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摘要:结合α、β平面源检定发展要求,本工作采用最新测量技术对α、β表面发射率标准装置进行了改造,包括探测器结构优化设计、二次仪表更新、数据采集与处理系统软件重新编制等,并对改造后装置各项性能进行了测试。结果表明,改造后装置的技术性能明显优于改造前。
关键词:α、β表面发射率;2π多丝正比计数器;标准装置
1、概述
α、β表面发射率标准装置主要用于测量大面积α或β平面源的表面发射率,主标准器为2π多丝正比计数器,該类计数器于上世纪六十年代发展起来,具有空间和时间分辨率好、探测效率高、面积大、可在强磁场中工作等优点。
本实验室的α、β表面发射率标准装置于上世纪八十年代投入使用,受当时技术条件限制,存在密封性能差、本底高等缺点;且老化严重,“5.12”地震后瘫痪,无法进行量值传递。
为使该标准装置尽早恢复,并满足α、β平面源检定的发展需求及JJG478-96《α、β和γ表面污染仪检定规程》和JJG(核工)011-91《用2π多丝正比计数器测定α、β平面源发射率》等要求,采用最新测量技术优化了探测器设计、二次仪表换代及完善六路计数系统,并测试了改造后的各项性能。
2、装置组成与工作原理
2.1装置组成
α、β表面发射率标准装置由2π多丝正比计数器、二次仪表、数据处理系统、239Pu系列平面源、90Sr-90Y系列平面源组成。其中二次仪表组件包括前置放大器、主放大器、单道分析器、门产生器、六路计数器、插件电源、高、低压电源等。
2.2 工作原理
阳极丝是由平行、等距离的金属丝组成,固定在绝缘框架上,并安装在两阴极平面之间。腔内通以工作气体(高纯甲烷),两侧有进、出气口。工作时阳极丝和阴极之间加直流高压,平面源发射的α或β带电粒子使腔内工作气体电离,产生正离子和电子,电子在电场中加速产生次级电子、最后形成雪崩放电,形成脉冲,经放大后由二次仪表记录,最终得到其表面发射率。
3、改造内容
3.1探测器
针对探测器原设计有密封性、导电性差的缺点,且原托盘较粗糙,重新设计并改造了探测器
3.2二次仪表
原二次插件老化严重,无法也无必要维修。本次选用ORTEC公司最新的标准插件:前置放大器型号为142IH,主放大器型号为575A,单道分析器型号为552。
3.3数据处理系统
随着测量技术的发展,原数据采集与处理系统的不足突显,如测量数据不能清除、定时失效、测量数据容易丢失等。为此,本次更换了六路计数器并重新编制了软件程序。
4、装置性能测试
4.1坪曲线
坪曲线是衡量计数管性能的重要标志。其主要参数有坪斜和坪长等。一般,坪长越长、坪斜越小,则探测器性能越好。
本次用编号为06-010、活性区面积为140cm2的β平面源测定坪特性。坪曲线坪长达到400V,优于改造前的300V;坪斜为0.5%/100V,优于改造前的1%/100V。
4.2 仪器本底
放射性测量装置均有本底计数,直接测量下限能力,测量时一般要扣除本底,改造后分别对装置的α和β本底进行了测定。改造后α本底为3.7min-1,优于改造前的9.0min-1;改造后β本底为294min-1,优于改造前的370min-1。说明装置α、β本底性能比改造前有较大提升。
4.3小能量损失修正系数
电子仪器本身噪声和一些电磁干扰使得样品测量计数增加,需设置一定阈值消除这些干扰,但同时也会损失一些小能量信号,因此需进行小能量损失修正。本次采用甄别阈外推法分别测定α、β小能量损失修正系数。
1)α小能量损失系数实验测定
采用编号为50-098的239Pu平面源测定小能量损失修正系数。拟合曲线为:
式中:y为计数,300s-1;
x为阈值,V。
小能量损失修正系数由如下公式计算:
(1)
式中:k为小能量损失修正系数;
α0为阈值等于0时的计数;
α0.8为阈值等于0.8时的计数。
外推到阈值为0时的计数,再通过公式(1)可得到α小能量损失系数为1.008。
2)β小能量损失修正系数实验测定
采用编号为06-006的90Sr-90Y平面源测定小能量损失修正系数,拟合曲线为:
式中:y为计数,300s-1;
x为阈值,V。
外推到阈值为0时的计数,并根据公式(1)计算出β小能量损失系数为1.002。
4.4位置效应
位置效应是反映装置性能的重要参数之一。将样品盘区域均匀的选择9个点,分别用尺寸为φ20的239Pu平面源和尺寸为φ25的90Sr-90Y平面源对该装置的位置效应进行了测定,α、β位置效应的平均值标准偏差分别为0.6%、0.3%。由于测量数据中包含统计误差,根据其对α和β的不同要求,再结合位置效应具体结果,表明该位置效应对测量结果影响很小,说明探测器结构性能较好。
4.5装置死时间
装置和电子仪器均存在至少两个物理事件,且能被分开,而每两个事件之间最小时间间隔被称为死时间。由于处在死时间内的脉冲信号没有被探测器探测,所以必须对损失掉的计数进行修正。本次通过双脉冲法并按下式计算死时间τd:
(2)
式中:nA为A道脉冲产生的计数率,s-1;
nB为B道脉冲产生的计数率,s-1;
nAB为A、B两道叠加脉冲产生的计数率,s-1。
通过该方法测得装置的死时间为3.5μs。
5、结束语
本工作通过对α、β表面发射率标准装置主标准器进行优化设计和重新加工、二次仪表进行更换以及完善数据处理系统,使该标准装置恢复且各项性能得到了提升。
改造后的标准装置能满足国防系统中各种α、β平面源的检定/校准需求,符合相关规程对α、β平面源检定装置的要求。目前该标准装置的改造工作已完成,装置已投入使用,承担量值传递工作。
参考文献:
[1]JJG478-96《α、β和γ表面污染仪检定规程》;
[2]JJG(核工)011-91《用2π多丝正比计数器测定α、β平面源发射率》。
关键词:α、β表面发射率;2π多丝正比计数器;标准装置
1、概述
α、β表面发射率标准装置主要用于测量大面积α或β平面源的表面发射率,主标准器为2π多丝正比计数器,該类计数器于上世纪六十年代发展起来,具有空间和时间分辨率好、探测效率高、面积大、可在强磁场中工作等优点。
本实验室的α、β表面发射率标准装置于上世纪八十年代投入使用,受当时技术条件限制,存在密封性能差、本底高等缺点;且老化严重,“5.12”地震后瘫痪,无法进行量值传递。
为使该标准装置尽早恢复,并满足α、β平面源检定的发展需求及JJG478-96《α、β和γ表面污染仪检定规程》和JJG(核工)011-91《用2π多丝正比计数器测定α、β平面源发射率》等要求,采用最新测量技术优化了探测器设计、二次仪表换代及完善六路计数系统,并测试了改造后的各项性能。
2、装置组成与工作原理
2.1装置组成
α、β表面发射率标准装置由2π多丝正比计数器、二次仪表、数据处理系统、239Pu系列平面源、90Sr-90Y系列平面源组成。其中二次仪表组件包括前置放大器、主放大器、单道分析器、门产生器、六路计数器、插件电源、高、低压电源等。
2.2 工作原理
阳极丝是由平行、等距离的金属丝组成,固定在绝缘框架上,并安装在两阴极平面之间。腔内通以工作气体(高纯甲烷),两侧有进、出气口。工作时阳极丝和阴极之间加直流高压,平面源发射的α或β带电粒子使腔内工作气体电离,产生正离子和电子,电子在电场中加速产生次级电子、最后形成雪崩放电,形成脉冲,经放大后由二次仪表记录,最终得到其表面发射率。
3、改造内容
3.1探测器
针对探测器原设计有密封性、导电性差的缺点,且原托盘较粗糙,重新设计并改造了探测器
3.2二次仪表
原二次插件老化严重,无法也无必要维修。本次选用ORTEC公司最新的标准插件:前置放大器型号为142IH,主放大器型号为575A,单道分析器型号为552。
3.3数据处理系统
随着测量技术的发展,原数据采集与处理系统的不足突显,如测量数据不能清除、定时失效、测量数据容易丢失等。为此,本次更换了六路计数器并重新编制了软件程序。
4、装置性能测试
4.1坪曲线
坪曲线是衡量计数管性能的重要标志。其主要参数有坪斜和坪长等。一般,坪长越长、坪斜越小,则探测器性能越好。
本次用编号为06-010、活性区面积为140cm2的β平面源测定坪特性。坪曲线坪长达到400V,优于改造前的300V;坪斜为0.5%/100V,优于改造前的1%/100V。
4.2 仪器本底
放射性测量装置均有本底计数,直接测量下限能力,测量时一般要扣除本底,改造后分别对装置的α和β本底进行了测定。改造后α本底为3.7min-1,优于改造前的9.0min-1;改造后β本底为294min-1,优于改造前的370min-1。说明装置α、β本底性能比改造前有较大提升。
4.3小能量损失修正系数
电子仪器本身噪声和一些电磁干扰使得样品测量计数增加,需设置一定阈值消除这些干扰,但同时也会损失一些小能量信号,因此需进行小能量损失修正。本次采用甄别阈外推法分别测定α、β小能量损失修正系数。
1)α小能量损失系数实验测定
采用编号为50-098的239Pu平面源测定小能量损失修正系数。拟合曲线为:
式中:y为计数,300s-1;
x为阈值,V。
小能量损失修正系数由如下公式计算:
(1)
式中:k为小能量损失修正系数;
α0为阈值等于0时的计数;
α0.8为阈值等于0.8时的计数。
外推到阈值为0时的计数,再通过公式(1)可得到α小能量损失系数为1.008。
2)β小能量损失修正系数实验测定
采用编号为06-006的90Sr-90Y平面源测定小能量损失修正系数,拟合曲线为:
式中:y为计数,300s-1;
x为阈值,V。
外推到阈值为0时的计数,并根据公式(1)计算出β小能量损失系数为1.002。
4.4位置效应
位置效应是反映装置性能的重要参数之一。将样品盘区域均匀的选择9个点,分别用尺寸为φ20的239Pu平面源和尺寸为φ25的90Sr-90Y平面源对该装置的位置效应进行了测定,α、β位置效应的平均值标准偏差分别为0.6%、0.3%。由于测量数据中包含统计误差,根据其对α和β的不同要求,再结合位置效应具体结果,表明该位置效应对测量结果影响很小,说明探测器结构性能较好。
4.5装置死时间
装置和电子仪器均存在至少两个物理事件,且能被分开,而每两个事件之间最小时间间隔被称为死时间。由于处在死时间内的脉冲信号没有被探测器探测,所以必须对损失掉的计数进行修正。本次通过双脉冲法并按下式计算死时间τd:
(2)
式中:nA为A道脉冲产生的计数率,s-1;
nB为B道脉冲产生的计数率,s-1;
nAB为A、B两道叠加脉冲产生的计数率,s-1。
通过该方法测得装置的死时间为3.5μs。
5、结束语
本工作通过对α、β表面发射率标准装置主标准器进行优化设计和重新加工、二次仪表进行更换以及完善数据处理系统,使该标准装置恢复且各项性能得到了提升。
改造后的标准装置能满足国防系统中各种α、β平面源的检定/校准需求,符合相关规程对α、β平面源检定装置的要求。目前该标准装置的改造工作已完成,装置已投入使用,承担量值传递工作。
参考文献:
[1]JJG478-96《α、β和γ表面污染仪检定规程》;
[2]JJG(核工)011-91《用2π多丝正比计数器测定α、β平面源发射率》。