趙慶章，于 波，龐義俊，張宇軒，王芳芳，孟 齊，武紹勇，姜 山，何 明

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

電離室、正比計數(shù)器和蓋革-彌勒(G-M)計數(shù)器均以氣體為探測介質(zhì)，且在結(jié)構(gòu)上有相似之處，統(tǒng)稱為氣體探測器。在核物理發(fā)展早期，氣體探測器應(yīng)用最廣。五十年代以后，由于閃爍計數(shù)器和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而逐步被取代。但是氣體探測器制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便，至今仍應(yīng)用在高能物理和重離子物理領(lǐng)域。隨著加速器質(zhì)譜小型化、低能量化發(fā)展，粒子探測技術(shù)精確測定低能量下的重離子是研究者關(guān)注的重要科學(xué)問題。硅探測器可有效分辨輕離子，但對重離子分辨不佳，同時有輻射損傷，而氣體探測器無輻射損傷，是目前重離子檢測的最佳選擇。將氣體探測器陽極分區(qū)，可以測量粒子損失能量與剩余能量。以往氣體探測器入射窗的厚度較厚，同時硅探測器的死層較厚，測量低能量粒子時，其在入射窗中損失能量占總能量比例大，沉積到探測器介質(zhì)中的能量小，故一般氣體探測器和硅探測器用于高能離子的探測(能量高于1 MeV/u的粒子)。現(xiàn)用薄的氮化硅膜替代常用的Mylar膜，并配合低噪聲前置放大器鑒別低能量重離子。本文主要對現(xiàn)有薄窗型氣體探測器的探測技術(shù)進行綜述。

1 基本原理

ΔE-E技術(shù)廣泛應(yīng)用于粒子鑒別。此方法由兩個或多個探測器組成的測量系統(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，所以又稱為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[1]。

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[1]表示。在非相對論區(qū)，Bethe-Block公式可化簡為：

(1)

式中，dE/dX為入射離子與電子碰撞(使原子電離或者激發(fā))引起的能量損失率，MeV/cm；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為入射粒子速度，cm/s；m為電子的質(zhì)量；I為阻擋介質(zhì)原子的平均電離電位，I≈12ZA(eV)，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)

式中，B和b為與離子無關(guān)的常數(shù)；M為離子質(zhì)量，kg。能量為E(MeV)的離子在厚度為t(cm)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，則有：

(3)

對于固定ΔE探測器，t為常數(shù)，則：

(4)

入射帶電粒子在探測器氣體中生成一對離子對需要的能量約為30 eV，稱為電離能。電離能和入射粒子的類型還與探測器中的氣體有關(guān)。如果探測的離子在氣體電離室中完全停止，則輸出信號高度與電離出的載流子總數(shù)成正比，電離出的載流子數(shù)目N=E/w與入射到探測器中的離子能量有關(guān)(已經(jīng)減掉在窗上損失的能量)。因此，當加速器加速離子的動能確定時，為使探測器輸出信號最大化，對能量一定的離子需要減少在探測器窗中損失的能量，另一方面需要尋找合適的氣體。雖然入射帶電粒子在探測器氣體中生成一對離子對需要的能量約30 eV，但要尋找盡可能小的電離能w，使脈沖的高度最大化，達到探測器能量分辨率最優(yōu)上限。

電離碰撞是隨機過程，即使離子在氣體中損失相同的能量，總電離仍然有統(tǒng)計漲落，電離的統(tǒng)計漲落決定了探測器能量分辨率的下限。提高探測器能量分辨率上限除了增加脈沖高度，還可減少能量一定的重離子在探測器窗中能量的歧離。每種離子類型的分辨率可近似表示為：

(5)

式中，a、b為擬合參數(shù)。

由于探測器中氣體不純，電子與氣體分子碰撞時，可能被O2、水蒸氣等捕獲而形成負離子，其結(jié)果是漂移速度沒有電子快，增加了復(fù)合損失，減少了脈沖高度，降低了探測能量分辨率，因此嚴格要求探測器中的氣體純度，氣體一般選擇高純異丁烷。

2 技術(shù)方法

2.1 薄氮化硅膜與Mylar膜對比

利用氣體探測器作為探測手段的加速器質(zhì)譜，被鑒別的離子必須具有一定動能才能穿過ΔE探測器，并在E探測器中損失一定的能量。傳統(tǒng)的加速器質(zhì)譜基于核物理實驗中的大型加速器建立，傳輸效率較低，為提高加速器質(zhì)譜的傳輸效率，加速器質(zhì)譜小型化和低能化是發(fā)展趨勢。剩余能量隨入射離子的質(zhì)子數(shù)Z變大而變小(圖1)。離子的總能量變低后，為了增大低能重粒子在探測器中沉積的能量，需要入射窗的厚度越薄越好，即入射窗材料的面密度越小越好。

圖1 TRIM計算1 MeV的粒子穿過50 nm氮化硅和500 nm的Mylar膜[2]Fig.1 Calculation of 1 MeV particle through TRIM pass 50 nm silicon nitride and 500 nm Mylar film[2]

2.2 不同質(zhì)子數(shù)Z的低能量粒子脈沖高度對比

氣體探測器與硅探測器相比，硅探測器產(chǎn)生電子-空穴對所需的能量僅約3 eV，對相同能量的離子，此時氣體探測器輸出電子離子對數(shù)是硅探測器輸出電子空穴對數(shù)的10%～12.5%。所以氣體探測器中產(chǎn)生的電子在陽極板上必須有效的收集。在氣體探測器中，使用幾乎不俘獲自由電子形成負離子的工作氣體，通常因為收集電子在氣體中的漂移速度比離子更快(大約高3個數(shù)量級)。電路的時間常數(shù)(RC)值應(yīng)遠小于正離子收集時間，但要大于電子收集時間，這時可認為電子已經(jīng)被收集而正離子幾乎還沒有在電場中移動，由于輸出脈沖的幅度與離子對產(chǎn)生的地點有關(guān)，為了使電荷收集獨立于離子對產(chǎn)生位置，設(shè)計Frisch-柵網(wǎng)安裝在陽極前面，柵網(wǎng)屏蔽了電離區(qū)域，使電子在沒有穿過柵網(wǎng)前，不能在陽極板上產(chǎn)生信號。設(shè)計并選擇柵網(wǎng)絲直徑和柵網(wǎng)絲的間距，仔細調(diào)整柵極和陽極之間的電壓差才能獲得最佳電子傳輸率和屏蔽效果。電子穿過柵網(wǎng)而不被柵網(wǎng)俘獲才會在陽極有脈沖信號，脈沖的高度與離子對產(chǎn)生的位置無關(guān)，只與入射離子在氣體中產(chǎn)生的離子對數(shù)有關(guān)[4-7]。

相同能量不同原子序數(shù)的入射離子在氣體探測器中產(chǎn)生的脈沖高度不同(圖2)，由于不同Z的粒子在入射窗中損失的能量不同，一般隨原子序數(shù)的增高脈沖高度降低，稱為脈沖高度虧損。

圖2 不同Z與不同能量的粒子在探測系統(tǒng)中產(chǎn)生的脈沖高度[3]Fig.2 Pulse heights generated by detection systems using different Z and different energy particles[3]

2.3 薄窗型氣體探測器與硅探測器對比

氣體電離室設(shè)計的關(guān)鍵是提高其能量分辨率?，F(xiàn)采用兩種方法：(1) 調(diào)節(jié)探測器的輸入?yún)?shù)(如極板電壓和氣體壓力)使相同能量的粒子在探測器中達到最大脈沖高度，硅探測器不能改變面密度，但氣體探測器可通過調(diào)節(jié)氣壓大小改變面密度，使用方便；(2) 由于氣體探測器入射窗的厚度較厚，在硅探測器中相當于其死層較厚。測量低能粒子時，在窗中損失能量占總能量的比例大，沉積到探測器介質(zhì)中的能量就小，所以一般氣體電離室與硅探測器用于高能離子的探測(能量高于1 MeV/u的粒子)。但是，現(xiàn)在可使用薄的氮化硅膜替代常用厚的Mylar膜，并配合低噪聲前置放大器使用。所以提高窗的材料強度、減小窗的厚度，用均勻性高的氮化硅窗可以使氣體探測器信號脈沖高度穩(wěn)定，且相同能量的低能重離子在探測器窗的能量歧離最小。此外，氣體探測器中氣體的均勻性高于1%，很薄的硅探測器難以達到，保證了低能量下重離子氣體探測器能量分辨率優(yōu)于硅探測器。

圖3顯示了能量分辨率作為所有研究粒子類型的能量的函數(shù)，硅探測器測量重離子的分辨率也可從中得知。氮、硫、鐵、碘、金元素在能量0～3 000 keV時，對比氣體探測器與硅探測器探測到的半高寬(FWHM)，可以發(fā)現(xiàn)相同元素種類且相同能量的粒子，用氣體探測器得到的半高寬比硅探測器得到的半高寬小。

圖3 氣體探測器與硅探測器半高寬對比[2]Fig.3 Comparison of half height and width of gas detector and silicon detector[2]

綜上所述，氣體探測器的輸出信號高度對單能粒子的響應(yīng)由探測器入射窗口中的能量損失和散射、載流子產(chǎn)生的統(tǒng)計漲落、電子學(xué)的噪聲造成。在低能量(約1 MeV)下用氣體探測器測量重離子，必須使用幾十納米的均勻薄氮化硅膜[2]。該膜薄、強度高、均勻性高(例如50 nm時，小于2 nm的變化)。探測器的入射窗越薄，入射離子在其中損失的能量越小。如果入射窗的膜不均勻，能量歧離越明顯。因為低能量入射離子射入到氣體探測器中，產(chǎn)生的信號很小，所以使用的前置放大器噪聲越小越好。在陽極上收集到的微弱信號可由前置放大器轉(zhuǎn)換成整形電壓脈沖，實驗證明使用AMPTEK Cool FET前置放大器效果優(yōu)于ORTEC前置放大器142[3]。

3 薄窗型氣體探測器的重要應(yīng)用

3.1 129I測量

低能量重離子氣體探測器的能量分辨率高于硅探測器。硅探測器的死層較厚，導(dǎo)致一定能量的低能量離子在其中損失能量較大，所以沉積到固體探測介質(zhì)中能量較少，分辨率較低；而薄窗型氣體探測器入射窗薄，相同低能量離子在其中損失能量較小，所以沉積到氣體探測介質(zhì)中能量較多，分辨率較高。

圖4 加速器質(zhì)譜使用薄窗型氣體探測器和硅探測器測量129I能譜對比[2]Fig.4 Comparison using a thin window gas detector and silicon detector to measure 129I energy spectrum by accelerator mass spectrometry[2]

加速器質(zhì)譜用薄窗型氣體探測器和硅探測器測量129I能譜的對比示于圖4。經(jīng)過低能端磁鐵，97Mo16O2的磁剛度與129I的磁剛度相同，兩者經(jīng)過剝離氣體后，剝離后選取4+價態(tài)129I離子，經(jīng)過高能端磁鐵和高能端靜電分析器，4+的129I與3+的97Mo的磁鋼度和電剛度近似，兩種粒子軌跡接近，幾乎同時進入探測器。對比硅探測器和薄窗型氣體探測器發(fā)現(xiàn)，硅探測器分辨不出129I和97Mo，而薄窗型氣體探測器能夠分辨129I和97Mo。

3.2 Pu測量

240Pu樣品(黑線)或160Dya——從金硅面壘探測器獲得的能譜；b——具有100 nm Si3N4入射窗的氣體探測器；c——具有40 nm Si3N4入射窗的氣體探測器圖5 薄窗型氣體探測器和硅探測器測量160Dy和240Pu[8]a——The spectra obtained from a surface barrier detector；b——A gas ionization detector with a 100 nm Si-N window；c——A gas ionization detector with a 40 nm Si-N windowFig.5 The measurements of 160Dy and 240Pu using thin window gas detector and silicon detector[8]

對于低能量重離子探測，若使用500 nm 的Mylar膜作為氣體探測器的入射窗，粒子將被阻止到Mylar膜中，無法測量到粒子，這是氮化硅膜和Mylar膜之間的顯著區(qū)別。探測低能重離子時，薄窗型氣體探測器較硅探測器表現(xiàn)出更好的分辨優(yōu)勢。薄窗型氣體探測器和硅探測器測量160Dy和240Pu結(jié)果示于圖5[2,8]。由圖5結(jié)果可知，分離160Dy2+和240Pu3+時，金硅面壘探測器分辨率不夠，Si3N4入射窗氣體探測器用小于40 nm的入射窗完全分離160Dy2+和240Pu3+是可能的，虛線表示探測器切斷幾乎所有160Dy2+離子[8]。

4 小結(jié)

通過氮化硅薄窗型氣體探測器的應(yīng)用，顯著改善了低能量重離子的探測與鑒別。薄窗型氣體探測器的發(fā)展提高了小型化(低能量)加速器質(zhì)譜裝置的應(yīng)用潛力。在低能量粒子鑒別中，通過使用薄的氮化硅膜作為氣體探測器入射窗，使得氣體探測器的分辨率顯著提高，性能顯著改善，可有效滿足檢測低能量重離子的需求。該種薄窗型氣體探測器為低能重離子探測技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)，同時在探測低能重離子中有廣泛應(yīng)用前景。