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大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择.doc

大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择

任常足
2017-12-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择doc》,可适用于综合领域

大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择第卷第期(总第期)辐射防护通讯年月研究通报大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择DistributionoftheElectricFieldIntensityandSeletionofParametersintheLargeareaFlowgasMultiwireProportionalCounter张凤翔任伟(中国辐射防护研究院,太原,)ZhangFengxiangRenWei(ChinaInstituteforRadiationProtection,Taiyuan,)摘要为了解大面积流气式多丝正比计数管工作空间的电场分布,本文提出了近似计算的物理模型,并在设定的条件下进行了数值计算,得到了电场分布的近似结果及其某些参数,诸如丝距和电极间距等的关系,以便于多丝正比计数管的正确设计和使用关键词:多丝正比计数管电场强度分布阳极丝距电极间距中图分类号:rIL文献标识码:A文章编号:()AbstractTounderstandthegeneraldistributionoftheelectricfieldintensityinthelargeareaflowgasmultiwireproportionalcounter,anapproximatephysicalmodelissuggestedfornumericalcalculationandthefieldintensitydistributionthatistherelativeresultbasedonlimitedconditionsisobtainedTherelationbetweenthedistributionandsomegeometricparametersofthecounter,suchastheintervalbetweentheneighborwiresandtheanodetocathodedistance,ispresentedThisisadvantageousforthedesignandapplicationofthemultiwireproportionalcounterKeywords:MultiwireproportionalcounterElectricfieIdintensitydistributionAnodetocathodedistanceIntervalbetweenwires引言污染测量用大面积流气式多丝正比计数管多采用平板型结构(如图所示),即在由外壳和窗口密封用导电薄膜构成的阴极中间夹着一层均匀排列的阳极丝在这样的电极配置中,由于具体的丝径,丝距和管腔垂直深度等几何尺寸的设定,内部空间的电场强度将影响着计数管输出信号的波形参数,从而在仪器的整机设计中影响着探测通道的性能和结构所以对计数管内部空间电场分布的了解是正确设计和使用上的需要鉴于对连续的阴极和离散的阳极所构成的图系统内的电场作严格计算或实验检测均很困难,所以将计数管内电场的大致分布及其与主要的几何结构参数间的关系作为本文讨论对象阳极丝径的选择在计数管工作空间的气体中产生次级电离的倍增需要很高的电场强度,因此阳极丝要很细此外,还要考虑丝的表面质量,机械强度以及工作气体的电击穿强度鉴于丝的细度与长度,还要考虑可操作性一般选用钨丝(或镀金钨丝)它属工业标准系列产品在以往的实践中,多采用收稿日期:作者简介:张凤翔(),男,年毕业于清华大学,研究员一辐射防护通讯年月第卷第期,lnln的丝径,本文取lnln…阳极图多丝正比计数管示意图电场强度分布的近似计算勿庸置疑,多丝正比计数管内各点的电场是由所有阳极丝的贡献组合而成的但对应空间任一点,每根阳极丝都可能与阴极构成一组组几何形状既不典型,彼此之间也不尽相同的电极空间条件但它们的共同点是阳极丝的长度无论相对丝径来说,还是相对电极间距来说都要大得多加之,阳极丝上均匀分布在不同部位的电荷对空间任一点电场强度的贡献随距离增大而迅速减小,在计数管的绝大部分空间上可以采用下述物理模型近似计算如图所示,将阴极表面上与阳极丝平行的一长条无限窄的平面面积元AS看成为极窄的一条面对某根阳极丝的圆柱形面积元,由此组成一圆柱形同轴导体系统,并分别作为此系统的内外导体,如图中的与AS,内电极为阳极丝,外电极为圆柱形面积元AS这样一来,空间任一点P就可以同时成为多组同轴内外导体间的一点,于是P点的电场强度也就应该是各组同轴导体在该点所产生的电场强度之和(矢量和)而且因为上述假设,同轴导体都较长,所以在除去周边外的绝大部分工作空间上,每组电极在P点所产生的电场强度方向均被认为重合于通过P点而与同轴系统轴线相交的垂直线上因而,所有这些垂线集中在过P点而垂直于阳极丝轴线平面的平面上具体来说,在图上由点P向作为内导体的阳极丝(的轴线)作垂直线,距离为,延长交阴极表面于Q,过Q沿着平行阳极丝的方向在阴极表面取面积元AS,Q与(轴线)之距为b对于和AS这一圆柱形同轴电极空间系统,P点的电场强度模量为:f,IEln()ri口式中,为工作电压,o为阳极丝半径由上述可知,其方向重合于若长度单位为lnln,则式()结果的单位为Vmm图多丝正比计数管内部电场强度计算模型如图,将直角坐标系引入计数管的工作空间,令Y平面重合于阳极丝(轴线)平面,轴垂直于丝,则Y轴为阳极丝的走向,z轴将垂直于电极(阳极丝平面及阴极)平面图将三维直角坐标系引入后的多丝正比管(轴若P点坐标为(o,Yo,zo),ri在阳极丝线)上的垂足为点(,Yf,),则有:=(一Xi)(YoYi)(zoZi)()()式中,H为阳极丝平面与阴极表面的距离,即电极间距由于Y=Yo及=,故式()和()可一l一大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择张凤翔改写为::(z一Xi)()b:一Hri()ZO由此,在所关注的P点的向两侧,由n根分离的阳极丝组成的阵列于该点所形成的电场强度在各方向上的分量和的一般表达式为::Ey=():考虑到Yf=Y以及既可能,也可能f,那么当n是足够大时:E一=O()=Ezoi:l实际情况是,在阳极丝表面附近区域内除去A和A位置以外的空间上,两侧的阳极丝对E的贡献便不能抵消,特别是当所关注点的向位置接近A时,实际上可以认为:()当时:()戈为最靠近关注点P的阳极丝的向坐标这就是说,在阳极丝表面附近的平面内,无论哪个方向上电场强度都较强,而且与向不同,由于所有的阳极丝对向均有正贡献,所以在与丝等距离点上强于由以上推算可知,对计数管内电场的了解,主要集中在平面内对和分布的了解上多丝正比管中的电场分布当图中的H=rain,a=rain,n=时,在单位工作电压(即V),针对不同丝距(D=,,,,,,mm),在居中或比较居中的A和A两个特定位置上,由阳极丝平面(=)起,取点计算E:,其结果示于图(ram)图与阳极丝平面不同距离的分布(工作电压V)对应同一丝距的,与A和A二位置相对应的一对曲线开始差异悬殊,随后变化趋势各不相同相应于A位置者,随着远离阳极丝,先急剧单调下降,其后速度逐渐趋于缓慢而相应于者,属非单调变化,先升后降,上升时速度较快但不及前者下降剧烈,下降段则又较前者稍慢于是二者之下降段逐渐接近,并于某点开始,事实上重合在一起后,继续呈缓慢下降趋势将不同丝距时的这些重合点连接起来得到曲线BB'数值验算证明,在后者的右侧,即相当于计数管内靠近阴极的一侧,对应某一丝距的之间任一位置的随的变化均将重合于图上该丝距所对应的重合线段上即E:存在与电极平面平行的(或稍有周期性起伏的)等强度面丝距较小时,重合范围较宽,电场较强,变化稍快否则反之此区域姑且称为E:的准均匀区曲线BB的左侧则不然,每一对相应于A和A的曲线限定了该丝距时A和A之间所有位置的E:的分散变化区间当所关注的位置由A移向A时,这一变化过程愈加明显而且丝距较小时,变化也更趋急剧阳极一侧的这个区域,随丝距的减小而变得较薄此区域为的非均匀区与阴极一侧不同,由于A和A等距相间,所以此时的等强度面由周期性的起伏逐渐过渡为类似半椭圆的环形柱面此外,A位置处=点周围,电场强度很弱,视为"盲区"同时,以丝距为D=rain为例,当和Y分一辐射防护通讯O年月第卷第期别在D和日的范围内取值时,对的近似计算结果示于图,图和图图显示,=时,随作周期性变化由图可以看到,靠近阴极一侧,比图的准均匀区还要大些的范围内Ex《E:,其变化为:在向上随远离阴极而极缓慢地加强在向上,无论是大小还是方向均对称于A和A,呈周期性起伏至于在阳极一侧的其余空间内,对应不同向位置,也是周期性地沿向以不同的速度迅速增强,直至与=时的图曲线相衔接同样,在不同的向位置上,E沿向也呈周期性变化:A和A两位置上很弱,偏离A后则急剧加强,后又以逐渐减弱的过程趋向A其变化如图至于,由于阳极丝的长度毕竟有限,所以一般Er但考虑到Y方向上电极电荷均匀的连续分布与方向上的离散分布对空间电场合成的影响的差异,不难想像,在绝大部分空间上,较之更弱E,和合成后的结果将不会明显改变E:等强度面的分布格局(见图)rz电极系统空间内的向电位差为lE:dz,dz所以空间电场的等位面也相似于图至于电极系统的边缘,由于场强变化快于r,,各向投影角度,两端支撑零部件电荷分布的影响,以及两侧边缘实际较小的电极结构间距等因素的综合影响,电场分布的畸变对计数管响应产生影响的区域不大,这已被实验所间接验证,不超过总空间的综上所述,当考虑到计数管如图所示的"三明治"式的结构时,除电极系统边缘一小部分空间外,其工作空间的电场强度分布为:远离阳极平面两侧,靠近阴极处,存在着强度缓慢变化,基本上平行于电极平面的等强度面后者略有起伏的周期性变化幅度随着向阳极靠近而逐渐趋于明显待过渡到阳极附近的空间时,等强度面由周期性起伏迅速加强,继而变成有规律的椭圆柱面类似于对的描述,图中阴极附近为电场变化较小,也较缓慢的准均匀区,丝距较小时,此区较厚也较强阳极丝附近则为随丝距不同,变化剧烈程度各异的非均匀区后者中,在=的平面附近相邻的两根阳极丝之间,两块对称的电场剧烈变化区域之间夹着很小的一小块强度很弱,变化也较缓慢的"盲区""nm图阳极丝平面上丝间的分布(丝距nln工作电压V,z=)(a)总体(b)局部(一O~EO)图计数管电极间随z的分布(丝距nlffH,工作电压V)一,大面积流气式多丝正比计数管的空间电场强度分布及参数选择张凤翔jll(mm)Ol巴一(a)总体(b)局部(一OOOO)图计数管电极间随的分布(丝距舢工作电压V)图计数管工作空间电场分布示意图电极间距对电场强度分布的影响在计数管的设计中,电极间距日的选择对上述电场分布有何影响,这是设计者所关注的为此,将式()对日微分,得空间一点的场强E随dH的相对变化为:塑:一d()E一一u口,u,lnfdH一J一n"H'日ln:lnln一lnln旦()由于rz,故:emax:Inln罢一Inln口()根据前面的讨论,日若取值mln,考虑到实际上多丝正比管可能选择的厚度范围,当H=mln时:e:,In:一一而一uj而当H=mln时:emax=即日值由mm到mm变化时,其结果与中间值结果相差仅这说明日变化对空间位置的电场强度及其分布形态的影响甚小,日值的扩大与减小基本体现在图,图和图等曲线簇高端的伸缩,也即图准均匀区厚度的大体相同的变化上此时保留下来的阳极丝附近的电场分布的情况则基本不变也就是说,选择太小的电极间距会使计数管工作空间只剩下电场变化的非均匀区……,阳极丝距和电极间距的确定HInHr带电粒子入射管腔后,与其在工作气体中产当日变为啉空ZCt间该点场强的相对变'信号波形本身的信息量要求不同信号波形本身的信息包括波形的时间特性和幅度特性,这不但匾加一h五警带式将辐射防护通讯年月第卷第期与入射粒子本身的性质有关,也与带电粒子在正比计数管内的运动过程有关在一定的工作高压情况下,阳极丝距和电极间距决定着工作空间电场的强弱与分布,而且不同的阳极丝距和电极间距不但影响着每个计数事件所包含的全部粒子漂移过程的分散程度,也因为决定了入射粒子能量消耗分额而可能间接地影响计数管输出的信噪比和不同粒子信号的甄别与分离伴随着这些几何参数的选择,还要考虑实现计数管的现实工艺条件,如阳极丝的表面质量和计数管壳成型的工艺条件等限制性因素所以一般情况下,应根据具体的监测对象和要求,分析各种得失折衷确定适中的,mm阳极丝距,以及约等于重带电粒子(如a粒子)垂直入射计数管窗口后的剩余射程的约,cm的工作空间厚度,即H=,crn左右,应具有较宽的适用范围,包括对aB混合场的监测在内参考文献E科瓦尔斯基核电子学北京:原子能出版社,:(责任编辑:郭鲜花)!!矫!矫矫绵带绵尔出不不尔尔尔带文献题录RadiationProtectionDosimetryVoNo再U言水中Rn浓度所致剂量的估算用MCNP程序计算临床光子能谱转换系数用于热释光技术高剂量测量的彩色玻璃不同热释光剂量计在轴St轴Y辐射场中的性能个人监测用TLD系统质量控制参数的研究TN,DPRSN个人监测服务中使用的数据库热中子场的热释光剂量测量以及与蒙特卡罗计算的比较铀矿开采业中的氡照射与旅游岩洞中的氡照射用二极管和TLD对头部和颈部癌症的外部光子治疗进行体内剂量测量工作场所的氡:补救后监测的研究解释摄入高温反应堆燃料元件灰后mCs长期滞留的案例研究用LR探测器和火花计数器进行氡测量的不确定性评价用光子照射蒙特卡罗程序系统分析人体内局部剂量的分布胸部X射线诊断的剂量测量:成人与儿科患者采用氧化铋(Bi)和铜酞菁蓝(CuPs)高分子厚膜的金属氧化硅(Ms)剂量计西班牙花岗岩地区居民的天然辐射剂量ADAM数学体模在辐射防护方面的可用性和局限性利用复制品对CR探测器径迹参数的测量西班牙人食用蘑菇后所致剂量医用直线加速器中子剂量率的估算用高纯锗探测器(唧Ge)测量诊断x射线束墨西哥城住宅中室内钍水平的变化I近距治疗的辐射剂量:年的回顾希腊Lesvos群岛温泉中的氡照射一OMGlpez等MAFlima等LVECaldas等MLOliveira等JGAlves等JGAlves等ACFemandes等LQPonceh等cJTung等ARDemnan等MFroning等FCampi等SOhnishi等MBFreitas等AArshak等Rlpez等ISmiljanie等KNYu等ABaeza等AFacure等MSNogueira等TMailineg等ANAIHaj等EVogiannis等

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