嚴(yán) 愷,康 璽,閆先瑞

(南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

氡及其子體是人們所受天然輻射照射的最大來源，其測量問題引起了人們的廣泛關(guān)注。氡的實時測量方法主要包括閃爍室法、靜電收集法、脈沖電離室法等[1]。脈沖電離室通過直接測量氡衰變產(chǎn)生的α粒子來實現(xiàn)氡的測量，具有測量準(zhǔn)確度高、靈敏度高、可實現(xiàn)氡的絕對測量等優(yōu)點，近年來成為氡測量裝置的一個重要研究方向[2-5]。

脈沖電離室對氡的探測效率與其測氡靈敏度有著密切關(guān)系，提高脈沖電離室測氡探測效率對提高脈沖電離室測氡靈敏度有著十分重要意義。脈沖電離室的多個因素(幾何形狀、體積和電極數(shù)目)影響著其測氡探測效率，采用實驗方法獲得這些因素與測氡探測效率的關(guān)系較為繁瑣、成本較高，本文擬通過蒙特卡羅程序Geant4模擬得到這些因素與測氡探測效率之間關(guān)系，為提高脈沖電離室靈敏度提供參考。

1 測氡脈沖電離室

圓柱形電離室和平行板電離室是脈沖電離室的兩種基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。脈沖電離室的正負(fù)極間加有高壓，可分別收集氡衰變所產(chǎn)生的α粒子在空氣中電離產(chǎn)生的電子和正離子，其收集到的總電荷數(shù)可反映氡衰變α粒子能量，從而實現(xiàn)氡衰變α粒子測量，進(jìn)而可實現(xiàn)氡濃度水平測量。

圖1 脈沖電離室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of pulse ion chamber

空氣中正離子漂移速度比電子小3個量級，其在大體積電離室內(nèi)的收集時間可達(dá)幾十毫秒，為縮短脈沖電離室對氡衰變α粒子電離產(chǎn)生正離子的收集時間，提高脈沖計數(shù)率，人們發(fā)展了多電極結(jié)構(gòu)脈沖電離室。V.V.Kuzminov[6]設(shè)計了一種多電極平板型脈沖電離室；S.Rottgera等人[7]設(shè)計了一種多電極圓柱形脈沖電離室(如圖2所示)，邱天力等人[8]構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)電離室并做了實際氡測量實驗。

圖2 雙阿基米德螺旋多電極脈沖電離室截面圖Fig.2 Cross section of double Archimedes spiral multi electrode pulse ionization chamber(黑色代表正極，白色代表負(fù)極)

此外，氡衰變產(chǎn)生的氡子體帶正電荷，在電場作用下會漂移并吸附在脈沖電離室負(fù)極，其衰變釋放的α粒子會對脈沖電離室測量氡α粒子產(chǎn)生干擾。

2 仿真模擬

采用蒙特卡羅程序Geant4構(gòu)建了基本結(jié)構(gòu)和多電極結(jié)構(gòu)的脈沖電離室模擬模型。Geant4程序是歐洲核子中心開發(fā)的蒙特卡羅程序，可模擬α、β、γ等多種粒子，具有靈活的幾何構(gòu)建和結(jié)果統(tǒng)計能力[9]。模擬中氡氣衰變釋放α粒子的位置在脈沖電離室空氣內(nèi)均勻抽樣；帶正電的氡子體附著于脈沖電離室負(fù)極，其衰變釋放α粒子位置在負(fù)極表面均勻抽樣。氡及其子體α粒子發(fā)射方向按各向同性分布抽樣，它們的能量和在空氣中射程[10]如表1所示。

表1 氡及其子體α粒子在空氣中射程Table 1 Air range of alpha particles of radon and its daughters

模擬結(jié)果統(tǒng)計了氡及其子體衰變產(chǎn)生的α粒子在脈沖電離室空氣內(nèi)沉積能量分布譜，脈沖電離室對氡及其子體衰變產(chǎn)生的α粒子的探測效率按式(1)計算：

(1)

式(1)中ni為α粒子在感興趣能量區(qū)的粒子計數(shù)，對α粒子一般為全能峰單峰計數(shù)；N為脈沖電離室內(nèi)氡發(fā)射α粒子數(shù)目。模擬中未考慮脈沖電離室對電離離子收集不全及電子學(xué)噪聲的影響，故模擬結(jié)果為理論值。

在模擬中，通過不斷調(diào)整脈沖電離室體積以獲得不同體積下脈沖電離室測量氡α粒子探測效率；在相同體積下模擬了多電極結(jié)構(gòu)下的脈沖電離室測量氡α粒子探測效率和脈沖電離室對氡子體衰變產(chǎn)生α粒子的探測效率。在這些模擬的基礎(chǔ)上，分析了這些因素對脈沖電離室測量氡α粒子探測效率的影響。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 單電極脈沖電離室模擬結(jié)果與討論

脈沖電離室對222Rn α粒子探測效率主要受電離室結(jié)構(gòu)和體積的影響。此外，氡子體衰變釋放的α粒子可能會對脈沖電離室測量222Rn α粒子產(chǎn)生干擾。

首先對不同幾何尺寸的平板型和圓柱形單電極電離室對222Rn α粒子探測效率進(jìn)行了模擬。結(jié)果如圖3所示，數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2是固定圓柱形(或平板型)電離室底面直徑(或邊長)為8 cm時，改變其高度時的模擬結(jié)果；數(shù)據(jù)3和數(shù)據(jù)4是固定圓柱形(或平板型)電離室高度為8 cm時，改變其底面直徑(或邊長)時的模擬結(jié)果。從圖3中可知，幾何尺寸相近的圓柱形和平板型電離室對222Rn α粒子探測效率相差不大；相比于高度，增加底面直徑(或邊長)對脈沖電離室的222Rn α粒子探測效率提高更多。此外，電離室高度(半徑)增加至5倍222Rn α粒子射程長度后其探測效率增加較為緩慢，單從提高電離室探測效率看，進(jìn)一步增加電離室尺寸對提高氡測量靈敏度效果有限。

圖3 不同尺寸下電離室對222Rn α粒子探測效率Fig.3 Detection efficiency of the decay alphaparticle of 222Rn in ion pulse chamber with different size

進(jìn)一步計算表明，電離室比表面積(表面積/體積比，表面積指電離室外殼電極表面積)是影響電離室對222Rn α粒子探測效率的直接因素，兩者基本呈線型遞減關(guān)系，如圖4和式(2)所示。式(2)中ε為圓柱形電離室探測效率，t為比表面，R為擬合優(yōu)度。由于比表面積不可能為0，因而增大電離室體積不可能使222Rn α粒子探測效率達(dá)到1。

圖4 不同比表面積下電離室對222Rn α粒子探測效率Fig.4 Detection efficiency of the decay alphaparticle of 222Rn in ion pulse chamber with different surface-volume ratio

(2)

為分析氡子體α粒子對脈沖電離室測量222Rn α粒子產(chǎn)生的影響，對以222Rn 5.49 MeV α粒子在空氣中的射程(4.0 cm)為半徑的單電極圓柱形電離室(φ8.0 cm×8.0 cm，中心負(fù)極φ0.1 cm)對222Rn、218Po和214Po(222Rn、218Po和214Po處于放射性平衡)的α粒子能量沉積進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，受限于電離室體積，部分氡及其子體α粒子未將全部能量沉積在電離室內(nèi)。由式(1)計算得到的222Rn、218Po和214Po α粒子的全能峰探測效率分別為0.381、0.172和0.028；218Po和214Po α粒子形成了5 MeV和3.5 MeV低能峰，這些低能峰對應(yīng)于附著在中心電極上218Po和214Po α粒子穿過電離室半徑距離(4.0 cm)時的沉積能量(模擬表明218Po 6.0 MeV α粒子、214Po 7.69 MeV α粒子沿圓柱體徑向穿過4.0 cm空氣的平均能量沉積分別為4.92 MeV、3.38 MeV，這些α粒子的剩余能量在電離室陽極外殼損失)。氡子體的低能峰會增加222Rn α粒子全能峰的計數(shù)，造成測量不準(zhǔn)確，應(yīng)加以扣除。

圖5 單電極電離室對氡及其子體α粒子模擬能譜Fig.5 Simulated energy spectra from the decay alpha particles of radon and its daughters in ion pulse chamber with single electrode

3.2 多電極脈沖電離室模擬結(jié)果與討論

多電極電離室主要可有效解決大體積電離室難以有效收集α粒子電離電荷和正電荷收集時間過長問題，但多電極的引入會造成電離室有效探測體積的減小，進(jìn)而影響電離室對222Rn α粒子的測量效率。圖6給出了不同電極數(shù)目(1、15、29、57和113根)的雙阿基米德螺旋多電極電離室(φ8.0 cm×8.0 cm，各電極直徑1 mm)對222Rn α粒子探測效率模擬結(jié)果。從圖6和式(3)可知，隨著電極數(shù)目(或電極/電離室體積比)的增加，電離室對222Rn α粒子探測效率呈指數(shù)下降，因而減少電極數(shù)目有助于提高電離室對222Rn α粒子探測效率。式(3)中ε為歸一化探測效率(多電極電離室對單電極電離室探測效率的歸一)，t為電極/電離室體積比，R為擬合優(yōu)度。

圖6 不同數(shù)目電極下電離室對222Rn α粒子探測效率Fig.6 Detection efficiency of the decay alphaparticle of 222Rn in ion pulse chamber with different number of electrodes

ε=0.972 3e-84.151t，t<0.02，R2=0.996 5

(3)

雙阿基米德螺旋多電極電離室(φ8.0 cm×8.0 cm，各電極直徑1 mm)對222Rn、218Po和214Po α粒子的能量沉積模擬譜如圖7所示。從圖7中可知，相比于單電極電離室，多電極電離室降低了218Po和214Po α粒子對222Rn α粒子全能峰計數(shù)的干擾，電極數(shù)目越多，對干擾的降低越明顯。這可能是218Po和214Po附著于多根電極(部分電極分布于電離室外側(cè)，如圖2所示)，它們的α粒子穿過電離室內(nèi)空氣的距離變短，能量沉積變小，低能區(qū)尾部計數(shù)增加，對較高能量222Rn α粒子的全能峰影響變小。

實際實驗驗證了以上探測效率模擬的有效性。邱天力等人[8]構(gòu)造了一個雙阿基米德螺旋電極電離室(φ28.0 cm×22.0 cm)，含有433個電極(φ0.1 cm)，電極間相距為1 cm。對氡水平為22 Bq/m3的空氣，該電離室在10 min內(nèi)222Rn α粒子測量計數(shù)為87，由此計算得到其對222Rn α粒子探測效率為0.497。依據(jù)該電離室比表面積(0.234 cm2/cm3)和式(2)可計算得到單電極電離室探測效率，再依據(jù)電極/電離室體積比(0.005 52)和式(3)計算得到該多電極電離室探測效率為0.469。該理論值與實驗值的相對誤差為5.6%，考慮到實驗誤差，兩者具有較好的一致性，佐證了本論文仿真過程的準(zhǔn)確性，該工作目前在國內(nèi)尚未見到報道。多電極的引入會降低脈沖電離室的探測效率，但為縮短脈沖電離室對正離子的收集時間，提高脈沖計數(shù)率，測氡脈沖電離室多采用多電極結(jié)構(gòu)。

圖7 雙阿基米德螺旋電極電離室對氡及其子體α粒子的模擬能譜Fig.7 The simulated energy spectra from the decay alpha particles of radon and its daughters in ion pulse chamber with double Archimedes spiral multi electrode

4 結(jié) 論

為提高脈沖電離室對氡的探測效率，開展了脈沖電離室測氡探測效率影響因素的模擬研究。對不同幾何形狀、大小和電極數(shù)目的脈沖電離室測氡探測效率進(jìn)行了模擬和分析。結(jié)果表明，脈沖電離室對氡探測效率與其比表面積(表面積/體積比)成反比關(guān)系，電離室高度、底面半徑增加至5倍222Rn α粒子射程長度后其探測效率增加較為緩慢；多電極脈沖電離室對氡探測效率隨電極數(shù)目(或電極/電離室體積比)成負(fù)指數(shù)關(guān)系，減少電極數(shù)目可以提高脈沖電離室探測效率，但會增加氡子體α粒子對氡α粒子測量的干擾。該模擬結(jié)果的有效性為文獻(xiàn)報道的多電極脈沖電離室測氡實驗結(jié)果所檢驗，可用于提高多電極脈沖電離室測氡探測效率的快速優(yōu)化設(shè)計。