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(yáng) 421001)

0 引 言

氡及其子體是人們所受天然輻射照射的最大來(lái)源，其測(cè)量問(wèn)題引起了人們的廣泛關(guān)注。氡的實(shí)時(shí)測(cè)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(guò)直接測(cè)量氡衰變產(chǎn)生的α粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)氡的測(cè)量，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)氡的絕對(duì)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為氡測(cè)量裝置的一個(gè)重要研究方向[2-5]。

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

1 測(cè)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?chǔ)亮Ｗ幽芰浚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)氡衰變?chǔ)亮Ｗ訙y(cè)量，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)氡濃度水平測(cè)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(gè)量級(jí)，其在大體積電離室內(nèi)的收集時(shí)間可達(dá)幾十毫秒，為縮短脈沖電離室對(duì)氡衰變?chǔ)亮Ｗ与婋x產(chǎn)生正離子的收集時(shí)間，提高脈沖計(jì)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(jì)了一種多電極平板型脈沖電離室；S.Rottgera等人[7]設(shè)計(jì)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(shí)際氡測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

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(chǎng)作用下會(huì)漂移并吸附在脈沖電離室負(fù)極，其衰變釋放的α粒子會(huì)對(duì)脈沖電離室測(cè)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(kāi)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(jì)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(jì)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(duì)氡及其子體衰變產(chǎn)生的α粒子的探測(cè)效率按式(1)計(jì)算：

(1)

式(1)中ni為α粒子在感興趣能量區(qū)的粒子計(jì)數(shù)，對(duì)α粒子一般為全能峰單峰計(jì)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(duì)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(guò)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(cè)量氡α粒子探測(cè)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(cè)量氡α粒子探測(cè)效率和脈沖電離室對(duì)氡子體衰變產(chǎn)生α粒子的探測(cè)效率。在這些模擬的基礎(chǔ)上，分析了這些因素對(duì)脈沖電離室測(cè)量氡α粒子探測(cè)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(huì)對(duì)脈沖電離室測(cè)量222Rn α粒子產(chǎn)生干擾。

首先對(duì)不同幾何尺寸的平板型和圓柱形單電極電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(zhǎng))為8 cm時(shí)，改變其高度時(shí)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(shí)，改變其底面直徑(或邊長(zhǎng))時(shí)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率相差不大；相比于高度，增加底面直徑(或邊長(zhǎng))對(duì)脈沖電離室的222Rn α粒子探測(cè)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(zhǎng)度后其探測(cè)效率增加較為緩慢，單從提高電離室探測(cè)效率看，進(jìn)一步增加電離室尺寸對(duì)提高氡測(cè)量靈敏度效果有限。

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

進(jìn)一步計(jì)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(cè)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(cè)效率達(dá)到1。

圖4 不同比表面積下電離室對(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(duì)脈沖電離室測(cè)量222Rn α粒子產(chǎn)生的影響，對(duì)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(duì)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(jì)算得到的222Rn、218Po和214Po α粒子的全能峰探測(cè)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(duì)應(yīng)于附著在中心電極上218Po和214Po α粒子穿過(guò)電離室半徑距離(4.0 cm)時(shí)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(guò)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(yáng)極外殼損失)。氡子體的低能峰會(huì)增加222Rn α粒子全能峰的計(jì)數(shù)，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，應(yīng)加以扣除。

圖5 單電極電離室對(duì)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，但多電極的引入會(huì)造成電離室有效探測(cè)體積的減小，進(jìn)而影響電離室對(duì)222Rn α粒子的測(cè)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)效率。式(3)中ε為歸一化探測(cè)效率(多電極電離室對(duì)單電極電離室探測(cè)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(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(duì)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(duì)222Rn α粒子全能峰計(jì)數(shù)的干擾，電極數(shù)目越多，對(duì)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(guò)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(jì)數(shù)增加，對(duì)較高能量222Rn α粒子的全能峰影響變小。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上探測(cè)效率模擬的有效性。邱天力等人[8]構(gòu)造了一個(gè)雙阿基米德螺旋電極電離室(φ28.0 cm×22.0 cm)，含有433個(gè)電極(φ0.1 cm)，電極間相距為1 cm。對(duì)氡水平為22 Bq/m3的空氣，該電離室在10 min內(nèi)222Rn α粒子測(cè)量計(jì)數(shù)為87，由此計(jì)算得到其對(duì)222Rn α粒子探測(cè)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(jì)算得到單電極電離室探測(cè)效率，再依據(jù)電極/電離室體積比(0.005 52)和式(3)計(jì)算得到該多電極電離室探測(cè)效率為0.469。該理論值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差為5.6%，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，兩者具有較好的一致性，佐證了本論文仿真過(guò)程的準(zhǔn)確性，該工作目前在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到報(bào)道。多電極的引入會(huì)降低脈沖電離室的探測(cè)效率，但為縮短脈沖電離室對(duì)正離子的收集時(shí)間，提高脈沖計(jì)數(shù)率，測(cè)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(duì)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(duì)氡的探測(cè)效率，開(kāi)展了脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率影響因素的模擬研究。對(duì)不同幾何形狀、大小和電極數(shù)目的脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率進(jìn)行了模擬和分析。結(jié)果表明，脈沖電離室對(duì)氡探測(cè)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(zhǎng)度后其探測(cè)效率增加較為緩慢；多電極脈沖電離室對(duì)氡探測(cè)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(cè)效率，但會(huì)增加氡子體α粒子對(duì)氡α粒子測(cè)量的干擾。該模擬結(jié)果的有效性為文獻(xiàn)報(bào)道的多電極脈沖電離室測(cè)氡實(shí)驗(yàn)結(jié)果所檢驗(yàn)，可用于提高多電極脈沖電離室測(cè)氡探測(cè)效率的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。