（理论物理专业论文）一种多阳极电离室的研制.pdf

一种多阳极电离室的研制 摘要 质子在军事、航天、农业、医学等领域的应用中，主要是利用它在介 质中沉积能量，从而产生各种生物、化学或物理效应。而它在介质中的能 量沉积不是均匀的，在被阻止的区域会产生一个急剧上升的b r a g g 峰。本研 究就是研制一种能够分区域收集电荷，探测质子或其它射线在空气介质中 所形成b r a g g 峰的多阳极电离室，考察不同能量质子或其它带电粒子在b r a g g 峰区的能量沉积情况，为以后的微剂量学研究打下基础。 研究采用计算机模拟与实验相结合的方法，其中利用a n s o f tm a x w e l l 有 限元分析软件和s r i m 程序分别对各阳极间取不同间隙时的电场和质子在空 气中的传输情况进行了模拟，作为电离室几何尺寸的确定依据。在原子能 院放射性计量测试部的9 0 s r 一9 0 y 标准p 辐射场中，对电离室的饱和特性、重 复性、稳定性以及p 辐射场的深度剂量分布进行了测试，然后在北京师范大 学的低能质子加速器上对质子在空气中形成的b r a g g 峰进行了探测，实验数 据和模拟结果能在较小的偏差范围内相吻合。 通过该项工作，验证了质子或其它射线在空气介质中产生的电离电荷 可以进行分区域收集，进行深度剂量分布研究；可以用多阳极电离室探测 质子在空气中形成的b r a g g 峰，并测量质子在空气中的射程。 关键词：质子多阳极电离室深度剂量分布b r a g g 峰射程 t h ed e s i g no fak d 丁do fc u rre n tm o d em u l t i a n o d e g a si o n i z a t i o nc h a m b e i r a bs t r a c t t h ep r i n c i p a l a p p l i c a t i o n o fp r o t o n si n m i l i t a r ya f f a i r s ，a e r o s p a c e ， a g r i c u l t u r e ，m e d i c i n ei st om a k et h e mt od e p o s i te n e r g yi nm e d i u ma n dt h e n g e n e r a t es o m eb i o l o g i c a l ，c h e m i c a lo rp h y s i c a le f f e c t s b u tt h ee n e r g yd e p o s i to f p r o t o n si nm e d i u mi sn o tu n i f o r m t h e r ew i l lb ear a p i d l yr i s i n gb r a g g - p e a ki n t h e i rb e i n gs t o p p e da r e a n o wt h er e s e a r c hi st om a k eak i n do fm u l t i a n o d e i o n i z a t i o nc h a m b e rw h i c hu s e dt od e t e c tt h ed e p t hd o s ed i s t r i b u t i o no f p r o t o n s o ro t h e rr a y si na i rb yc o l l e c t i n gt h ec h a r g e si nd i f f e r e n ta r e a t h er e s e a r c hh a sb e e nd e v e l o p e db yam i xo fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h es i m u l a t o r so fa n s o f tm a x w e l la n dt h es r i ma r er e s p e c t i v e l y u s e dt os i m u l a t et h ee l e c t r i cf i e l dw h e nt h eg a p sb e t w e e nt h ea n o d e sa r e d i f f e r e n ta n dt h et r a n s m i s s i o no fp r o t o n si na i r t h e yw i l lb e u s e da st h eb a s i so f d e c i d i n gt h ec h a m b e r ss i z e i nt h epr a d i a t i o nf i e l do fr a d i a t i o nm e t r o l o g y c e n t e ro fc i a e ，t h ec h a m b e r ss a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，r e p e a t a b i l i t y , s t a b i l i t y a n dt h ed e p t hd o s ed i s t r i b u t i o no ft h epr a d i a t i o nf i e l da r em e a s u r e d t h e p r o t o n s b r a g g p e a kg e n e r a t e di n a i rw a sd e t e c t e do nt h el o w - e n e r g yp r o t o n a c c e l e r a t o ro fb e i ji n gn o r m a lu n i v e r s i t y c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a la n dt h e i i s i m u l a t e dr e s u l t s ，t h e yc o n f o r mw e l li np e r m i s s i b l ee r r o r t h r o u g ht h i sw o r k , i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ec h a r g e sg e n e r a t e db yp r o t o n so r o t h e rr a y si n a i rc a nb ec o l l e c t e db yt h em u l t i a n o d ei o n i z a t i o nc h a m b e r r e g i o n a l l ya n dt h r o u g hw h i c hw ec a ns t u d yt h ed e p t hd o s ed i s t r i b u t i o ni na i r a l s ow ec a nu s et h em u l t i a n o d ec h a m b e rt od e t e c tt h ep r o t o n s b r a g g p e a k f o r m e di na i rt ok n o wt h er a n g ei ni t k e y w o r d s ：p r o t o n ；m u l t i - a n o d ei o n i z a t i o nc h a m b e r ；d e p t hd o s ed i s t r i b u t i o n ； b r a g g p e a k ；r a n g e i i i 符号说明 意义恧义 绝对温度 大气压强 时间 光速 电压 电流 电阻 i 单位或量纲 k p a s m s 。l v a q 艏r p ， c 矿 j 尺 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者躲做事加7 年月9 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 哑靠口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名盈皓翩躲虬甲占月3 日 g - 西大学硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 1 1 选题依据及研究意义 第一章前言 随着我国航天事业的发展，太空中高能质子的电离辐射及其防护技术受到空前关 注。据报道，空间电离辐射主要是宇宙射线中的质子、电子和各种重带电粒子，而最主 要的成分是能量小于4 0 0 m e v 的质子【l 】，它对飞行器和电子元器件的损伤成为空间电离 辐射效应研究中最重要的问题。另外，质子在放射医疗方面的广泛应用【2 】越来越受到医 学界的关注，更需要精确的将质子打入病灶和探测质子在病灶处的辐射效应。然而，辐 射效应直接与单位靶物质中沉积的能量吸收剂量相关，但质子在介质中传输的过程 中能量的沉积不是均匀的，在某一深度会产生一个急剧上升的b r a g g 峰，在峰前是一个 低平坦段的坪区，而在峰后，其能量则骤降为零【3 】，如图1 1 所示，而真正有应用价值的 是其b r a g g 峰区的能量沉积。由于不同能量的质子在介质中形成的b r a g g 峰宽度不同，其 能量沉积效应也不一致。因此，如何通过探钡, o b r a g g 峰测量质子辐照的剂量分布，成为 质子辐射效应研究中面临的关键问题。 能 量 损 失 图1 1 质子在介质中产生的b r a g g 峰 f 远1 1t h eb r a g g - p e a ko fp r o t o ng e n e r a t e di nm e d i u m 针对以上需求以及我国现有质子辐射源的现状，先从低能质子入手，拟研制一套多 阳极电离室装置，通过各个阳极分区域收集电荷，独立形成信号，分析质子在介质中释 题目。种多阳粗电离室的研制 放的能量：通过分析b r a g g 峰了解在峰区释放的能量占总能量的百分比；探究质子在介 质中的深度镕量分布，为今后高能质于吸收剂量的准确测量和校准打下基础，以满足我 国空间辐射测量、抗辐射加固和辐射医疗中对质子吸收剂量的研究需求。 12 研究现状及发展趋势 由调研情况来看。电离法作为一种通用的核辐射探测方法，其优越性在于结构简单、 易操作、精度高仍是当今辐射剂量学领域的一种基础方法。国际上报道的有用于质子 吸收剂量测量和校准的平板电离室和指形电离室，例如奥地利的v a t n i t s k y 、瑞士酐j c o r a y 、 日本的h i r a o k a 、美国的v e r h e y 、n e w h a u s e r 、意大利的c a m b r i a 等5 l 。德国p t w 公司 生产了一种3 4 0 7 0 型b 嶝峰电离室，可以通过在特制的水柱模体中移动寻找b r a g g 峰的 位置，如图1 - 2 和图i - 3 。 罔i - 23 4 0 7 0 型b r a g g 峰电离室 f * 1 - 2b r a g g p ea kc h hn _ l 。d d3 4 0 7 0 圈l - 3 测b r a 船峰m # 模体 f e l - 3 t h ep e a k f i n d e r w m 日c o l 叽n 我国目前对质子b r a g g 峰的探测般有：使较高能量的质子打入多层丙氨酸薄膜剂 量计，然后通过测量不同深度的薄膜吸收的剂量得到质子在薄膜中产生酗j b r a g g 峰，如 图1 - 4 ；或者在两个电离室之间夹放不同厚度的吸收层p 】，通过比较两个电离室信号的 方法探坝j j b r a g g 峰，如图1 5 。还没有用多阳极电离室直接探钡1 b r a g g 峰的报道。至于目前 出现的许多多阳极电离室，例如有一种阳极分块、共用阴极的横向多阳极气体电离室 ( m a i c ) ，它是用于放射性束( r i b ) 实验中粒子尤其是较重粒子鉴别的。还有一种 吸收片内置式多阳极电离室【9 】，它主要是用来检测t 射线的能量。 广西大学硕士掌位论文 题目o 一种多阳极电离室的研制 质子束 _ 口c = = = = = = = = = = = 芝= = = ，- 口口 图l - 4 丙氨酸薄膜剂量计探测b r a g g 附麓嚣器篙w 证h f i g 1 - 4b r a g g - p e a kd e t e c t k t gw 砒1a l a n i n ef i l md o s k n c t c r 9 。咖c h i ；懿 。 鉴于质子在航天、科研、医疗、农业等领域的广泛应用，对质子的研究也越来越受 到世界各国的高度重视，研究方法也趋于多样化，除了使用电离室，法拉第筒、金硅面 垒探测器、丙氨酸剂量计、热释光剂量计【1o 】等也都纷纷被利用到对质子的研究中来，并 向着快响应、高精度、宽剂量范围的方向发展。 1 3 研究内容及主要特色 1 3 1 研究内容 本论文主要阐述了一种多阳极电离室的设计原理、制作过程和初步的性能测试及应 用。具体如下： 1 、利用s r i m 程序模拟了质子在空气介质中的能量损失；用a n s o f tm a x w e l l 有限元分 析软件模拟了各阳极间取不同间隙时电场的分布。 2 、完成了多阳极电离室以及信号采集电路的设计和加工。 3 、在p 场中对电离室的部分性能指标进行了初步测试，同时探测了p 场的深度剂量 分布规律。 4 、利用本电离室对3 m e v 质子在空气中形成的b r a g g 峰进行了探测。 1 3 2 主要特色 l 、原创性。利用多阳极电离室探测质子的b r a g g 峰的思想具有原创性，目前国内外 还没有这样的实例报道。 2 、模拟与试验相结合。本项工作采用模拟计算和实际实验相结合的方法，具有理 论指导和实验支持，也有利于理论计算和实验结果的相互对比。 3 、实用性。利用多阳极电离室可以探测质子束在实际环境空气中形成的b r a g g 峰和 质子的射程。 4 、效果好。用多阳极电离室测到的3 m e v 质子在空气中的射程与模拟计算得到的结 果能够较好的相吻合。 3 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 2 1 概述 第二章电离室 帚一早 电芮至 电离室是人类最早用于测量电离辐射的一种探测器件，早在发现伦琴射线时就开始 使用。近百年来，它一直是核能工程与核技术应用领域的一类主导探测器。电离室以气 体为探测介质，在结构上灵活多样，有很高的稳定性，因而得到广泛的应用9 1 。 在说明电离室的基本原理前，首先了解一下气体中电子和离子的运动规律【9 】【1 1 1 。 2 2 气体中电子和离子的运动规律 2 2 1 气体的电离 入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐步损失能量，最后被阻 止下来。根据量子理论，带电粒子穿过物质时，因“电离损失”而造成的平均能量损失率 ( 又称为“电离能量损失率”) 由b e t h e 与b l o c k 得出其表达式为： ( 一叁= 笋陋( 竿舢专一卢2 - - 争c 眩d 式中为单位体积内的靶物质原子数，z 为靶物质原子序数，m o 为自由电子质量，v 为入射粒子速度，f l = v c ，c 是光速，方括号中的第二、三项是相对论修正值。堤靶原 子的平均激发和电离能，c 亿是壳修正项。 碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的粒子对( 电 子和正离子) 。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离，以及由碰 撞打出的高速电子( 6 电子) 所引起的电离。前一过程产生的离子对数称为初电离，后 一过程产生的离子对数称为次电离，初电离和次电离的总和称为总电离。此外，离子在 单位路程上产生的电离对数称为比电离。 带电粒子在气体中产生一对粒子所需要的平均能量称为电离能。对于不同能量的 同种粒子或不同种粒子在同一种气体中的电离，其电离能都很相近，大多都在3 0 e v 上下， 表2 1 列出了几种气体的电离能c o ( e v ) 和最低电离电位1 0 ( e v ) 。电离能的上述特点决定了 总电离与入射粒子能量磊成正比关系，即 4 广西大掌硕士学位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 n = 岛t o ( 2 2 ) 如果质子的能量为3 m e v ，在空气中的射程为1 3 1 0 8 m m ，其总电离n = e 0 t o - - 3 1 0 6 3 4 = 8 8 2 x 1 0 4 。( 2 2 ) 式也是由总电离的测量来确定粒子能量的根据。 表2 1 几种气体的电离能f o ( e v ) 和最低电离电位i o ( e v ) t a b l e2 1s o m ek i n d so f g a s e s i o n i z a t i o ne n e r g ya n dt h e i rl o w e s ti o n i z a t i o np o t e n t i a l 2 2 2 电子和离子的漂移与扩散 在气体中，电离后生成的电子和离子，除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动 外，还可以有两种定向运动。一种是由于外加电场的加速作用沿电场方向漂移，另一种 是电子和离子因空间分布不均匀而由密度大的向密度小的空间扩散。以下分别讨论漂移 和扩散这两种运动。 2 2 2 1 离子的漂移 实验表明，在一定范围内e p o 0 3 v ( c m p a ) ，稳定状态下的离子漂移速度形 与电场强度成e 正比，与气体的压力尸成反比，即 p 形= “兰( 2 3 ) 5 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 常数成为离子的迁移率，角标表示正或负离子，肿又称为约化场强。迁移率的大小 与气体的性质有关，几种气体中离子的迁移率见表2 2 。由表可见，在气体探测器的条 件下，离子的飘移速度一般为1 0 3 e m s 的量级，比离子杂乱运动的速度“小得多。 2 2 2 2 电子的漂移 电子的漂移速度与约化场强剧p 不成正比关系，因而不能用( 2 3 ) 式表示。与离子 的漂移相比，有两点重要的差别： ( 1 ) 电子的漂移速度一般比离子大1 0 3 倍，约1 0 6e m s 。这是因为电子的平均自由 程比离子大数倍，而质量又比离子小约1 0 3 倍。因而，在电子的平均自由程内电子将获 得较大的动能，并且有更大的漂移速度。 ( 2 ) 电子的漂移速度对组成气体的成分非常敏感。在单原子气体中( 如a r ，x e ， 心等) 加入少量多原子分子气体( 如c o ：，c h 。，n ：等) 时，电子的漂移速度甚至可 增大一个量级。 对这一结果可以作定性说明。在纯单原子气体中，当电子的动能e 低于分子的最低 激发能级时，能量损失只是电子与分子的弹性碰撞的结果。电子的质量聊比离子的质量 删、很多，因此，每次碰撞损失的能量很小，最大仅为4 历e m ，只有当能量大于激发 能级时，引起大量能量损失的非弹性碰撞才能发生。这样，在电场中被加速的电子在最 初的几次碰撞中，能量逐次增大，直到能损等于它从电场中所获得的能量时才能达到平 衡。这时，漂移速度不再增加，而电子的平均能量由下式表示： 1 驴2 - - m 仉要灯 ( 2 4 ) “t2 仉i 朋 ( 2 4 ) 式中，“。为电子的杂乱运动速度，3 2 k t 为平衡热运动能量，七为波尔兹曼常数，肋气 体的绝对温度，仇称为电子的温度。显然，气体分子的激发电位愈高，仉也愈大。 2 2 2 3 电子和离子的扩散 电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密度小的空间扩散。设单位时间 内通过空间一点上单位面积的粒子流( 电子或离子) 净数为d n d t ，贝u d n d t 正比于粒子的 密度梯度，即 一d n ：- d v 刀 ( 2 5 ) d t d 称为扩散常数，负号表示粒子流方向与密度梯度方向相反。根据气体动力论，若粒子 6 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 的速度遵守麦克斯韦分布，则扩散常数d 与粒子的杂乱运动速度u 及平均自由秘有如下 关系 d ：三九甜( 2 6 ) 3 这就是说，扩散常数与气体的性质、温度和压强等电离环境有关。几种气体中离子 的扩散常数见表2 2 。电子的扩散常数大于离子，这是因为电子的砌比离子的大。 表2 - 2 离子的迁移率和扩散系数 t a b l e 2 - 2i o n i cm o b i l i t ya n dd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 气体 p + c m s v 。1g c m s 一v 1d + 1 0 2 c m 2 s 。1d 一1 0 2 c m 2 s 1 h 25 78 6 d 2 h e5 16 3 n 21 2 91 8 22 94 1 0 21 3 31 834 1 c 0 20 7 9o 9 52 52 6 a r1 3 71 7 空气 1 3 71 83 24 2 水蒸气0 8 30 7 2 为了比较离子和电子的漂移和扩散，设粒子漂移的平均距离为& 时，扩散的平均距 离为髟，则可证明，在室温条件下： 咒s d 0 2 x 侈 ( 2 7 ) 咒 fy 叩为粒子的杂乱运动能量与热运动能量的比值，哟漂移路程两端的电位差，以v 为单位。 若v = 1 0 0 v ，对于离子，叼1 ，品砣；对于多原子分子气体中的电子，7 - - 2 0 ， 岛& 9 。可见，离子扩散的影响比电子小许多倍。且单原子分子气体中加入少量多 原子分子气体可以降低，7 ，减少电子扩散的影响。 2 2 3 负离子的形成和离子的复合 2 2 3 1 负离子的形成 电子与气体分子碰撞时，可能被捕获而形成负离子。电子在一次碰撞中被捕获的概 率用力来表示，p 的大小与气体的性质有关。有些气体捕获概率特别大( p = 1 0 。3 1 0 。4 ) ， 如o ：、水蒸气和卤素气体，称为负电性气体，而惰性气体和n ：，c h 。，h ：等捕获概率 7 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的习 刨 却很小( p s _ 1 0 6 ) 。捕获概率还与电子能量有关。 在气体探测器中，电子在被收集前要与气体分子发生大量的碰撞。如电子杂乱运动 速度庐1 0 7 c m s ，平均自由程a = 1 0 c m ，则在l p s 时间内平均将发生1 0 5 次碰撞。因此， 在有负电性气体杂质时，电子被捕获形成负离子的机会将大大增加。形成负离子的结果 使漂移速度大大地减慢，从而增加了复合损失，这将对电离室的性能产生不利的影响。 因此，有严格要求时，需要特别纯化气体。减小负电性气体杂质影响的另一种方法是单 原子分子气体中添加少量的双原子或多原子分子气体。如，在心中加入少量n ：，c h 。或 c o ，等。其结果，既能使电子的漂移速度增加，又能减小电子被捕获的概率。 2 2 3 2 离子的复合 电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞可发生与电离相反的过程，即复合成中性 原子或中性分子。我们把电子与正离子的复合称为电子复合，负离子与正离子的复合称 为离子复合。显然，电子或离子的复合率是正比于粒子所在处电子和离子的密度。设n 一 为电子或负离子的密度，, + 为正离子的密度，则复合率 垡：堕：嘲+ 拧( 2 8 ) d fd f 反称为复合系数，其大小决定于气体的性质、压强和温度，并且与正、负离子的相对速 度有关。由于正、负离子碰撞时的相对速度比电子和正离子碰撞时的相对速度小得多， 因此离子复合系数a ，要比电子复合系数a 。大几个量级。通常a ，1 0 - 6 c m 3 s ，而 口。= 1 0 7 1 0 舢c m 3 s 。所以，负离子的形成会增大复合损失。 2 3 电离室原理及构造 2 3 1 工作原理 电离室是灵敏体积内含有某种气体的电离探测器。在电离室电极间加有电场，当带 电粒子射入电离室灵敏体积内的工作气体中时，将沿其径迹产生一系列电子离子对，在 极间电场的作用下，所产生的正离子与电子将分别向两电极“漂移”，同时产生一输出电 流信号，如图2 1 所示。 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 图2 1离子收集装置的示意图 f 螗2 - 1t h es c h 锄eo fm mc o l t 矗冯d e v i c e 但是，当工作电压不够高，室内电场不够强，使得一部分离子与电子由于复合或扩 散而损失掉了，实际信号电流要小于正常值。根据b o a g 理论【1 6 】，电离室的收集效率为： 厂= 趸1 1 + 希f 6 砒舷y 。 ( 2 9 ) 其中：a 为离子复合系数( e m 3 s 1 ) ；k l 和哎正、负电荷的迁移率( c m 2 s v 。1 ) ；e 电 子电荷( c ) ；g 为电离率( c c m 。s j ) ；硝电离室电极间距( c m ) ；哟极间电压( v ) 。 由此可见，随着电压的升高，复合与扩散的影响不断减小，收集效率升高，使输出 电荷量增大。等到工作电压高到使复合与扩散的影响基本消除后，输出的信号电流就达 到了额定值，不再随工作电压而变化，即“达到饱和”。用图2 1 所示的示意装置测量在 恒定强度的辐射照射下外加电压与电离电流的关系，可得图2 2 的结果。 兮1 0 一 v 蒸1 0 6 掣 b 0 4 0 08 0 01 2 0 0 工作电压( v ) 图2 2 外加电压与电离电流的关系 f 远2 - 2t h er e m i o nb e t w e e nt 1 1 e 印p l i e dv o l t a g em d t h e i o n i z a l i o nc u r r 豇l t 9 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的习h 触 曲线明显地分为几个区段。其中在第1 区中，电离电流随电压增大而增加，这是因 为复合损失随电压升高而减小。继续增大电压时复合逐渐消失，电流趋向饱和，达到曲 线的第1 i 区，称为饱和区或电离室区。该区既无离子复合，也无气体放大作用，能把电 离辐射在灵敏体积内产生的电离电荷收集到电极上，电流强度等于单位时间产生的原 ( 初) 电离电荷数，电离室就工作在该区域。第区为饱和区之外的气体放大区。 2 3 2 信号的形成机制 设电离室如图2 3 所示，在外接回路中没有负载电阻，仅有一电压内阻为零的理想 电源。二电极的电位将保持恒定不变，分别是+ 和0 。设两极板间电容为c ，则当加 有电压后，极板上应充有电荷+ q o ( 正极) 与- q o ( 负极) ，而q o = c 。 + 图2 3 电流电离室的工作原理 f 螗2 - 3t h ew o r k 缸gp r m c 币l eo fm e c u i r e l l ti o n i a nc h 锄b e r 设在电离室灵敏体积内某点引入一正离子，其电荷为+ p 。此正离子将在两极板上 又分别感应出负电荷- - q l ( a 极板) 与- - q 2 ( b 极板) 。p 与- - q l 与一驰的关系可用高斯定理来 推导。 设作图中虚线所示的封闭高斯面s ，它的上、下端面在两金属板的内部，而其周围 界面则在电场范围之外。由于金属内部及电离室外的电场强度均为零，则通过缅的电 通量为零，即： 嗔e d s = o ( 2 1 0 ) 由高斯定理，应等于s 面内所包含的总电荷量的4 7 r 倍。由此 嗔e 谘= 4 万( + q o q 0 + e g 。一q ：) = o ( 2 11 ) 则： q l + q 2 = e ( 2 1 2 ) 1 0 广西大掌硕士学位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 由推导过程可知，不管正离子处于灵敏体积的何处，上式总是成立的。 正离子一旦被引入后，将立即在电场e 的作用下向负极b 漂移，引起的负感应电荷的 流动在外回路中造成方向如图2 3 所示的电流广( 力；对于电子或负离子，信号的形成机制 与正电荷相同，只是负电荷向正极板漂移，外电路的信号电流为厂( ，) 。当正离子及电子 漂移到电极表面后将被电极收集，输出信号也不再存在。 2 3 3 常见类型 根据不同的分类标准，电离室种类繁多。根据形状不同，电离室分为平行板电离室、 圆柱形电离室、球形电离室、井形电离室、指形电离室等；根据用途不同，电离室有b r a g g g m y 空腔电离室、组织等效电离室、0 【屏栅电离室、反冲质子电离室等。根据形成的 信号类型进行分类，一种是记录单个辐射粒子的脉冲电离室，主要用于测量重带电粒子 的能量和强度；另一种是记录大量辐射粒子平均效应的电流电离室或累计效应的累计电 离室，主要用于测量x 、丫、p 、质子、中子等的强度或通量、剂量或剂量率。 2 3 4 基本结构 这两类电离室在结构上基本相同，主要由电离室外壳、工作气体和电极系统三部分 组成。电离室外壳主要起密封、保护、承载信号引出端子的作用；工作气体具有特定的 压力和组分，使入射带电粒子或x 、丫光子、中子的次级带电粒子在气体中产生电离，形 成离子电子对，是它们在电场作用下进行漂移运动的载体：电极系统产生电场收集离子、 电子并输出信号，在x 、丫光子或中子探测中，可起“固体辐射体”的作用。 电极的形状原则上是任意的，但实用上大多是平板形和圆柱形的。电极之间用绝缘 体隔开，并固定在充一定气体的容器内，如图2 _ 4 。 瑚阳 图2 4 电离室的结构简图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r ec h a r to f t h ei o n i z a t i o nc h a m b e r 当辐射粒子通过电极之间的气体时，电离产生的正离子和电子便分别顺着和逆着空 广西大学硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 间电场方向运动，最终被收集下来。其中，与记录仪器相连的一个电极叫收集电极，它 通过负载电阻接地。另一个电极则加上数百伏至数千伏电压，叫高压电极。在收集电极 和高压电极之间还有一个保护环，其电位与收集电极相同。保护环与两电极间也是由绝 缘体隔开，使从高压电极到地的漏电流不通过收集电极。在收集极的外缘设有保护电极， 使收集电极边缘的电场不被畸变而保持均匀，使电离室有明确的灵敏体积。 2 3 5 几何参数 电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射 的性质、实验的要求来确定。例如，测量0 【粒子能量的电离室，需要足够大的容积和气 压，以便使q 粒子的径迹都落在灵敏区内。对丫射线强度作相对测量时，为了提高灵敏度， 室壁材料宜用高原子序数的金属，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。作绝对丫剂量 测量时，须用与空气或生物组织等效的材料作电极和室壁。 2 3 6 绝缘体 为了避免电极间漏电造成的测量误差，要选用性能良好的绝缘体。绝缘体的面电阻 比体电阻要小得多。因为表面会吸附水分，为此，要保持绝缘体表面的干燥、清洁、防 止机械损伤或使用树脂密封。绝缘性能的要求对电流电离室尤其重要，一般要求体电阻 大于1 0 1 0 q 。 性能良好的绝缘体是琥珀( 或人造琥珀) 、石英、氧化铝、地蜡以及有机塑料如聚 苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和有机玻璃等，但有些塑料不适用于强辐射场。此外， 在电离电流小于1 0 。1 4 a 时，还要考虑到由于电或机械应变产生的电流。通常，软的绝缘 体( 如聚苯乙烯等) 应变电流要比硬的绝缘体( 如石英、氧化铝等) 大得多。 2 3 7 工作气体 由( 2 1 ) b e t h e b l o c k 公式可知，带电粒子射入气体后，其电离能量损失率( 一华) 。 以石 近似与气体原子的原子序数z 同单位体积内的原子撒积成正比。因此，为使射入灵敏 体积内的带电粒子在单位路径上产生更多的离子对，一般要选用高气压、高原子序数及 低平均电离功o 的气体，有时为了测量实际环境中的辐射或做一些探索性的初步试验而 直接用自由空气。 电离室常用的工作气体有纯惰性气体、n ，和空气等。为了提高离子、电子在工作 气体中的漂移速度和降低平均电离功o ，还可用适当配比的混合气。大多是惰性气体加 1 2 广西大掌硕士学位论文 题目：一种多阳极电离童的研靛l 少量多原子分子气体的混合气，负1 9 0 a r + 1 0 c 0 2 ，9 0 a r + 1 0 c h 。等。另外，在气 压太高时，离子的复合变得十分严重，为此需要作特别的纯化处理以清除负电性杂质。 2 4 电流电离室 因为文章中研制的多阳极电离室就是一种用来记录大量辐射粒子平均效应的平行 板电流电离室，所以在此重点介绍电流电离室的信号成因和有关的性能指标等。 2 4 1 电流信号的形成 用电流电离室测量大量入射粒子的平均电离效应经常是恒定不变的，或是虽有变 化，但比离子的收集时间或输出回路的时间常数慢得多。因此，可以先假定电离效应不 随时间改变( 称为“恒定电离”)，再计算电离室的输出信号。 设用n o ( x , y , z ) 表示入射粒子在灵敏体棚内各处单位时间、单位体积内产生的离子对 数。由于n o ( x , y , z ) 不随时间改变( 恒定电离) ，则电离室各处的离子、电子密度也不随时 间改变，得到的信号电流而( ，) 1 7 1 为： 厶= p f n 0 ( x ，y ，z 脚 ( 2 1 3 ) 一 这表明，恒定电离情况下，输出信号电溉( r ) 是一个直流电流，其数值恰等于单 位时间内灵敏体张中产生的离子对总数与电子电荷之积。因为，当每一离子对被收集， 外电路有一电子电荷p 流过。而今单位时间内共有i 出对离子电子产生，则达到平衡 j 后，在单位时间内必定有f n o d a 对电子被收集，因而有( f ，z o d a ) p 电荷在单位时间内流 jj 过输出回路。 2 4 2 主要性能指标 2 4 2 1 饱和特性 饱和特性是指当入射粒子流状态不变时得到的电离室输出信号电流与工作电压的 关系曲线。实际测得的“饱和曲线”如图2 5 所示。 1 3 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 i a c 龟 o 巧 图2 - 5 电离室的饱和曲线 f 瞎2 - 5t h ec h a m b e r ss a t u r a t i o nc u r v e 在图中的o a 段反映提高工作电压克服复合、扩散影响的过程。a b 段是饱和区，k 称为“饱和电压”。b c 段是由于电离室内电场过强而发生气体放电，致使输出电流急剧 上升，已超出电离室工作状态。对于电离室的饱和曲线，饱和电压低，饱和区宽度大、 斜率小，表明电离室性能优良。 2 4 2 2 灵敏度 由于电流电离室主要是用来测量大量入射粒子的，因而适于采用“灵敏度”性能指 标。设用r 7 表示灵敏度，则： 信号电流 ”：= 一 吖 入射粒子注量率( 或束流强度) ( 21 4 ) 对于不同的辐射场，描写注量率或束流强度的单位不同，因而灵敏度的单位也不同。 2 4 2 3 线性范围 在理想情况下，信号电流将与入射粒子流强度( 或注量率) 成正比( 线性关系) 。 即： i o = ei n o ( x ，y ，z ) d a 二 ( 2 1 5 ) 然而，当入射粒子流强度变大时，灵敏体积内离子、电子浓度变大，从而增大了“复 合”概率，会使饱和电压变大。一旦入射粒子流强度大到使饱和电压超过原来选定的工 作电压时，电离室将不再工作在“饱和区”内，信号电流要比预期值小，这时信号电流与 辐射强度关系就出现了非线性。不同辐射强度下的饱和特性及不同工作电压下信号电流 与辐射强度的关系如图2 6 所示。把一定工作电压下，信号电流仍能与束流强度保持线 性关系的范围称为“线性范围”。显然，饱和电压低，饱和区大，线性范围将越大。 1 4 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的司 触 2 5 小结 ( a )( b ) 图2 - 6 ( a ) 不同辐射强度( 1 2 3 4 5 ) 下的饱和特性 ( b ) 信号电流一辐射强度关系 f i g 2 6 ( a ) t h es a t u r a t i o nc u r v e si nd i f f e r e n tr a d i a n ti n t e n s i t y ( 1 2 3 坎力的情况下，可以认为通过负载电阻r 的电流信号i ( f ) = 坎伽。 3 7 电离室的组装及检测 安装一套新加工的仪器，首先需要就安装顺序和步骤进行精心的策划和细 心操作，如果安排不得当或操作不慎，可能导致部件被毁，造成财力和时间上 的浪费。 3 7 1 极板清洗 为了使极板之间的电场均匀和电荷分区收集效果好，要求阳极板和阴极板 尽可能平整光洁，各阳极之间的间隙内不能有灰尘和其它杂质，极板表面上更 不能出现纤维，否则会造成阳极信号的相互干扰和阴、阳极之间的放电。所以 在装架之前，首先用a r 级的丙酮对极板和绝缘柱进行了彻底清洗，然后用于棉 布擦干，最后用吹风机吹干，保证极板清洁干燥。 3 7 2 芯体装架 芯体是电离室的核心部件，它的性能好坏直接关系电离室性能。本电离室 的芯体是用聚四氟乙烯树脂( p t f e ) 绝缘体柱和绝缘螺母将正负极板组装而成， 如图3 9 所示。在组装的过程中，首先保证不能触摸和沾染极板；第二保证绝缘 螺母力度适中，芯体牢固，不易扭曲和变形；第三保证达到极板的平行度要求。 f - 西大掌硕士学位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 组装完毕，进一步对整个芯体进行清洁和检查，以免考虑不周对下一步工作造 成影响。 一 卜二二一2 6 9 二二一 图3 - 9 电离室芯体测向 f i g 3 9t h es i d es u r f a c eo ft h ec h a m b e r se o r e 3 7 3 线路布置 电离室信号是从每块阳极板上引出的，每块阳极板( 包括保护电极和阴极 板) 都需要焊接电极信号引线，并通过外壳上的信号端子将引线引出。引线用 的是对外绝缘和屏蔽性能良好的r w p 型细软电缆，中心导线一端接阳极板，另 一端接外壳上的信号引出端子，屏蔽网接外壳，外壳接地。也就是说极板上共 需要2 7 个焊点，信号引出端子上需要5 6 个焊点，焊接过程中必须十分细心，每 根信号线必须予以标号，不允许有漏焊或错焊。另外，极板是0 1 m m 的薄铜片， 基材不能耐高温，所以选用的电烙铁功率如果太大，点焊的时间过长，或因第 一次焊接失误需二次焊接，都有可能造成极板被烫坏或变形而毁坏极板。焊接 完毕以后，还需要用万用电表检测高压线与阴极板之间、每一根信号线与每一 阳极是否导通良好，各阳极间是否绝缘良好等。 3 7 4 芯体装壳 电极系统组装完成后，在封入屏蔽壳前要先进行可靠性检验，防止任何隐 患带入壳内。除检验机械方面的可靠性外，还应预加高压，检验是否有任何“放 电”发生。电极系统上可能会有一些毛刺或纤维原本俯贴在电极表面，当加上电 压后，它们会因静电作用竖立起来，造成极间短路或是放电，这是非常危险的 隐患。为确保能完全排除，预加高压应远远高于工作电压，而且要反复实验多 次，然后将芯体固定到壳内。用来固定、支撑芯体的是聚四氟乙烯树j 旨( p t f e ) 绝缘块，保证芯体架在不锈钢外壳的中央，芯体稳固并与外壳绝缘良好。装壳 完成后的电离室正面如图3 1 0 所示，侧向剖面图如图3 1 1 所示。从侧向图可以 看到，有机玻璃板厚度为8 m m ，电极基板距玻璃板内表面1 0 r a m ，保护电极距 广西大掌硕士掌位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 基板边沿2 m m ，各阳极间的间隙为0 2 m m 。所以，读取信号的第一个阳极距离 有机玻璃板的外侧3 0 2 m m 。知道这些有利于测量质子的射程。 图3 1 0 电离室正面 f i g 3 10t h ec h a m b e r sf r o n t a lf a c e 图3 - 1 1 电离室纵向剖面图 f i g 3 - 11t h ec h a m b e r sl o n g i t u d i n a lp r o f i l ec h a r t 3 7 5 整体测试 本电离室采用的是阴极板接负高压，阳极板接地的方式，阴、阳极板之间 由聚四氟乙烯树j 指( p t f e ) 绝缘柱隔开，极板用聚四氟乙烯树h 旨( p t f e ) 绝缘块固 广西大掌硕士学位论文 题目：一种多阳极电离室的研制 定在不锈钢壳中央。用高压电源由d , n 大逐步的给阴极加负高压，用万用表测 量极板之间的电压是否正常，检测导线的连接和焊接有没有问题，有无短路现 象。在温度1 8 0 c ，气n l o o 6 k p a ，相对湿度4 2 的条件下经过反复检测，结果 表明，正负电极之间可承受3 0 0 0 v 以上的高压，本底电流小于1 0 _ 1 4 a 。 3 8 小结 电离室的设计和加工是一项细致工作。在加工的过程中，须根据实际需要 确定电离室的基本结构，通过计算机模拟或理论计算拟定电离室的几何尺寸， 根据测量需要达到的精度选择所需要的极板材料、绝缘体材料和电子学电路等，