多丝正比室视差效应改善方法

多丝正比室视差效应改善方法 ，强激光与粒子束第卷第期 ,,,,,:,,,,::,,, ， 年月 ,,,,,:,,,:,,,,,,,, ,:,,, ,,,,, ,:, ,,,,,,,, ,,,,, 文章编号, ,, ,::,,,,,,:,,,,,,:,:,))) , 多丝正比室视差效应改善方法 ，,,,,,， ， ， 王小胡蓝朝晖龙继东章林文 ,，,西南科技大学 核废物与环境安全国防重点学科实验室四川 绵阳 ,,,,,:,: ，,中国工程物理研究院 流体物理研究所四川 绵阳 ,,,,,,:: 摘 要, 通过模拟研究，找到了一种采用非均匀电极高压来改善探测器视差效应的方法,考 察 了 该 方 法 、。 ,对多丝正比室的电子收集效率增益一致性等性能的影响结 果 明该 方 法 可 以 显著减小探测器的视差效 ，，应不会影响探测器的电子收集效率引起的阳极丝增益一致性的变化也基本不会对探测器的总体性能造成影 。响 , , , , 关键词多丝正比室视差效应非均匀电极模拟研究 ,,, , 中图分类号 文献标志码 :,:,,,:,,:,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,:, ,,，、。自年发明多丝正比室以来其在带电粒子射线及中子位置测量中发挥着重要的作用 ,,,,,,,,, ，多丝正比室一般采用平板型结构其灵敏区的有限厚度和均匀型电场使得探测器在测量射线位置时会存在视 。。 ，差效应视差效应主要影响探测器对射线角度测量的精度在降低视差效应方面一种有效的手段是制作环 ,,),,，。 ,,形或球面形的探测器显然这种方法对探测器的制作提出了较高的要求文献介绍了另一种改善 , ，，气体探测器视差效应的方法研究者通过采用近似高斯分布的阴极平面高压使探测器灵敏体积内的电场强度 ,,,，。 近似为球形分布有效地减小了探测器的视差效应本文利用 程序对通过非均匀电极高压改善多 ,,,,,,,, 。,,，，丝正比室视差效应的方法进行模拟研究与文献不同阴极平面高压不再采用高斯分布而是根据每一根 , ，，阴极丝到样品的几何距离直接确定其参考电位值由此改变探测器灵敏体积内的电场分布使电场方向与射线 。，、、入射方向尽可能一致对于一维探测器研究了同时将阴极平面读出平面阳极平面采用非均匀高压时对视 。，，差效应的改善效果另外考虑到非均匀高压造成电场强度的不均匀性同时研究了特殊电极高压对探测器其 、。他性能如电子收集效率阳极丝增益一致性等的影响规律 改善视差效应的原理与方法 , 视差效应的产生 ,,,，，对于平板气体探测器视差效应产生的原因是由于探测器 。 灵敏体积内电场各处均匀而且电场方向垂直于入射窗当非垂 ,,，直入射的中性粒子射线或中子被工作气体吸收后其产生 , ，的电离电子将会逆着电场强度方向朝着倍增电极漂移而不是 。沿着原来粒子入射的方向漂移以图所示的典型多丝正比室 , ，，结构为例如果粒子分别在 点和点被吸收对应的电离电 , , ,,。 子漂移到阳极平面的位置即测量位置将分别为点和点, , ，虽然粒子的入射角度相同但由探测器得到的测量角度却是不 。，,,,, ,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,, 一样的显然如果入射粒子产生的电离电子能够沿着粒子入 ,, 图 视差效应示意图, ，，。 ，射的方向向阳极平面漂移那么测量位置将与射线入射的深度无关视差效应也可以得到消除因此改善视 ,，。差效应的途径就是改变探测器灵敏体积内的电场分布使电离电子漂移的方向与射线入射方向一致 ，，理想的无视差二维探测器其灵敏体积内电场的方向应与从样品散射出来的射线的方向一致即电场方向 。，为以样品为中心点呈辐射状所以理想无视差的探测器的电场分布应该与处于样品位置的带负电的点电荷 。，,、,，产生的电场一样显然如果将探测器电极平面阴极平面阳极平面等分为若干个足够小的单元使每个单 ,,,收稿日期 修订日期 , ,:,,:,:,,:,,:,,,)))),,,,,,,,,基金项目四川省教育厅资助科研项目西南科技大学科研基金项目国家自然科学基金项目 ,,:,,,:,:,,:,,,,,,:,,,:,,—,，，，,。作者简介王小胡男讲师主要从事辐射探测技术研究 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 。，,,,，场可以实现径向分布由电磁场理论可知带负电的点电荷周围的电势分布遵从规律其中 , ,),, ,? 。，，为到点电荷的距离根据这一特性可以由探测器各电极单元到样品的几何距离确定其参考电位值由此可得 。到与样品位置处点电荷产生的电场分布近似的电场分布 ，,,。 ，对于一维探测器探测器只需测量射线在一个方向如图中的方向的位置分布这种情况下探测 , , 器灵敏区的电场方向只需在图中平面内保持与从样品散射出来的射线的方向一致即可实现无视差效应 ,), ，。 由电磁场理论样品位置处沿方向的均匀带负电无限长细棒周围的电场强度与细棒垂直呈辐射状所以, ,,,,,,,如果根据样品处沿方向的无限长均匀带电细棒周围的电位分布规律来确定探测器 , ,,,,,,,,,:: ，。 ，的电极电压则可在探测器灵敏体积内得到近似为辐射状电场分布其中为电极单元到样品的距离在 , ,), ，,,。平面的投影为投影距离为处的参考电位 ,,,:: 多丝正比室结构建模 ,,, 、，针对有效面积总灵敏区厚度的多丝正比室假定样品到入射窗的距离为 ,:,,×,:,,,, ,, ,:,, ，，。 定义入射角为射线运动方向与入射窗法线之间的夹角在上述几何条件下射线的最大入射角为多丝正 ,,? ，、。比室的结构与图类似由一个阴极平面一个阳极平面和两个感应平面构成阴极平面到上感应平面的距离 , ，，。为阳极平面到上下两感应平面的距离均为所有电极平面均由平行等距的细金属丝构成具体 ,: ,,, ,, ,，,，,结构参数如下阳极丝直径丝间距感应丝由直径平行丝构成丝间距阴极丝直,,,,,,,:, ,,,μμ 径 ，。，，，丝间距对于常规多丝正比室一般是所有阳极丝上加相同正高压阴极丝上加相同负高压,:,, ,,μ 而 。，，感应丝均处于地电位而在视差效应改善方法研究中各电极平面丝上的电压不再取为均匀相同而是由每一 。根丝到样品的距离决定其参考电压值 。，利用 对探测器单元结构进行建模由 计算不同电极高压下同一角度入射径迹产生的 ,,,,,,,,,,,,,,,, 。，，电离电子到达阳极平面的位置分布该位置分布可以用来表征视差效应的强弱分布宽度越小视差效应越 。小 ，由于 程序仅方便处理平行金属丝的结构本文主要对上述采用平行金属丝阴极平面的多丝正比 ,,,,,,,, ，室结构进行了计算这种平行金属丝的阴极结构只能用于探测器垂直于阴极丝方向的一维视差效应的改善 ，，如果要对二维方向的视差效应进行改善则阴极丝平面可由一组同心圆环型的金属电极平面代替且每个金属 ,,,。圆环电极的工作电压根据它到样品的距离由规律决定 ,,),, ? 非均匀电极高压对视差效应的改善 , 阴极平面采用非均匀高压 ,,,,、、对于 微 结 构 气 体 探 测 器 ,,,,,,,,,,,:,,,,, ,，等其结构特点决定了只可能在探测器的阴极平面 采 用 非 。均匀高压考虑到这种方法在微结构气体探 测 器 视 差 效 应 ，改善方面应用的可能性首先计算了只采用非均匀阴极高压 。，、的情况计算中阳极丝平面处于同 一 正 电 位感 应 丝 平 面 。，处于地电位为了便于比较阴极平面从阴极平面中心对称 ，，分为两组一组阴极丝采用均匀负高压一组丝高压从阴极 ，,,平面 中心向边缘逐 渐 减 小具体电压值根据 ,,, ,,,,,。规律由每根丝到样品的距离决定 ,,,,,,:: 电场分布 ,,,,, 图是由 得到的采用非均匀阴极高 压 后 多 丝 , ,,,,,,,, 。，正比室的等势线分布图从图中可以看出在采用均匀阴极 ， ,,,, ,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,),，高压的左边部分漂移区的等势线处处均匀且平行于探测器 ,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,, ,,,,,,。，电极平面而在采用非均匀阴极高压的右半部分等势线基 ,:,,,,,:,,,,,,:,,:,,,,,,,,), ，。本变为圆弧形且大部分区域的等势线基本相互平行 图 采用非均匀阴极高压后的探测器等势线图, 强激光与粒子束第卷 ,, ,,:, ，，，，分电场强度的方向为均匀垂直于阴极平面而在右半部分电场强度方向不再与阴极平面垂直而是与垂直方 。，，。向有一定的夹角所以非均匀阴极高压设置对电场分布改善作用是比较明显的 不同入射角度下电离电子的位置分布 ,,,,, 。 ，在 中计算了不同角度入射的带电粒子产生的电离电子的漂移径迹计算中入射径迹贯穿整个 ,,,,,,,, ，。漂移区且假定电离电子在径迹长度内均匀产生电离电子漂移到阳极后的位置分布宽度可用来描述视差效 ，。,,，,,应的强弱分布的宽度越窄说明视差效应越小图分别描述了在常规均匀阴极高压区域及特殊阴极 ,,, 。，，高压区域入射带电粒子产生的电离电子的漂移径迹从图中可以看出对于入射角为和带电粒子在常 ,,,?? ,，规均匀阴极高压区域电离电子分布在了根和根阳极丝上而在特殊阴极高压区域电离电子均集中在根 ,,,。，，，阳极丝上由于阳极丝的调制作用我们不能定量地计算视差效应的改善程度但从图中可以明显看出采用 ，。，非均匀阴极高压后电离电子的分布宽度明显变窄可见采用特殊阴极高压对视差效应的改善作用是非常显 。著的 ,,,, ,:,,,,:,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ??,,, 图探测器对和倾斜入射带电粒子的位置响应, ,?,,? 所有电极平面采用非均匀高压 ,,, ，、、，、对于一维探测器阴极丝感应丝阳极丝可以设置为相互平行这种情况下可以考虑同时将阴极 平 面 。，、、阳极丝平面和感应丝平面采用非均匀电压来增加视差效应的改善效果计算中每一根阴极丝感应丝阳极丝 ,,,,,,,。的 电位都根据规律由其到样品相对位置决定图为所有电极平面都采用非均匀高压 ,,,,,,,,,,:: 。，。 似为同心圆对应的径向方向即通过非均匀电极高压得到的近似为辐射状的电场分布图为所有电极采 , ，。,,，用特殊高压后入射角为和的带电粒子产生的电离电子漂移径迹图与图相比电离电子分布的宽 ,?,,?,, ，。，度进一步变窄两种角度下的电离电子最终都集中在了一根阳极丝上另外电离电子在漂移区的径迹基本变 ，。，成了一条直线近似与入射粒子径迹相重合上述结果表明当所有电极都采用由其相对位置决定的非均匀高 ，。压后探测器基本可以实现无视差效应 非均匀电极高压对探测器其他性能的影响 , ,，采用非均匀电极高压对探测器造成的影响主要有两方面首先非均匀电极高压造成了探测器各部分电场 ，,，的不均匀性这种不均匀性可能会造成不同位置处阳极丝增益的不一致性其次非均匀电极高压可能会造成 ，，。感应丝附近局部电场过大电离电子可能会被感应丝所吸收从而使到达阳极丝的电离电子数目发生变化两 。种影响的后果都是使探测器的能量分辨率变差 阳极丝增益一致性 ,,, ，。 多丝正比室阳极丝的增益在 中可以利用 方法计算得到但这种方法受计算步长 ,,,,,,,, ,:,,,,,,,: ,,,，。，的影响较大精度较差因此多丝正比室阳极丝的增益 由 公式计算得到 , ,,,,,:,, ,,, , , ,,:: , ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,Δπεπε: :,, :ρρρ,,,,,,,,式中为气体介电常数为阳极丝单位:长度的电容为阳极丝工作电压为阳极丝半径 , ,,,,: : , , :ε ρ 。，，为气体种类决定的两个基本常数实际就是阳极丝单位长度的电荷量即阳极丝的线电荷密度这可 , ,,Δ: 。,,,,由 程序计算得到图为采用 为 工 作 气 体 时 得 到 的 阳 极 丝 增 益 随 位 置 变 化 情 况 ,,,,,,,,, ,,,,,:,:, ，，经计算对于常规高压多丝正比室阳极丝增益从中心到边 ，, 缘逐渐增大距边界处的增益比中心位置的大 , ,, ,, ，所有电极采用非均匀高压后阳极丝增益随位置的变化 趋 ，势与常规高压多丝正比室相同但距边界 处 的 增 益 , ,, ,， 比中心位置大 对 于只 采 用非均匀阴极高压的情况,,, ，因为边缘处阳极丝与阴极丝之间的电位差减小所以阳 极 ，丝增益从中心到边缘逐渐减小距边界处 的 增 益 比 , ,, 。，中心位置小可见采用非均匀电极高压所带来的阳 ,,, 。 ,,，极丝增益不一致性大约为 由 文 献 可 知探 测 器,:,, 制作中由于丝位偏移及丝径均匀性等机械公差所引起的阳,,,, ,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,:, ,, 图 探测器不同位置阳极丝增益一致性,，，极丝增益变化 一 般 为 所 以非均匀电极高压 ,:, ,:,: 。引起的增益不一致性对探测器的总体影响是比较小的 电离电子收集效率 ,,, 。 电离电子收 集 效 率 定 义 为 漂 移 区 产 生 的 电 子 到 达 阳 极 丝 附 近 引 发 雪 崩 的 概 率利 用 中 的 ,,,,,,,, ，和 两种方法对电子的漂移特性进行了模拟计算了不同初始位置处的电子漂移到 ,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,) 。，、阳极丝的几率结果表明对于常规高压多丝正比室非均匀阴极高压多丝正比室以及所有电极都采用非均匀，。，高压的多丝正比室电子穿过感应丝平面到达阳极丝的几率都是所以采用非均匀阴极高压并不会对 ,::, 。探测器的电子收集效率造成影响 结论 , ，。 利用 程序对采用非均匀电极高压改善多丝正比室视差效应的方法进行了模拟研究非均匀电 ,,,,,,,, ，极高压改善视差效应的基本思想是根据每根丝到样品的相对距离决定其参考电位值由此得到近似辐射状的 ，。，灵敏区电场分布使电场方向与从样品发射出来的射线方向一致研究结果表明非均匀电极高压对视差效应。，具有明显的改善作用在只采用非均匀阴极高压的情况下入射角为的带电粒子产生的电离电子在阳极 ,,? ，,,,,。平面的位置分布宽度由常规高压下的分布在根阳极丝减小为分布在根阳极丝上当所 , ,,,, ,,, 强激光与粒子束第卷 ,, ,,,: ，。 电子的漂移径迹变为近似与入射粒子径迹相重合的直线即探测器基本实现了无视差效应采用非均匀电极 ，。 ，高压后探测器的电子收集效率并没有发生变化非均匀电极高压带来的阳极丝增益不一致性大约为 ,:, ，。相对于机械公差引起的阳极丝增益变化这种不一致性基本不会对探测器总体性能造成影响 ,参考文献 ,, ，，，，,,,,,,,,,:,, ,,,,,,,, ,,,:,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,::,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,, ,,,))),,,,,，，,,:,,::,:,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,::,,::,,,,:,,?,) ,, ，，，,,， ,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,::,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,:,:,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ，, ,::,,,,,,,,:,,),, ，，，，，,,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,) ，，,,,,,,,::,,:,,,,,,,,) ,, ，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,:,,:,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,:,:,,,,,,), ，，,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,) ,, ,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,:,:,,,,:,,,,,,,,:,,::,,,,,,,,:,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),,, ,,, ,, ，，，,,,，,,，，，谢一冈陈昌王曼等粒子探测器与数据获取北京科学出版社,,,,,::,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),,,, ) ,，,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,::,:,:, ,,,) , ,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,::,,,:,,,,,,,,,,, ,,, ，,, , , ,， ， ， ,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,:,:,,:,:,,,,,,,,,,, ,, ，, :,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, ,, ，，,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,:,:,,,,, ,,,,,, ，，，，,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:, ,,,,:,,,,,,,,,,,::,,,,,) ,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,::,,,:,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,, ,,),,, ，,,,,:) ,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ’,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,:,，) ,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,:, ,,,,,:,,,,,,,, , ,, , ,,,:,,,,,,,,,,,,,::,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,),,