高气压充氙电离室电极结构的优化设计研究

　　电离室型探测器由于其价格低廉、性能稳定和电子学设备简单,一直在环境监测、医学监测、工业检测等领域广泛应用。电离室型探测器有两种工作方式:电流工作方式和脉冲工作方式。大多数电离室以电流方式工作,通过测量电离室内离子的平均生成率从而实现总计数测量;而脉冲方式工作的电离室可实现能谱测量,入射在这种电离室灵敏体积内的粒子产生一个可区分的信号脉冲,通过探测器合理的“电荷灵敏”结构和电路可实现快速、高分辨率的γ能谱测量[1]。常用的电离室型能谱测量仪包括离子脉冲电离室,屏栅电离室,裂变电离室等。相对于其它谱仪,电离室型谱仪具有结构简单、使用方便、可制备成各种形状等优点,因此仍在工业中得到广泛应用。在众多电离室型能谱测量仪中,高气压充氙电离室(High-PressureXenon Ionization Chambers,简称HPXe电离室)以其优秀的能量分辨率特性越来越得到研究人员的重视,成为近年来一个重要研究分支。

　　国外早在二十世纪八十年代就已经开始了对HPXe电离室的研究。最初出现的是带弗里希栅极(Frisch grid)的柱型HPXe电离室[2],随后又出现了平板型[3],半球型[4]等多种类型。其中柱型HPXe电离室可以达到2~3%的良好能量分辨率,因此在特殊核材料探测[5],某些特殊的高放射性土壤环境监测[6]以及基础科学研究[7]等多方面有广泛应用。但在应用中同时也暴露了其电极结构抗震颤噪声较差的问题。针对上述问题,国内外出现了一些研究[8]。其中共面栅极阳极技术[9]是所有改进方法中最直接和有效的一种。

　　基于国外的相关设计,本工作所研究的HPXe电离室采用了共面栅极阳极技术,该种设计结构可以克服以往HPXe电离室弗里希栅极震颤噪声的影响,同时通过选择合理的电极设计参数,包括组成收集极或非收集极的极丝数目;每根极丝的直径及每根极丝与探测体积中心轴之间的距离等,可以使其达到较高的能量分辨率。本文将针对上述因素分别进行研究,最终对该电离室的设计优化提出参考意见。

　　1　原理和方法

　　1·1　电离室灵敏探测体积内电势分布及其对分辨率的影响

　　入射粒子使电离室气体电离生成自由电子和正离子,在外加电场的作用下,电子和正离子分别向电离室的阳极和阴极漂移,最后在电极上产生电荷,电荷经放大后转换成可观测到的信号输出。

　　由自由电子的运动而在电极上产生的瞬时电流i(t)满足Shockley-Ramo[10]定理,如式(1):

　　其中ν为自由电子的瞬时速度,q为电子电荷,Eω为权重电场,其与权重电压φω满足式(2):

　　权重电场Eω与权重电压φω为当选定一个电极加单位电压,其余电极电压为0且无其他空间电荷存在时,该电子的瞬时位置x处的电压和电场。此时可以利用泊松方程及Shock-ley-Ramo定理计算得到电极上产生的电荷量为[11]: