采用多絲正比室讀出的屏柵電離室能量分辨研究

尹小豪,魏向倫,黃鑫杰,鄒海川,邱天力,何周波,楊遠勝,李志杰,李 蒙,馬 朋,楊賀潤,*,魯辰桂,胡榮江,段利敏

(1.中國科學院 近代物理研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國科學院大學 核科學與技術學院,北京 100049;3.蘭州大學 核科學與技術學院,甘肅 蘭州 730000)

屏柵電離室[1]由于結構簡單、能量分辨高、抗輻射等特點,廣泛應用于帶電粒子的鑒別[2-6]與動能的精確測定[7-9]等核物理實驗中。截止目前的研究表明,屏柵電離室對α粒子的能量分辨率普遍在1%～2%之間[2,10],最佳可達0.8%左右[11]。常規的屏柵電離室采用陽極直接收集穿過柵極的電子產生的感應信號,不帶有放大功能,因此要得到好的能量分辨,需要被測粒子在探測器漂移區內產生足夠多的電離電子,因而適合于中低能或高電荷數帶電粒子的能量測量。另外由于可供陽極收集信號的總電荷量較低,陽極一般只采用具有較大面積的簡單構型。為了拓展屏柵電離室的應用范圍,同時保留其高能量分辨率的優點,本文在屏柵電離室的基礎上進行改進,將多絲正比室加入到信號讀出端,通過電子在陽極絲附近的雪崩放大,提升信號幅度,提高信噪比,改善探測器的能量分辨率,以期實現對能量沉積較低粒子的精確測量。本文給出探測器結構和采用α放射源對探測器的詳細測試結果,并對實驗結果進行分析。

1 實驗裝置及測試原理

1.1 探測器構造

探測器結構示意圖如圖1所示,探測器由漂移區和放大區組成。漂移區由陰極、場籠與柵極組成,其中場籠通過4塊PCB板組裝而成,每塊PCB板上蝕刻有間距周期2 mm、寬度1.2 mm的平行銅條,采用雙層結構,以保證漂移區電場的均勻性,降低邊緣處電場畸變。柵極由50 μm的鍍金鎢絲制成,絲間距500 μm;漂移區尺寸為150 mm×150 mm×110 mm。在放大區中,陽極位于柵極與地電極正中,距離均為4 mm。陽極采用15 μm的鍍金鎢絲,絲間距為2 mm。此外,還測試了直徑20 μm和50 μm的鍍金鎢絲制成的陽極。在陰極板正中10 mm×10 mm區域,開有50個直徑為0.5 mm的小孔陣列,在測試中α源固定于陰極板上,通過中心小孔陣列準直入射到探測器中。小孔陣列可以將α粒子入射角度限制到±15°,確保α粒子的能量全部沉積在探測器靈敏區內,同時也保證有較高的計數率。

圖1 探測器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of detector

1.2 測試條件

探測器固定在靶室蓋板上,不銹鋼靶室作為探測器的外殼提供氣體密封及良好的電磁屏蔽。靶室抽真空后,將工作氣體直接充入靶室中。探測器使用的工作氣體為P10(90%Ar+10%CH4),在常壓(蘭州氣壓約850 mbar)及較低氣壓下對探測器性能進行測試。常壓測試時探測器工作在流氣模式下。低氣壓測試時采用閉氣模式,0.5 h左右換一次氣,以避免由于工作氣體逐漸老化而導致輸出脈沖信號的幅度發生變化,影響測試結果。為減小探測器到前置放大器的引線電容,將前置放大器置于靶室內部以縮短引線長度。

探測器的柵極和地電極處于零電位。陰極通過一個RC濾波電路與負高壓相連。陽極的正電位由ORTEC前置放大器(142PC)的偏壓端直接提供。根據本課題組之前對屏柵電離室結構與工作特性的研究[11-12]得知,對于絲徑50 μm、間距500 μm的柵極,電場比Et/Ed>2.2時,電子穿過柵極的概率可達到100%,其中Ed和Et分別為漂移區場強和放大區場強,在測試中,這個條件均可滿足。P10氣體在約化場強(E/P)為130 V/(cm·bar)左右時對應的電子漂移速度最快,有利于信號完整收集,因此固定漂移區的約化場強為130 V/(cm·bar)。測試時陽極電壓(Va)從300 V逐步升高,記錄探測器能量分辨率和增益的變化。

實驗中陽極輸出信號經電荷靈敏前置放大器(142PC,ORTEC)后送入主放大器(572A,ORTEC)成形放大,成形時間設置為2 μs;最后由多道分析器(ASPEC-927,ORTEC)采集信號。

2 結果及分析

為研究該探測器的性能,在實驗室條件下使用241Am α源測試不同情況下探測器的增益及能量分辨率與陽極電壓的關系。

2.1 不同氣壓測試

在600 mbar、700 mbar及常壓(850 mbar)下,陽極絲直徑φ15 μm,使用241Am α源(5.486 MeV)詳細測試探測器的增益和能量分辨率隨陽極電壓的變化關系,結果如圖2所示。影響探測器能量分辨率的因素主要有脈沖讀出電路的電子學噪聲、電離過程的統計漲落等。對于低能帶電粒子,電子學噪聲是限制探測器能量分辨率的主要因素,詳細的討論可參考文獻[13-16]。根據這些影響和貢獻,理想情況下屏柵電離室的相對能量分辨率可表示為:

a——15 μm陽極絲的探測器在3種氣壓下的測試結果;b——常壓(850 mbar)下的最佳能量分辨率(1.45%,Va=780 V);c——700 mbar下的最佳能量分辨率(1.45%,Va=770 V);d——600 mbar下的最佳能量分辨率(1.47%,Va=680 V)圖2 3種氣壓下α粒子的能量分辨率及探測器增益隨陽極電壓的變化關系及對應的最佳能量分辨率譜Fig.2 Energy resolution of α particle at three air pressures and variation of detector gain with anode voltage, and corresponding best energy resolution spectrum

(1)

其中:σgas為電離過程的統計漲落;σel為電子學噪聲;npg為通過柵極的電子數。而對于在倍增模式下工作的探測器,還需考慮其增益波動帶來的影響。本文中的探測器的相對能量分辨率[14]可表示為:

(2)

其中:M為探測器的增益(M=N/N0,N為最后總的電子數,N0為入射粒子原初電離產生的電子數);σmult為探測器增益的波動。

由于柵極的屏蔽作用,漂移區與放大區的電場互不影響,因此雪崩放大產生的電子離子不會對漂移區產生影響。測試中電子學噪聲的大小可認為是恒定的,當探測器的增益M變大時,電子學噪聲的影響將越來越小。結合式(1)、(2)可知,若滿足式(3),則可實現能量分辨率的提高。

(3)

從圖2a可看出,在陽極電壓Va較低時,探測器工作在電離區或增益M較低的區域,這種情況下陽極信號主要源于穿過柵極的原始電離電子的貢獻,探測器的能量分辨率可用式(1)計算,但可看到,此時探測器分辨率比常規屏柵電離室差?？赡艿脑驗?1) 陽極電子感應信號npg收集不完整,地電極也會接收部分電子感應信號;2) 柵極的屏蔽失效因子較大,陽極信號幅度與漂移區原始電離電子產生位置有弱關聯。隨著陽極電壓增加,增益M變大,原始電離電子的貢獻降低,電子倍增后產生的電子-正離子的貢獻變大,信噪比提高,探測器的能量分辨率變好。當探測器增益M在3～8之間時,探測器對α粒子的能量分辨率進入到最佳區域,3種氣壓下,均達到1.4%～1.6%。電壓進一步增加后,空間電荷效應使得增益波動σmult快速增加,導致探測器的能量分辨率逐漸變差。由于α粒子的初始電離密度較大,倍增后產生的電子被陽極絲快速收集,而大量的正離子漂移速度慢,聚集在陽極絲附近,影響放大區的電場,使得M的一致性變差,因而σmult快速增大。

2.2 不同入射能量測試

通過在放射源表面覆蓋Mylar膜降低α粒子能量,測試φ15 μm陽極絲的探測器的性能。由LISE++計算可知,5.486 MeV的α粒子在穿過13 μm的Mylar后剩余的能量為3.88 MeV,穿過25 μm的Mylar膜后剩余能量為1.88 MeV。圖3為降能后的α粒子能量分辨率和增益隨陽極電壓的變化關系,探測器工作在常壓下。

由于α粒子在穿過Mylar膜降能時存在一定的能量岐離現象,導致圖3中的能量分辨率整體變差,特別對使用25 μm Mylar膜的情況,但能量分辨率隨電壓的變化趨勢仍然清晰。通過與圖2a中的測試結果對比可看出,兩者的能量分辨率隨電壓的變化趨勢基本一致,但最佳能量分辨率對應的工作電壓依次有所提升。主要原因是降能后的α粒子在探測器漂移區電離產生的原初電子數減少,在相同的電壓下,電子倍增導致的空間電荷效應對電場的影響更小,電子倍增波動σmult大幅降低。因此探測器的最佳能量分辨率延伸至陽極電壓更高的區域。對于圖3a中3.88 MeV的α粒子,探測器增益在8～18之間時能量分辨率較好;對于圖3b中1.88 MeV的α粒子,探測器增益在15～40之間時能量分辨率較好。

2.3 不同陽極絲徑測試

為研究不同絲徑的陽極對探測器性能的影響,常壓下分別對直徑為15、20和50 μm的陽極進行測試,結果如圖4所示,15 μm絲徑時的最佳分辨率能譜見圖2b。三者的能量分辨率與增益隨陽極電壓的變化趨勢一致,增益在3～8之間時,探測器對α粒子具有最佳的能量分辨率。超出這個區域后,不論M增大或減小,α粒子能譜均會展寬,分辨率變差,這一趨勢與圖2a完全相同。

a——常壓下3種陽極絲徑的探測器能量分辨率和增益與Va的關系;b——20 μm陽極絲徑時最佳能量分辨率能譜(1.45%,Va=900 V);c——50 μm陽極絲徑時最佳能量分辨率能譜(2.02%,Va=1 100 V)圖4 3種陽極絲徑下α粒子能量分辨率與探測器增益隨電壓的變化關系及對應的最佳能量分辨率譜Fig.4 Variation of α particle energy resolution versus detector gain with voltage for three anode wire diameters, and corresponding optimal energy resolution spectrum

由圖4b、c和圖2b可看到,15 μm、20 μm絲徑對應最佳能量分辨率均為1.45%,50 μm絲徑的為2.0%。造成這一差異的原因為:越細的絲產生的信號在時間尺度上越集中,這有利于電荷靈敏放大器對信號的收集。電子在陽極絲附近雪崩倍增產生自由電子與正離子對,電子在約1 μs時間內被快速收集;陽離子漂移速度慢,在陽極絲上產生的感應信號會持續約百μs。由于雪崩電子漂移路徑非常短,對信號的貢獻較小,陽極絲上的信號主要由正離子漂移所貢獻。常規電荷靈敏放大器只對約μs量級的信號有響應,信號更慢的部分只會影響信號下降沿,而對峰高不會有影響。越細的絲產生的電場越不均勻,絲附近的電場越高,遠離絲時電場下降的速度也越快,與此相應,正離子遠離陽極絲時,初期產生的感應信號也越強,放大器對信號的收集效率也越高。探測器的增益波動σmult與放大器收集效率應當是反關聯,較高的收集效率對應較小的σmult。

3 結論

本文闡述了一個基于多絲正比室讀出的屏柵電離室氣體探測器。使用α源詳細測試了探測器在不同氣壓、沉積能量、陽極絲徑時,能量分辨率與增益隨陽極電壓的變化情況。在本次測試中,5.486 MeV的α粒子的能量分辨率最佳可達到1.45%左右。探測器的最佳工作電壓與入射粒子在漂移區中沉積的能量有關,能量沉積越小,對應的最佳工作電壓越高,即探測器的增益越大。不同陽極絲徑的測試結果顯示,較細的陽極絲可達到更好的能量分辨。因此在實際的物理實驗中,應根據所測粒子的能量區間設置探測器的工作電壓,使其增益在合適的范圍內,以達到更好的能量分辨率,滿足粒子的探測需求。

雖然目前的測試結果表明該探測器對α粒子(5.486 MeV)的能量分辨率與屏柵電離室相當,但我們認為對于能量沉積較低的粒子該探測器的性能會更好。具體效果有待進一步的實驗驗證。目前的測試有所不足,后續會使用較低能(數百keV)帶電粒子進行詳細測試。