 的種類和能量不敏感，只要有一個(gè)粒子在管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，就產(chǎn)生很強(qiáng) 的一個(gè)脈沖，因此蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管在粒子計(jì)數(shù)方面應(yīng)用很多，但是 對(duì)于劑量監(jiān)測(cè)卻較為困難。由于在蓋革一彌勒區(qū)工作需要在單位距離 上產(chǎn)生很大的電壓差，所以這一類的探測(cè)器基本上都是管狀且直徑不 會(huì)很大，使得探測(cè)器的靈敏體積較小。另外蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管為了減 少粒子復(fù)合的幾率，所充氣體的壓力一般是負(fù)壓，這樣就使得蓋革一 彌勒計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率降低。 對(duì)于閃爍體探測(cè)器，它對(duì)環(huán)境 T射線場(chǎng)的探測(cè)很大程度上由探 頭 的成分及光電倍增管的性能所決定。測(cè)量 T射線閃爍體探測(cè)器的探頭 使用最廣泛的是 NaI(T1)閃爍體。 NaI(T1)閃爍體的主要優(yōu)點(diǎn)是密廢 大，原于序數(shù)高，對(duì) T射線的阻止本領(lǐng)大，因而探測(cè)效率高。另外它 的發(fā)光效率高，閃爍衰減的時(shí)間短，約 230nS，對(duì)自身的閃爍光不產(chǎn) 生自吸收，因此可以做成大塊的閃爍體。而且產(chǎn)生的光譜能跟光電倍 增管很好的配合。能制成很大尺寸的單晶和多晶，并易于加工成各種 形狀。但是 NaI(T1)閃爍體發(fā)光效率對(duì) T射線的能量響應(yīng)不是很理 想，當(dāng) T射線的能量小于 150KEY時(shí) NaI(T1)的能 量響應(yīng)較大，而當(dāng) 當(dāng) T射線的能量小于 150KEY時(shí) NaI(T1)的能量響應(yīng)才比較接近線性。 而且 NaI(T1)閃爍體有發(fā)光效率的溫度效應(yīng)。溫度每變化 1℃時(shí)，在 一40一一 10℃之間發(fā)光效率變化 1％，在一 10一 0℃之間為 (0． 5一 O． 7)％， 在 O一 10℃之間為 0． 3％， 20一 50℃之間可以忽略， 50— 120℃之間為 一 0． 2％。而且 NaI(T1)閃爍體容易潮解，因此使用時(shí)須密封，一旦有 了黃色斑點(diǎn)或塊，就是已發(fā)生潮解，使得性能變壞或不能使用。再有 是光電倍增管對(duì)閃爍體探測(cè)器探測(cè)器也有很大的影響，供給光電倍 增 管的高壓電源，從陰極至陽極必須是遞增的，否則影響光電倍增管的 放大特性。而且光電倍增管對(duì)光屏蔽和電感屏蔽的要求也比較嚴(yán)。再 有是溫度對(duì)光電倍增管的影響很大，因?yàn)閹缀跛泄怆姳对龉芏蓟蚨? 或少含有過量堿金屬，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)將發(fā)生重新沉積，而使管 子暗電流增加，穩(wěn)定性變壞、靈敏度降低。而且溫度的降低也同樣影 響光電倍增光的性能，這是由于光陰極的電阻率隨溫度的降低而增大， 導(dǎo)致靈敏度減小。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 從這幾種探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)比較，結(jié)合環(huán)境 T射線輻射場(chǎng)的特點(diǎn)本 文選定電離室探測(cè) 器作為設(shè)計(jì)的原型，并通過提高電離室的氣壓以增 大電離室產(chǎn)生的電流使其能更好的對(duì)環(huán)境 T射線輻射場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 3． 4本章小結(jié) 本章介紹了 T射線探測(cè)原理和用于環(huán)境 T射線監(jiān)測(cè)的各種探測(cè) 器，并比較了他們的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選取了電離室探測(cè)器作為設(shè)計(jì)的原 型。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4章高氣壓電離窒的設(shè)計(jì) 高氣壓電離室由探頭和放大電路兩部分組成。兩部分的設(shè)計(jì)都關(guān) 系著電離室的性能好壞，因此對(duì)于探頭和放大電路的設(shè)計(jì)都必須認(rèn)真 考慮。 4． 1高氣壓電離室探頭的設(shè)計(jì) 高氣壓電離室探頭 的設(shè)計(jì)主要有以下的設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1．高氣壓電離 室的形狀確定 2．氣體選擇 3．氣壓選擇 4．壁材料選擇 5．壁厚確 定 6．探頭大小的確定 7．高氣壓電離室的機(jī)械結(jié)構(gòu)等。 對(duì)于高氣壓電離室探頭的設(shè)計(jì)，探頭的靈敏度及其能量響應(yīng)是衡 量其性能好壞的重要依據(jù)。電離室的靈敏度以單位強(qiáng)度的射線輻照下 輸出的電離電流來量度的。靈敏度與輻射的能量有關(guān)，它隨能量的變 化稱為能量響應(yīng)。而電離室靈敏度及其能量響應(yīng)則主要是由電離室的 工作氣體及電離室的壁材決定的。 在一般的電離室設(shè)計(jì)中，工作氣體及電離室的壁材的選取通常都 是通過查閱相關(guān) 的氣體及材料的能量響應(yīng)曲線以確定所需要的氣體及 壁材。如果沒有相關(guān)的圖表，則需要通過實(shí)驗(yàn)確定其相關(guān)的曲線，這 樣就使得對(duì)于某一探測(cè)器的設(shè)計(jì)投入得太大了。為了節(jié)省人力物力， 本文通過利用核物理數(shù)值計(jì)算軟件仿真作出相關(guān)的曲線來代替用實(shí)驗(yàn) 實(shí)現(xiàn)的方法，從而節(jié)省了時(shí)間，也節(jié)省了人力物力。 4． 1． 1計(jì)算程序 為了達(dá)到數(shù)值仿真代替實(shí)驗(yàn)，本文利用了 MCNP一 4A程序和 EGSnrc 程序?qū)Σ煌墓ぷ鳉怏w，不同的壁材進(jìn)行了模擬方針。并建立了相關(guān) 的模型確定其他影響探測(cè)器性能的因素。 哈爾濱工程火學(xué)碩士學(xué) 位論文 1 EGS程序 EGS程序是 1985年由美國斯坦福直線加速器中心 (SLAC)、 R本 高能物理國家實(shí)驗(yàn)室 (KEK)和加拿大國家研究所 (NRCC)聯(lián)合推出了 一套模擬電子和光子在物質(zhì)中輸運(yùn)過程的通用 Mc計(jì)算程序系統(tǒng) EGS4 (Electron— Gamma— shower， Versi015 4)，并在 1986年發(fā)表。 EGS4是 揭示電子和光子在物質(zhì)中輸運(yùn)規(guī)律的有力而且方便的理論分析及模擬 研究工具。由于其應(yīng)用靈活性和通用性而被廣泛應(yīng)用于高能物理、低 能物理和醫(yī)學(xué)物理。 EGS4計(jì)算程序的特點(diǎn)： 1． )元素和介質(zhì)材料齊全：該程序可提供 lOO種元素的截面數(shù)據(jù)， 能完成電子和光子在前 100號(hào)元素組成的任何物質(zhì) (單質(zhì)、化合物或 混合物 )中的輸運(yùn)過程模擬。 2． )能量范圍廣泛：帶電粒子的動(dòng)能范圍從幾十 KeV到幾千 GeV， 光子能量范圍可從 1KeV到幾千 GeV。 3． )帶電粒子和光子的輸運(yùn)采用隨機(jī)游動(dòng)方式進(jìn)行。 4． )涉及的物理過程比較全面：包括了電子的軔致輻射、電子對(duì) 的湮滅、 Moliere多次散射、碰撞能量損失、 d射線的產(chǎn)生 (Bhabha(e+e一 ) 和 MF ller(e— e一 ))，以及光子的對(duì)產(chǎn)生、 康普頓散射、光電效應(yīng)和瑞 利 (Rayleigh)散射。 用 EGS4進(jìn)行模擬計(jì)算，用戶至少要編寫一個(gè)主程序 (MAIN)、一 個(gè)幾何關(guān)系處理子程序 (HOWFAR)和一個(gè)記錄結(jié)果子程序 (AUSGAB)。 其執(zhí)行過程如下： 用戶在主程序中首先對(duì)一些變量進(jìn)行必要的初始化和其它一些必 要的操作，然后調(diào)用 EGS4系統(tǒng)子程序 (HATCH)從介質(zhì)數(shù)據(jù)文件中讀 取截面數(shù)據(jù)和必要的參數(shù)，并做必要的處理，最后再調(diào)用 EGS4的粒子 跟蹤程序 (SHOWER)，完成一個(gè)或多個(gè)粒子歷程的跟蹤。在 SHOWER的 執(zhí)行過程中， EGS4要頻繁 調(diào)用用戶寫的 HOWFAR和 AUSGAB子程序以完 成粒子空間幾何關(guān)系的處理和結(jié)果的記錄。調(diào)用方式如圖 4． 1。 哈爾濱 T程大學(xué)碩士學(xué)位論文