核工程與核技術(shù)-一種正比計數(shù)管的改進與設(shè)計

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</b></p><p>　　題 目 一種正比計數(shù)管的改進與設(shè)計 </p><p>　　英文題目 A Redesign of Proportional Counter </p><p>　　學生姓名： 賀正堯 申請學位門類：工學學士</p>&l

2、t;p>　　學 號： 201120040319 </p><p>　　專 業(yè)： 核工程與核技術(shù) </p><p>　　學 院： 核工程與地球物理學院 </p><p>　　指導教師： 劉義保 職稱： 教授 </p>&

3、lt;p>　　二〇一五年六月十五日</p><p><b>　　作者聲明</b></p><p>　　本人以信譽鄭重聲明：所呈交的學位畢業(yè)設(shè)計，是本人在指導教師指導下由本人獨立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學術(shù)規(guī)范和其它侵權(quán)行為。文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過

4、的材料。對本設(shè)計的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本畢業(yè)設(shè)計引起的法律結(jié)果完全由本人承擔。</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計成果歸東華理工大學所有。</p><p><b>　　特此聲明。</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計作者（簽字）：</p><p><b>　　年 月 日<

5、;/b></p><p>　　本人聲明：該學位論文是本人指導學生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過論文的全部內(nèi)容，并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準確性。</p><p>　　學位論文指導教師簽名： </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　一種正比計數(shù)管的改進與設(shè)計&l

6、t;/p><p><b>　　賀正堯</b></p><p>　　A Redesign of Proportional Counter</p><p>　　He Zhengyao</p><p>　　2015年6月15日</p><p><b>　　摘 要</b></p&

7、gt;<p>　　正比計數(shù)器是用氣體作為工作物質(zhì)，輸出脈沖幅度與初始電離有正比關(guān)系的粒子探測器，可以用來計數(shù)單個粒子，并根據(jù)輸出信號的脈沖高度來確定入射輻射的能量。正比計數(shù)管的結(jié)構(gòu)大多采用圓柱形，中心設(shè)置了陽極細絲，圓柱筒外殼為陰極，工作氣體一般為惰性氣體和少量負電性氣體的混合物。本論文介紹了一種對圓柱形正比計數(shù)管的重新設(shè)計。該設(shè)計在計數(shù)管中心設(shè)置了一根陰極絲，三根陽極絲對稱分布在陰極絲的周圍。陽極絲數(shù)量的增加可提高計數(shù)管

8、的探測效率，同時也可延長計數(shù)管的壽命。通過MATLAB的模擬證明：計數(shù)管在陽極絲斷了兩根的情況下仍能繼續(xù)工作；陽極絲數(shù)量為3時，實現(xiàn)了探測面積、壽命和氣體放大率三者的最優(yōu)化。</p><p>　　關(guān)鍵詞：正比計數(shù)器； 探測效率； MATLAB模擬</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Proportional

9、 counter is a kind of particle detector that uses gas as the operational material and sends impulses which amplitude is in proportion to initial ionization. We could apply it in counting particles and measure the energy

10、of particles according to the amplitude of output. Generally, most proportional counters are cylinder-shaped. An anode wire is set in the midst of it and the cathode is clinging to its internal surface. Normally, the wor

11、king gas is a mixture of inert gas and a little </p><p>　　Keywords: Proportional counter; Detective efficiency; MATLAB simulation</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　正比計數(shù)器是用氣體

12、作為工作物質(zhì)，輸出脈沖幅度與初始電離有正比關(guān)系的粒子探測器，可以用來計數(shù)單個粒子，并根據(jù)輸出信號的脈沖高度來確定入射輻射的能量。</p><p>　　探測器的結(jié)構(gòu)大多采用圓柱形，中心是陽極細絲，圓柱筒外殼是陰極，工作氣體一般是惰性氣體和少量負電性氣體的混合物[1-3]。入射粒子與筒內(nèi)氣體原子碰撞使原子電離，產(chǎn)生電子和正離子。在電場作用下，電子向中心陽極絲運動，正離子以比電子慢得多的速度向陰極漂移。電子在陽極絲附近

13、受強電場作用加速獲得能量可使原子再電離。從陽極絲引出的輸出脈沖幅度較大，且與初始電離成正比。</p><p>　　正比計數(shù)器具有較好的能量分辨率和能量線性響應，探測效率高，壽命長，廣泛應用于核物理和粒子物理實驗。1~50keV的X射線經(jīng)常用正比計數(shù)器進行探測[4]。要求是具有較薄的入射窗口，以獲得較低的低能端探測下限，較大的觀測面積，以及良好的氣密性。常用的是鈹窗正比計數(shù)器。當代X射線探測器多采用正比計數(shù)器陣列和

14、裝有多根陽極絲和陰極絲的多絲正比室[5]，以獲得更大的有效觀測面積。</p><p>　　近年來制作的氣體閃爍正比計數(shù)器，能量分辨率比一般氣態(tài)正比計數(shù)器約高一倍。為了觀測較弱的X射線源，需要高靈敏度的探測器，為此制作了大面積窗口正比計數(shù)器，如小型天文衛(wèi)星-A攜帶的窗口面積為840厘米的鈹窗正比計數(shù)器，采用的是正比計數(shù)器組合的方法[6]。此外，確定X射線源的位置需要有高分辨率的探測器；而為了制造這種探測器，就相應地

15、需要制作對測定位置靈敏度高的正比計數(shù)器[7,8]。</p><p>　　研究設(shè)計新型的正比計數(shù)器對豐富核輻射探測儀器和手段有積極的作用。本論文介紹了一種對正比計數(shù)管的改進與設(shè)計，該設(shè)計參考了真空測量管的結(jié)構(gòu)，增加了陽極的面積以提高探測效率，增加陽極絲的數(shù)量以延長使用壽命，用中心的陰極絲來屏蔽陽極絲互相之間的影響，使得正比計數(shù)管有足夠的氣體放大率，降低高壓電源的設(shè)計難度。</p><p>　

16、　正比計數(shù)器的工作原理</p><p><b>　　正比計數(shù)器特性</b></p><p>　　氣體探測器工作于正比區(qū)時，在離子收集的過程中將出現(xiàn)氣體放大現(xiàn)象，即被加速的原電離電子在電離碰撞中逐次倍增而形成類似于雪崩的現(xiàn)象。于是，在收集電極上感生的脈沖幅度V∞將是原電離感生的脈沖幅度的M倍，即</p><p>　　式中，常數(shù)M稱為氣體放大系數(shù)，

17、N為原電離離子對數(shù)，C0為兩電極間的電容，e為單位電荷，負號表示負極性脈沖。處于這種工作狀態(tài)下的氣體探測器就是正比計數(shù)器。</p><p>　　正比計數(shù)器有如下優(yōu)點：</p><p>　　脈沖幅度較大，約比電離室脈沖大102~104倍，因此不必用高增益的放大器；</p><p>　　靈敏度較高。正比計數(shù)器原則上只要有一對離子就可被分辨。因此正比計數(shù)器適合于探測低能或

18、低比電離的粒子，如軟β，γ和X射線以及高能快速離子等，探測下限可達250eV；</p><p>　　脈沖幅度幾乎與原電離的地點無關(guān)。</p><p>　　正比計數(shù)器的主要缺點是脈沖幅度隨工作電壓變化較大，且容易受外來電磁干擾，因此，對電源的穩(wěn)定度要求也較高（≤0.1%）。</p><p><b>　　氣體放大機制</b></p>

19、<p>　　設(shè)圓柱形計數(shù)管的陽極半徑為a，電位為VC；陰極半徑為b，電位為VK；外加工作電壓V0 = VC - VK，則沿著徑向位置為r的電場強度E(r)為</p><p>　　式中，r為該點與軸心的距離。</p><p>　　可見，隨著r的減小，E(r)開始是逐漸地增大，而當r接近于陽極半徑時則急劇地增強。例如，當r =5×10-3 cm, b =1 cm, V0 =

20、 1000 V時，徑向各點的場強變化如圖 1.1所示。</p><p>　　當射線通過電極間氣體時，電離產(chǎn)生的電子和正離子在電場作用下，分別向陽極和陰極漂移。正離子的質(zhì)量大，且沿漂移方向的電場又是由強到弱，因此電場的加速不足以使它發(fā)生電離碰撞。而電子則不然，漂移愈接近陽極，電場強度愈強，到達某一距離r0后，電子在平均自由程上獲得的能量足以與氣體分子發(fā)生電離碰撞，產(chǎn)生新的離子對。同樣地，新的電子又被加速再次發(fā)生電離

21、碰撞。漂移電子愈接近陽極，電離碰撞的概率也愈大。于是，不斷增值的結(jié)果將倍增出大量電子和正離子，這個過程稱為電子雪崩。</p><p>　　圖 1.1 圓柱形正比計數(shù)管的電場分析[8]</p><p><b>　　脈沖的波形</b></p><p>　　由于氣體放大系數(shù)M很大，因此原電離的對脈沖的貢獻是微不足道的。因為雪崩后增殖了大量的電子和正離

22、子，它們的運動將感生更大的脈沖。假設(shè)入射帶電粒子的原電離發(fā)生在半徑為r的地方，因此產(chǎn)生的電子經(jīng)過t1時間后到達陽極附近的雪崩區(qū)域，這時雪崩才開始。增殖后的電子和正離子的運動，使電壓脈沖急劇上升。脈沖由兩部分組成，一部分是電子運動所貢獻的，另一部分是正離子運動所貢獻的。由圓柱形電離室的情況可知，電子脈沖的幅度V - ∞與總脈沖幅度V∞的比例為</p><p>　　由于電子雪崩僅發(fā)生在陽極附近極小范圍內(nèi)，即r0 ~

23、a，所以電子脈沖V - ∞只占總脈沖V∞中很小的一部分，因此，正比計數(shù)器的電壓脈沖主要是由倍增后的正離子所貢獻的。這些離子對集中在陽極絲附近，電壓脈沖的幅度與電離產(chǎn)生的地點無關(guān)。</p><p>　　正比計數(shù)管的改進與設(shè)計</p><p>　　電離真空計的結(jié)構(gòu)與原理</p><p>　　在低壓強氣體中，氣體分子被電離生成的正離子數(shù)與氣體壓強成正比。電離真空計是基于在

24、一定條件下，待測氣體的壓力與氣體電離產(chǎn)生的離子流呈正比關(guān)系的原理制作的真空測量儀器。</p><p>　　按照離子產(chǎn)生的方法不同，利用熱陰極發(fā)射電子使氣體電離的真空計叫熱陰極電離真空計；其中，熱陰極電離真空計由熱陰極規(guī)管和測量儀器組成。測量儀器由規(guī)管工作電源、發(fā)射電流穩(wěn)壓器、離子流測量放大器等部分組成。熱陰極電離規(guī)管與被測真空系統(tǒng)相通。熱陰極電離規(guī)管是一個三極管，管內(nèi)有陰極、柵極和收集極。收集極電位相對于陰極電負

25、電位；柵極相對于陰極 電正電位。當電離規(guī)管通電加熱后，陰極發(fā)射電子，在電子到達柵極的過程中，與氣體分子碰撞而產(chǎn)生正離子和電子的電離現(xiàn)象。當發(fā)射電流一定時，正離子數(shù)目與被測氣體壓強成正比。正離子被收集極收集后，經(jīng)測量電路放大，可由電表讀出所要測量的真空度。</p><p>　　圖 2.1 熱陰極電離真空管結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖 2.1所示，熱陰極電離真空計規(guī)管類似一支三極管，由筒狀板

26、級（離子收集極）C，柵極網(wǎng)G和位于柵極網(wǎng)中心的陰極燈絲F構(gòu)成，筒狀板級（離子收集極）在陽極柵網(wǎng)外面。</p><p>　　圖 2.2是其外控電路，柵極電位在100~300V之間，板極的電位在0~50V之間。陰極燈絲F通電發(fā)熱后便發(fā)射電子，由于陽極柵網(wǎng)G為正電壓，發(fā)射出的電子被加速，電子與內(nèi)部的氣體分子相碰，使氣體分子發(fā)生電離，氣體壓強大，氣體的密度就大，碰撞機會越多，產(chǎn)生的正離子也越多。正離子在筒狀板極負電壓的作

27、用下，吸引正離子形成板極電流，氣體分子密度越大（即壓強越大），板極電流也越大，反之就小。在測量范圍內(nèi)板極電流與被測壓強成正比。電離真空計非常靈敏，可以測量10-5Pa~0.1Pa的高真空度。</p><p>　　圖 2.2 電離真空管外控電路</p><p>　　正比計數(shù)管的改進與設(shè)計</p><p>　　由電離真空計的工作原理可知，電離真空計也是一種測量氣體中電離

28、離子對數(shù)的裝置，它和正比計數(shù)管相比，不同在于管內(nèi)收集電子的陽極是網(wǎng)狀的，增加了陽極的表面積，收集離子對的效率很高。另外電離真空規(guī)管不需要電子雪崩效應來提高氣體放大系數(shù)，測量的側(cè)重點不一樣。</p><p>　　因此對正比計數(shù)管的改進與設(shè)計不能完全照搬電離真空規(guī)管的設(shè)計，必須從以下方面入手：</p><p>　　增加陽極表面積，提高離子對收集效率；</p><p>　

29、　電場強度在陽極附近要足夠大，使得電子能在陽極附近大量倍增，正比計數(shù)管有較高的氣體放大系數(shù)。</p><p>　　根據(jù)以上要點，目前提出了兩種設(shè)計思路：</p><p>　　設(shè)計1：增大陽極半徑，可將陽極做成筒狀或者網(wǎng)狀，同時增大陽極與陰極之間的電勢差以保證陽極附近電場強度足夠大；</p><p>　　設(shè)計2：陽極絲半徑不變，增加陽極絲的數(shù)量。</p>

30、<p>　　使用MATLAB檢驗和優(yōu)化設(shè)計</p><p>　　靜電場的數(shù)學物理方程</p><p>　　正比計數(shù)管連接穩(wěn)定的高壓以后，其中的電場是靜電場。從電磁學知道，靜電場為有源無旋場，電場線不閉合，始于正電荷，終于負電荷，反應靜電場基本性質(zhì)的是高斯定理和電場強度的無旋性。據(jù)此可以導出靜電場的數(shù)學物理方程。</p><p>　　用國際單位制，高斯定理

31、可以表述為：穿過閉合曲面Σ向外的電場強度通量等于閉合曲面Σ所圍空間T中電量的1/ε0倍（ε0為真空介電常數(shù)），即</p><p>　　把左邊的曲面積分改為體積積分，</p><p>　　上式對任意的空間T都成立，這只能是由于兩邊的被積函數(shù)相等，</p><p>　　此外，靜電場的電場強度E是無旋的，即</p><p>　　( 3.1.3 )、

32、( 3.1.4 )兩式是靜電場的基本微分方程。它們也可從微分形式的麥克斯韋方程組得到。事實上，對真空靜電場，D =ε0E，B = 0，代入麥克斯韋方程? · D = ρ和?×E=-Bt即得[9]。</p><p>　　由( 3.1.3 )，存在電勢函數(shù)V ( x, y, z )，使</p><p>　　將( 3.1.5 )代入( 3.1.3 )得</p>

33、<p>　　這就是靜電場的電勢函數(shù)V應當滿足的靜電場方程，它是泊松方程。E是矢量，而V是標量，求解( 3.1.6 )比較方便。</p><p>　　而所研究的正比計數(shù)管內(nèi)部除電極外的區(qū)域沒有電荷，即ρ = 0，則電勢函數(shù)V的靜電場方程( 3.1.6 )在該區(qū)域上簡化為拉普拉斯方程[9]</p><p>　　靜電場方程的邊界條件為第一類邊界條件，也稱為狄利克雷（Dirichlet）

34、邊界條件，指定了微分方程的解——電勢函數(shù)V ( x, y, z )在邊界處的值，由電極的位置、形狀和電勢決定。</p><p>　　知道了偏微分方程和方程的邊界條件后，我們就可以開始解方程了。</p><p>　　使用MATLAB軟件模擬正比計數(shù)管中的電場</p><p>　　MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，應用非常廣泛，現(xiàn)使用MATLA

35、B軟件解帶有第一類邊界條件的靜電場方程( 3.1.7 )。</p><p>　　MATLAB中有專門用來求解偏微分方程的工具——PDETool。PDETool是MATLAB的一個重要的工具箱，它可以用數(shù)值解法來求解各種繁瑣的偏微分方程問題，并且操作非常便捷。它能夠畫出解的三維圖像，形象具體地展示計算結(jié)果。本文使用的是MATLAB 2014b。</p><p>　　在MATLAB Comma

36、nd Window界面輸入pdetool?；剀嚕纯纱蜷_PDETool工具對話框。</p><p>　　圖 3.1 Command Window界面</p><p>　　圖 3.2 PDETool工具</p><p>　　對話框內(nèi)有菜單欄、工具欄和畫圖區(qū)域，首先以求解圓柱形正比計數(shù)器電場分布為例，先點擊工具欄中帶十字的畫圓工具，在畫圖區(qū)右擊拖動鼠標任意畫一個正圓。雙

37、擊畫出的圓C1，設(shè)置圓心坐標為(0, 0)，半徑為1，作為正比計數(shù)管的管壁。點OK。在此，我們將軟件中的長度單位默認為厘米，在之后的內(nèi)容中不再特別標注。</p><p>　　圖 3.3 定義圓的參數(shù)</p><p>　　再畫一個圓心為(0, 0)，半徑為0.01的圓C2，作為陽極金屬絲。在工具欄下方Set formula文本框輸入C1-C2，表示方程求解的區(qū)域是C1的內(nèi)部，C2的外部。&l

38、t;/p><p>　　圖 3.4 定義求解區(qū)域</p><p>　　點擊菜單欄的Boundary - Boundary Mode進入邊界模式，每個圓被等分成4個不同的邊界線。使用放大鏡工具點擊中心的小圓放大，雙擊可以縮小還原，再點擊放大鏡工具取消縮放功能，用鼠標雙擊需要定義的邊界，彈出對話框，</p><p>　　圖 3.5 定義邊界條件</p><

39、p>　　選擇Dirichlet，邊界條件形式為</p><p>　　參數(shù)r的物理意義為邊界的電勢數(shù)值，u表示電勢函數(shù)V ( x, y, z )，h為修正系數(shù)，默認為1。將中心小圓的4條弧設(shè)置成h = 1，r = 600，大圓4條弧設(shè)置成h = 1，r = 0，表示陽極+600V，陰極0V。完成后點擊工具欄三角形左邊的PDE按鈕，設(shè)置微分方程為橢圓方程Elliptic，形式為</p><p

40、>　　參數(shù)c = 1，a = 0，f = 0。點擊OK。</p><p>　　圖 3.6 定義偏微分方程</p><p>　　點擊菜單欄的Mesh - Mesh Mode，畫圖區(qū)域會顯示求解區(qū)域采樣三角形的分布情況，可以選擇Mesh – Refine Mesh增加采樣點，增加1~2次即可達到較好的精度。</p><p>　　圖 3.7 對求解區(qū)域進行采樣<

41、;/p><p>　　再點擊工具欄中的等號按鈕求解方程，方程的解會以圖形表示出來。點擊放大鏡左邊的繪圖按鈕，單選Contour再點Plot繪圖，則可觀察等勢線的分布。</p><p>　　圖 3.8 等勢線分布</p><p>　　單選Height (3-D Plot)，右邊選擇abs(grad(u))，點擊Plot，則可以觀察電勢梯度絕對值，即電場強度的三維圖形。點擊按

42、鈕可以觀察電場強度的具體數(shù)值。</p><p>　　圖 3.9 電場強度分布</p><p>　　模擬結(jié)果很好地符合了理論。</p><p><b>　　模擬結(jié)果和改進</b></p><p>　　依照2.2 節(jié)，設(shè)計1是增大陽極半徑，將陽極做成筒狀或者網(wǎng)狀，同時增大陽極與陰極之間的電勢差以保證陽極附近電場強度足夠大。

43、我們先不增加電壓，將陽極絲半徑擴大到0.1，模擬結(jié)果如圖所示。</p><p>　　圖 3.10 等勢線分布</p><p>　　圖 3.11 電場強度分布</p><p>　　圖 3.12 陽極絲附近電場強度</p><p>　　模擬結(jié)果顯示，設(shè)計1的設(shè)計在不增加電勢差的情況下，電場強度低了一個數(shù)量級。如表 3.1，經(jīng)過多次模擬可估計，要達

44、到相同的電場強度，陽極電勢至少要高于3000V，這增加了高壓電源的成本，但是陽極表面積的增加是明顯的。其具體應用范圍有待通過實驗驗證。</p><p>　　表 3.1 陽極電勢與陽極絲附近電場強度的關(guān)系</p><p>　　設(shè)計2是保持陽極絲半徑不變，增加陽極絲的數(shù)量。但考慮到多根陽極絲之間會互相影響，因此，陽極絲的數(shù)量也不能太多。先選取有三根陽極絲等距分布在半徑為0.1的圓上，陰極大小、

45、位置不變的正比計數(shù)管研究，電勢差仍設(shè)置為600V。結(jié)果如下：</p><p>　　圖 3.13 三根陽極絲附近的等勢線</p><p>　　圖 3.14 正比計數(shù)管內(nèi)部電場強度分布</p><p>　　根據(jù)模擬結(jié)果可知，陽極絲之間的相互干擾還是很強的，使陽極附近電場強度相較于一根陽極絲的下降了約40%，需要采用一種方法屏蔽陽極之間的相互干擾，使電勢差不變的情況下陽極

46、附近的電場強度增大。</p><p>　　我們將一根電勢較低的金屬絲設(shè)置在三根陽極絲的正中，利用金屬絲上感應的負電荷來屏蔽不同陽極絲之間的影響。金屬絲半徑同樣設(shè)置成0.01，電勢為0V。模擬結(jié)果如下：</p><p>　　圖 3.15 增加陰極絲后的等勢線</p><p>　　圖 3.16 增加陰極絲后的電場強度分布</p><p>　　可以

47、明顯地看出中心的金屬絲幾乎完全屏蔽了陽極之間的互相干擾，使陽極附近的電場強度提高到104數(shù)量級。那么，陽極絲的數(shù)量能否再增加呢？下面是2根、4根、5根陽極絲的模擬結(jié)果。</p><p>　　圖 3.17 有2根陽極絲時的等勢線</p><p>　　圖 3.18 有2根陽極絲時的電場強度分布</p><p>　　圖 3.19 有4根陽極絲時的等勢線</p>

48、<p>　　圖 3.20 有4根陽極絲時的電場強度分布</p><p>　　圖 3.21 有5根陽極絲時的等勢線</p><p>　　圖 3.22 有5根陽極絲時的電場強度分布</p><p>　　圖 3.23 陽極絲周圍電場不均勻</p><p>　　根據(jù)模擬結(jié)果可知，陽極絲數(shù)量越多，陽極絲附近的電場畸變越厲害，如圖 3.23

49、，表現(xiàn)在靠近陰極絲的一側(cè)比遠離陰極絲的一側(cè)電場強度要高很多；陰極絲附近的電場強度也越來越強，容易使周圍的氣體電離放電。如表 3.2和圖 3.24，隨著陽極絲數(shù)量的增多，陰極絲的屏蔽作用也越來越小，陽極絲附近電場強度隨之下降。</p><p>　　表 3.2 陽極絲附近電場強度與陽極絲數(shù)量的關(guān)系</p><p>　　圖 3.24 陽極絲附近電場強度與陽極絲數(shù)量的關(guān)系</p>&

50、lt;p>　　陰極絲附近電場強度與陽極絲附近電場強度的相對差值(%)如圖 3.25所示：</p><p>　　圖 3.25 電極附近電場強度相對差值</p><p>　　為了使陰極絲附近的電場強度降低，我們可以通過增加分壓電阻的方法稍微提高陰極絲的電勢，降低陰極絲和陽極絲之間的電場強度。校正后的陰極電勢如表 3.3所示：</p><p>　　表 3.3 校正電

51、場所需的電壓</p><p>　　校正電場的同時會減小陰極絲的屏蔽作用，如圖 3.26所示，陽極絲附近的電場強度會進一步下降。</p><p>　　圖 3.26 校正電場后陽極絲附近的電場強度</p><p>　　由以上分析可知，設(shè)置三根陽極絲時電場畸變程度不大，可以不使用分壓電路提高陰極絲的電勢來校正電場，同時陽極絲數(shù)量足夠多，正比計數(shù)管壽命得以延長。</p

52、><p>　　那么，我們試著將某個陽極絲的邊界條件設(shè)置成第二邊界條件也稱為Neumann邊界條件，即：</p><p>　　以此模擬正比計數(shù)管斷了一根陽極絲的情況，看看這種設(shè)計延長的壽命是否具有意義。</p><p>　　在MATLAB的PDETool工具中可以直接將Set formula文本框中的一個代表陽極絲的圓形刪去，也可以設(shè)置其圓形邊界的邊界條件為Neumann

53、邊界條件，參數(shù)q = 0, g = 0，其余設(shè)置不變。</p><p>　　模擬結(jié)果如圖 3.27、圖 3.28，從圖中可以看出陰極絲周圍的電場發(fā)生了一定程度的改變，可能會造成某一方向上入射的離子被探測到的概率降低。但未斷陽極絲附近的電場強度比之前更強一些。可以推測某個陽極絲的失效不會使正比計數(shù)管的氣體放大系數(shù)改變很多，正比計數(shù)管也可以正常工作。按照模擬結(jié)果，可以說多根陽極絲的設(shè)計可以將正比計數(shù)管的壽命提高到單根

54、陽極絲正比計數(shù)管的3倍。</p><p>　　圖 3.27 斷了一根陽極絲時電場的等勢線</p><p>　　圖 3.28 斷了一根陽極絲時電場強度的分布</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p><b>　　設(shè)計1結(jié)論</b></p><p>　　設(shè)計1

55、的思路為：增大陽極半徑，將陽極做成筒狀或者網(wǎng)狀，同時增大陽極與陰極之間的電勢差以保證陽極附近電場強度足夠大。</p><p>　　該設(shè)計參考的是電離真空管。根據(jù)資料、理論計算和模擬結(jié)果可知，正比計數(shù)管陽極附近的電場強度會隨著陽極半徑的增大而減小，因此正比計數(shù)管的放大系數(shù)也會隨之減小。為了使根據(jù)設(shè)計1改進后的正比計數(shù)管可以正常工作，必須將高壓電源的電壓提高到原來的數(shù)倍。另外，正比計數(shù)管中的電場平坦區(qū)域會變小，使正比

56、計數(shù)管的脈沖幅度受待測粒子電離位置的影響增大，電離位置靠近陽極的入射粒子對應的脈沖幅度會明顯比遠離陽極的大。由于正比計數(shù)管中陽極和陰極距離的減小，陰極收集正離子所消耗的時間會變短，輸出脈沖的尾部會縮短。參考對重離子正比計數(shù)器的實驗，正比計數(shù)器的脈沖堆積畸變也會變小[10]。因此該種正比計數(shù)管可應用于單純計數(shù)的場合，有較好的時間分辨率。</p><p><b>　　設(shè)計2結(jié)論</b></

57、p><p>　　設(shè)計2的思路為：陽極絲半徑不變，增加陽極絲的數(shù)量，增加陽極面積的同時延長正比計數(shù)管的壽命。</p><p>　　該設(shè)計參考的是多絲正比計數(shù)器，多絲正比計數(shù)器為平面結(jié)構(gòu)，將平面結(jié)構(gòu)卷起來就形成了設(shè)計2的正比計數(shù)管。設(shè)計2的正比計數(shù)管中陽極絲之間的相互干擾還是很強的，使陽極附近電場強度相較于原來的設(shè)計下降了約40%，需要在中心增加一根陰極絲屏蔽陽極之間的干擾，使輸入高壓不變的情況下

58、陽極附近的電場強度增大。</p><p>　　但是陽極絲數(shù)量越多，陽極絲附近的電場畸變越厲害，靠近陰極絲的一側(cè)比遠離陰極絲的一側(cè)電場強度要高很多；陰極絲附近的電場強度也越來越強，容易使周圍的氣體電離放電；陰極絲的屏蔽效果降低，陽極絲附近的電場強度隨之降低。根據(jù)圖 3.24對比，可以認為設(shè)置三根陽極絲的設(shè)計較優(yōu)。</p><p>　　三根陽極絲的正比計數(shù)管在一根陽極絲失效的情況下能繼續(xù)工作，

59、因此可以推測該種正比計數(shù)管有3倍于普通正比計數(shù)管的壽命。但是為了保證中心的陰極絲不會斷裂造成正比計數(shù)管提前報廢，應適當增加陰極絲的半徑以提高其機械強度。</p><p>　　根據(jù)圖 3.16，多根陽極絲的正比計數(shù)管內(nèi)部的電場平坦區(qū)域體積變化不大，陽極絲與陰極的距離短了一些，可知該種正比計數(shù)管的能量分辨率較普通正比計數(shù)管變化不大，時間分辨率會稍微好，主要的優(yōu)點是延長了壽命，提高了探測效率。</p>&

60、lt;p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計完成之際，我首先要特別感謝我的論文指導老師劉義保教授，感謝他在我完成畢業(yè)設(shè)計的過程中給予的指導和幫助。劉老師事務(wù)繁忙，卻放下手頭的工作，不厭其煩地幫助我改進設(shè)計，提出了許多寶貴的意見，使許多問題迎刃而解。</p><p>　　其次要特別感謝我的同學和朋友，在我完成畢業(yè)設(shè)計的過程中給予了我許多靈

61、感，與我交流撰寫論文的心得體會，在論文的撰寫和排版的過程中提供了熱情的幫助。</p><p>　　還要感謝我的父母，他們一直默默支持、關(guān)心我，無私的付出和鼓勵使我一路成長，取得了許多成績。</p><p>　　感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　再次感謝所有

62、關(guān)心和幫助過我的老師、親人和朋友，在此謹向你們致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　K. Andersen, T. Bigault, J. Birch. 10B multi-grid proportional gas counters for large area thermal neutron detecto

63、rs [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2013, A(720): 116-121</p><p>　　Richard T. Kouzes, James H. Ely, Azaree T. Lintereur. Boron-10 Based Neutron Coincidence Counter for Safeguards [J]

64、. IEEE Transactions On Nuclear Science, 61(5), October 2014: 2608-2617</p><p>　　劉應都，張國強，王宏偉，等. 3He正比計數(shù)器探測效率模擬及靈敏度刻度[J]. 核技術(shù)，2012，35(5)：175-178</p><p>　　郭寧博，陳五星，徐金良. 基于Geant4的正比計數(shù)器能量響應分析[J]. 核電子學

65、與探測技術(shù)，2013，33(4)：522-526</p><p>　　任家富，林業(yè)，徐一鶴，等. 多絲正比計數(shù)器的技術(shù)改造[J]. 核電子學與探測技術(shù)，2012，32(11)：1317-1319</p><p>　　林業(yè). 快充式多絲正比計數(shù)器的研制[D]. 成都：成都理工大學，2013</p><p>　　王全進，鄭濤，葉沿林，等. 低壓多絲正比室的位置分辨研究[

66、J]. 原子能科學技術(shù)，2006，40(3)：338-341</p><p>　　湯彬. 核輻射測量原理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011，121</p><p>　　梁昆淼. 數(shù)學物理方法[M]. 北京：高等教育出版社，2010，119</p><p>　　Yu. G. Teterev, G. A. Kononenko. A Proportional