气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法及系统

摘要

本发明属于核辐射测量技术领域，具体涉及一种气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法及系统。该方法首先确定主放大器时间常数，继而在该时间常数下测量气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线，根据测量的关系曲线就可以判断或验证探测器类型、估算气体增益范围。本发明以在探测器内相同沉积能量产生的最显著的特征能峰为测量依据，避免了其他沉积能量的干扰，将收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量扩展至发射不同能量β粒子的辐射源和气体中子探测器领域。

说明书

技术领域

本发明属于核辐射测量技术领域，具体涉及一种气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法及系统。 

背景技术

如图1所示，气体核辐射探测器内部充有气体，在探测器上设置两个电极，电极上加电压在气体空间形成电场。核辐射粒子通过气体时，使气体分子电离，在通过的路径上生成大量的离子对——电子和正离子。电子、正离子在电场作用下向两极漂移。探测器通过收集这些漂移电荷来探测核辐射。收集的电荷数与外加电压存在一定的关系，收集的电荷数与外加电压的关系曲线表征这种关系。收集的电荷数与外加电压的关系曲线是判断或验证探测器类型的依据，根据该曲线可估算出气体增益范围(探测器最重要的性能参数之一)。电流计测电流方法是传统的曲线测量方法，测量装置如图1所示，测量所得的曲线也称为电压电流曲线。完整的收集的电荷数与外加电压的关系曲线如图2所示。电流计测电流方法要求辐射强度恒定不变，核辐射粒子在探测器内沉积能量相同，这样每个核辐射粒子产生的电荷量相同。对于单能的α粒子、β粒子等核辐射粒子，在探测器内沉积能量相同。对于发射不同能量β粒子的辐射源，由于不同能量的核辐射粒子在探测器内沉积能量不同，因此无法使用电流计测电流方法测得关系曲线。对于气体中子探测器，由于壁效应，中子在探测器内沉积能量不同，探测不同中子产生的电荷量不同，因此无法使用电流计测电流方法测得关系曲线。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法及系统，可实现对发射不同能量β粒子的辐射源以及气体中子探测器的测量。 

本发明的技术方案如下：一种气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，包括如下步骤： 

（1）通过多道脉冲幅度分析器测量与核辐射探测器相连接的主放大器输出的脉冲幅度谱，确定主放大器时间常数，所述脉冲幅度谱的横坐标为多道脉冲幅度分析器的道数，纵坐标为多道脉冲幅度分析器的计数； 

（2）在确定的主放大器时间常数下，将加载了辐射源的气体核辐射探测器的外加高压从小到大调节，直到脉冲幅度谱出现核信号特征能峰，将此时的高压作为测量的起始电压； 

（3）调节主放大器放大倍数将脉冲幅度谱调至合适的宽度，此时主放大器输出最大脉冲对应的道数小于多道脉冲幅度分析器的最大道数且大于多道脉冲幅度分析器最大道数的1/2，记录主放大器放大倍数k_i和脉冲幅度谱特征能峰峰位道址m_i； 

（4）以起始电压为基准，将高压间隔一固定宽度从小到大调节，每一个高压下按步骤（3）重复测量过程； 

（5）根据测量的数据绘制lg(m_i/k_i)随高压变化的曲线，即为收集的电荷数与外加电压的关系曲线。 

进一步，如上所述的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，步骤（1）中，所述的确定主放大器时间常数的方法是：将核辐射探测器的外加高压调至估计的工作电压区间内的任意一点，通过多道脉冲幅度 分析器测量与核辐射探测器相连接的主放大器输出的脉冲幅度谱，调节主放大器的微、积分时间常数，选择脉冲幅度谱中分辨率高的时间常数，分辨率=主峰半高宽/主峰道址。 

更进一步，如上所述的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，步骤（1）中，调节主放大器的微、积分时间常数的同时，使用示波器观察主放大器输出脉冲的形状，确保其峰形不发生畸变。 

更进一步，如上所述的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，步骤（1）中，在脉冲幅度谱中分辨率相同的情况下，选择相对小的时间常数。 

进一步，如上所述的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，步骤（2）中，如果脉冲幅度谱出现多个能峰，以峰位最高的能峰作为所述的核信号特征能峰。 

进一步，如上所述的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，步骤（4）中，调节高压间隔的固定宽度为50V或100V。 

一种气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量系统，包括时间常数确定装置和气体核辐射探测器脉冲幅度谱测量装置，其中，所述的时间常数确定装置包括核辐射探测器，核辐射探测器顺次连接前置放大器和主放大器，高压电源通过前置放大器转接到核辐射探测器上，主放大器与示波器及多道脉冲幅度分析器连接，多道脉冲幅度分析器连接计算机；所述的气体核辐射探测器脉冲幅度谱测量装置包括气体核辐射探测器，气体核辐射探测器顺次连接前置放大器和主放大器，高压电源通过前置放大器转接到气体核辐射探测器上，主放大器与多道脉冲幅度分析器连接，多道脉冲幅度分析器连接计算 机。 

本发明的有益效果如下：本发明以测量脉冲幅度谱为基础进行气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量，以在探测器内相同沉积能量产生的最显著的特征能峰为测量依据，避免了其他沉积能量的干扰，将收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量扩展至发射不同能量β粒子的辐射源和气体中子探测器领域。 

附图说明

图1为气体探测器及电压电流曲线测量装置示意图； 

K-探测器阳极，C-探测器阴极，W-绝缘体，A-电流计，V₀-电压； 

（a）中V₀为负高压，（b）中V₀为正高压； 

图2为收集的电荷数与外加电压的关系曲线示意图； 

图3为本发明的方法流程图； 

图4为脉冲幅度谱测定方法确定时间常数硬件结构示意图； 

图5为脉冲幅度谱方法测量收集的电荷数与外加电压的关系曲线硬件结构示意图； 

图6为脉冲幅度谱示意图； 

图7为实施例中外加电压1150V时³He正比计数管脉冲幅度谱示意图； 

（a）主放大器微、积分各4μs（b）主放大器积分2μs，微分4μs 

图8为实施例中外加电压1350V时³He正比计数管脉冲幅度谱示意图； 

图9为³He正比计数管收集的电荷数与外加电压的关系曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 

本发明所提供的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量系统的硬件结构包括时间常数确定装置和气体核辐射探测器脉冲幅度谱测量装置，其中，所述的时间常数确定装置的结构如图4所示，包括核辐射探测器，核辐射探测器顺次连接前置放大器和主放大器，高压电源通过前置放大器转接到核辐射探测器上，主放大器与示波器及多道脉冲幅度分析器连接，多道脉冲幅度分析器连接计算机。所述的气体核辐射探测器脉冲幅度谱测量装置的结构如图5所示，包括气体核辐射探测器，气体核辐射探测器顺次连接前置放大器和主放大器，高压电源通过前置放大器转接到气体核辐射探测器上，主放大器与多道脉冲幅度分析器连接，多道脉冲幅度分析器连接计算机。 

如图3所示，本发明提供的气体核辐射探测器收集的电荷数与外加电压的关系曲线测量方法，包括如下步骤： 

（1）通过多道脉冲幅度分析器测量与核辐射探测器相连接的主放大器输出的脉冲幅度谱，确定主放大器时间常数，所述脉冲幅度谱的横坐标为多道脉冲幅度分析器的道数，纵坐标为多道脉冲幅度分析器的计数。 

由于同类型的核辐射探测器工作电压区间不会差别太大，将核辐射探测器的外加高压调至估计的工作电压区间内的任意一点，通过多道脉冲幅度分析器测量与核辐射探测器相连接的主放大器输出的脉冲幅度谱，调节主放大器的微、积分时间常数，选择脉冲幅度谱中分辨率高的时间常数，分辨率=主峰半高宽/主峰道址。脉冲幅度谱测量时，还需使用示波器观察主放大器输出脉冲的形状，确保其不发生畸变是高斯峰形。对同一核辐射探测器，由于时间常数越大主放大器输出脉冲越宽，漏计数率越高，所以在相同脉冲幅度谱分辨率前提下为了减小漏计数率，选择小时间常数。 

（2）在确定的主放大器时间常数下，将加载了辐射源的气体核辐射探测器的外加高压从小到大调节，直到脉冲幅度谱出现核信号特征能峰，如图6所示，将此时的高压作为测量的起始电压；如果脉冲幅度谱出现多个能峰，以峰位最 高的能峰作为所述的核信号特征能峰。 

（3）调节主放大器放大倍数将脉冲幅度谱调至合适的宽度，此时主放大器输出最大脉冲对应的道数小于多道脉冲幅度分析器的最大道数且大于多道脉冲幅度分析器最大道数的1/2，记录主放大器放大倍数k_i和脉冲幅度谱特征能峰峰位道址m_i； 

（4）以起始电压为基准，将高压间隔一固定宽度从小到大调节，每一个高压下按步骤（3）重复测量过程；调节高压间隔的固定宽度可以为50V或100V。 

（5）根据测量的数据绘制lg(m_i/k_i)随高压变化的曲线，即为收集的电荷数与外加电压的关系曲线；根据测得的关系曲线，与图2作对比，可判断或验证该探测器类型。将起始电压时的气体增益定为1，根据测量数据可计算出气体增益范围。 

实施例 

核辐射探测器使用³He正比计数管，辐射源使用²⁴¹Am-Be同位素中子源。使用脉冲幅度谱测定方法确定时间常数，其硬件结构如图4所示。³He正比计数管工作电压一般在1000至1500V之间，实验时，将³He正比计数管外加电压调至1150V。在该高压下，脉冲幅度谱分辨率高且主放大器输出不发生畸变，最小的时间常数是主放大器积分2μs，微分4μs。如图7a所示，主放大器微、积分各4μs的脉冲幅度谱主峰发生劈裂，影响特征能峰峰位确定。 

在主放大器积分2μs微分4μs的时间常数下测量收集的电荷数与外加电压的关系曲线，硬件结构如图5所示，测得外加电压1350V时³He正比计数管脉冲幅度谱如图8所示。³He与中子发生核反应的反应式为： 

n+³He→³H+¹H+0.764MeV 

反应生成764keV的能量，都转化为反应产物氚和质子的动能，氚和质子分别携带191keV和573keV的能量。氚和质子的动能全部沉积在探测器内产生的能峰 就是³He正比计数管脉冲幅度谱的特征能峰，如图8所示。起始电压250V，由于主放大器放大倍数下限限制(主放大器最小放大倍数为5)，测量的终止电压为1500V(在主放大器放大倍数调至最小的情况下，若再增加高压，特征能峰将超出多道脉冲幅度分析器的测量范围)。测得³He正比计数管收集的电荷数与外加电压的关系曲线如图9所示，根据测得的关系曲线，与图2作对比，验证了所测探测器是正比计数器。将起始电压时的气体增益定为1，根据测量数据可计算出终止电压时的气体增益为51.9。 

本实施例中使用的前置放大器型号QF07，主放大器型号BH1218，多道脉冲幅度分析器型号2048，示波器型号TDS2024。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。