自由空气电离室原理及空气减弱修正三个方法

自由空气电离室原理及空气减弱修正实验 1 电离室

气体探测器是利用收集辐射在气体中产生的电离电荷来探测辐射的探测器。因此，探测器也就是离子的收集器。它通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。电极间充气体并外加一定的电压。辐射使电极间的气体电离，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上。电子和正离子生成后，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。于是，在输出回路中形成电离电流，电流的强度决定于被收集的离子对数。

气体探测器包括了电离室、正比计数器和G-M 计数管，其中因为电离室具有很好的能量响应被广泛应用到X 射线的测量中，尤其是在辐射场半值层的测量。 电离室有两种类型。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。按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。另一种是记录大量辐射粒子平均效应的电流电离室和累计效应的累计电离室，主要用于测量X ，γ，β和中子的强度或通量、剂量或剂量率。它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。脉冲电离室所能记录的带电粒子数目不能过大，否则脉冲将重叠，甚至无法分辨。因此，在大量入射粒子的情况下，只能由平均电离电流或累积的总电荷来测定射线的强度，即半值层测量选用电流电离室和累计电离室。

脉冲电离室”与“电流电离室”仅是电离室的两种工作状态，由入射粒子流的强度及输出回路的时间常数决定。电离室结构并无本质差别。

电流电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入高压工作气体的累计电离室，灵敏度高、性能稳定可靠、工作寿命长。由于其具有十分良好的承受恶劣工作环境影响的能力，所以，在工业上可应用于核辐射密度计、厚度计、料位计、水分计、核子秤等。电流电离室还可应用于剂量测量、反应堆监测等方面。 电离室的典型结构有平板型和圆柱型。均包括：

高压极(K)：正高压或负高压；

收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；

保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；

负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。

以下是电离室的结构简图：

图1-1 电离室的结构简图

2 自由空气电离室

自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、保护环、光阑和屏蔽外壳组成，收集极嵌装在保护极体中间的凹槽内，由琥珀螺钉固定；保护条系统由18圈硬铝矩形环组成；限制光阑由钨合金组成，成份为89%的钨、7%的镍和4%的铜。

基准系统空气比释动能的绝对测量使用自由空气电离室。

2.1绝对测量

绝对测量原理根据X 射线空气比释动能定义为X 射线在质量为dm 的空气中释放出来的全部带电粒子的初始动能总和dE tr 除以dm 。因此，空气比释动能是

由在待测剂量的那一点产生的全部次级电子的动能定义的。次级电子使空气产生电离，通过收集产生的电离电荷，可以获得空气比释动能。严格地说，需要跟踪每一个次级电子的整个射程，沿其轨迹测量所有的电离。而X 射线所产生的次级电子在空气中的射程可以有几十厘米长，所以自由空气电离室采用补偿原理进行设计。

假设空气有效体积周围是在测量过程中受到同样照射的无限等效空气，有效体积就能得到严格补偿。即有效体积内形成的次级电子在有效体积外产生的所有电离电荷，严格与周围空气形成的次级电子在有效体积内产生的电荷相平衡。图2-1根据此原理设计的自由空气电离室的示意图。

图2-1 电离室设计原理示意图

（e1为电子损失修正，p2为散射光子，e2为散射光子修正）

自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、保护环、光阑和屏蔽外壳组成，其中有效测量体积和收集区如图所示。平行板几何结构在极板空间内产生的电力线是垂直于极板的，X 射线与有效测量体积内空气相互作用产生的电离电荷被收集，入射X 射线是准直的，以便将X 射线限制在远离电离室电极的区域，使得在灵敏体积内产生的次级电子不能到达高压极和收集-保护极。因此，在纵向不需要补偿；当入射X 射线穿过电离室后，强度无明显降低时，在横向上就受到补偿。

由此，根据空气比释动能定义的公式： dE tr

dm (2-1)

采用自由空气电离室绝对测量空气比释动能K a 时，复现的原理表达式为： Q 1W K air =⋅⋅⋅K a ⋅K s ⋅K e ⋅K sc ⋅K d ⋅K p ⋅K l ⋅K h ρ⋅v 1-g e (2-2) K =

式中Q 为自由空气电离室收集的电离电荷，ρ为空气密度，ν为电离室有效测量体积，g 为带电粒子的能量转化为轫致辐射的份额。W 为在空气中每形成一对离子所消耗的平均能量。e 为基本电荷。

复现空气比释动能单位时的各项修正。

自由空气电离室电离电流在10-7～10-11安培量级，采用汤逊补偿法实现弱电流的精密测量。其原理是在一定的时间Δt 内，在标准电容器C 上，由所需的补偿电压ΔV 确定累积的电荷C ΔV 。即 K a ⋅K s ⋅K e ⋅K sc ⋅K d ⋅K p ⋅K l ⋅K h 为

进行修正，即 Q =C ∆V ∆t (2-3) 整个测量在空气温度T （K ）、压力P (Pa)条件下进行，因此需要对空气密度

ρ=ρ0(273. 15+T )⨯101. 32

273. 15P a (2-4)

空气比释动能 K a 基准复现的最终表达式：

K air =C (∆V /∆t )

⎡(273.15+T ) 101.32⎤ρ0⋅⎢⋅⋅v ⎥P a ⎦⎣273.15⋅1W ⋅⋅∏K i 1-g e (2-5)

式中Q 为自由空气电离室收集的电离电荷，

ρ为空气密度，

ν为电离室有效测量体积，

g 为带电粒子的能量转化为轫致辐射的份额，

W 为在空气中每形成一对离子所消耗的平均能量，

e 为基本电荷，

∏K 为复现空气比释动能单位时的各项修正。 i

2.2 设计原则

作为基准中空气比释动能绝对测量的自由空气电离室在设计时需要注意以下几点：

1. 具有电场保护的平行平板结构，保证精确的电荷收集电场。精密加工准直的限束光阑，确定测量体积。

2. 尽量减少电离电荷收集过程复合损失；引出通路具有足够的绝缘电阻，以减少漏电流损失。

3. 收集-保护极为一体结构。收集极支撑为高绝缘材料(琥珀、石英、微晶玻璃) ，依据电场畸变，选择保护极尺寸，及均压环保护设计。

4. 高压极与收集-保护极间距。综合考虑电子电离损失和散射光子的额外电离贡献，并合理配置极化电压，使电离室工作在良好的饱和状态。

5. 限束光阑(89%W、7%Ni、4% Cu)钨合金，精密加工保证直径测量0.5um 。

6. 电离室箱体屏蔽杂散辐射和电磁干扰，前面板减少辐射穿透，采用铅-铜-铁-铝复合板。

7. 整体设计逐层考虑：收集极，收集极-保护极组件，高压极与收集极-保护级结构，均压保护环结构，箱体的结构设计关系和设计要求。

2.3 低能X 射线基准电离室

根据空气比释动能绝对测量原理，在低能X 射线能量范围，国际上主要采用平板型自由空气电离室复现量值。图1-12所示为它的基本结构，由高压极、收集极、保护极、保护条、光阑、屏蔽外壳组成。

收集区

图 3-1 低能自由空气电离室结构示意图

电离室有效测量体积为进入光阑孔径的X 射线光束在收集极长度范围内的体积(图1-12所示) ，以下式计算

⎛D ⎫ V =π ⎪l (3-1) ⎝2⎭

式中D 为光阑直径，l 为收集极长度。

入射光阑可由钨合金、金、铅或其它材料制成，这些材料长期稳定性较好。光阑孔经高精密加工而成，以精确测量光阑面积，钨合金相对易于加工，因此目前选择钨合金作为光阑材料居多。光阑的厚度要求能够屏蔽X 射线管电小于50kV 的低能X 射线，不产生壁透射，钨合金光阑厚度大于1mm 就可以。光阑孔径过小会使加工困难，同时面积测量也难以保证精度；光阑孔过大，入射角较大的X 射线束就需要增加极间距，在给定的收集电压下也会有过多的离子符合，从而引入较大的符合修正不确定度。根据低能X 射线空气比释动能国际比对报告，各个2

国家低能X 射线自由空气电离室结构参数如表3-3所示[26] [27] [28] [29] [30]，光阑孔径主要选择有5mm 、8mm 和10mm 。由于光阑孔的面积用来计算电离室有效测量体积，根据计算，椭圆度小于1μm 的精度，对空气比释动能测量不确定度的贡献小于0.04%。

表 3-1 几个国家低能X 射线自由空气电离室结构参数

如式3-6所示，收集极长度决定了测量体积的大小，因此，在可能的范围内选择较大的收集极，有利于增加测量电流，减少空气比释动能绝对测量的不确定度。但收集极长度较短时，电场的一致性较好。综合考虑，在低能X 射线能量范围，收集极选择10-20mm 较为恰当。

高压极与收集极之间的距离称为极间距，对于极间距的考虑主要是要大于次级电子的射程，要求次级电子不能到达高压极和收-保极（收集极和保护极在一个平面上），其能量全部沉积在空气中。图3-1为BIPM 、NIST 、NPL 、ENEA 、VNIIM 的极间距和采用的修正因子。它们的极间距在40～70mm 之间，根据报告[31]的模拟计算，对于低能X 射线，70mm 的极间距，其电子损失修正可以忽略。

图3-2 极间距与电子损失修正

影响电场畸变的主要有四个因素：屏蔽箱体接地与电极周围所发生的电场畸变、收集极与保护极的共面性不好引起电场畸变，保护条电位分布不规则引起电场畸变，收集极与保护极之间电位差引起电场畸变。

屏蔽箱体对平行板之间的电场产生影响，根据NBS64号报告[32]，在没有屏蔽箱体情况下，电场电力线如图3-1 F 线所示，而当电离室箱体接地时，电力线为F ’线所示；箱体接高压时，电力线如F ’’线，在后这两种情况下，电场对称变化，反映了电场畸变条件下测量体积的变化，分别测量两种情况的电流I 0与I H ，可得电场畸变对测量结果影响的大小，并进行相应的修正。

为消除电场畸变，在高压极和保护电极之间加上保护条，保护条之间串联电阻，形成等梯度的分压器，使电压从高压极均匀下降到保护极，但是保护条电位分布不规则同样还会有部分电场畸变，如果收集极离保护条的距离大于保护条之间间距的十倍以上，可以认为这一项引起的电场畸变可忽略。

收集极与保护极共面性不好，会使收集的电荷偏多或者偏少。如果共面性为0.025mm ，对电流测量的误差为0.1%。因此，要求设计自由空气电离室收集极与保护极共面性好于0.005mm ，由不共面性引起的电场畸变则可忽略。

收集极与保护极之间存在电位差，通过改变高压极板的极性，得到测量电流的差别，从而修正电位差引起的电荷收集误差。

对空气比释动能进行测量，其基本要求是电离室内空气的电离达到电子平衡。e 1为在有效测量体积V 内产生的次级电子，e 2,e 3为在非测量体积上产生的次级电子。电子平衡条件要求电离室光阑到收集极的中心的距离大于次级电子的射程，这样光子与有效测量体积V 内空气相互作用产生的次级电子e 1在非有效测量体积内与空气电离形成的电荷由e 2和e 3在有效测量体积V 内形成的电荷补偿。

由于X 射线在空气中要衰减，因此在电离室内只能达到近似电子平衡，在次级电子的射程并不大的情况下，近似电子平衡与理想电子平衡达到一致。在光子能量小于50keV 情况下，电离室光阑到收集极的中心的距离A 大于40cm ，就能达到近似电子平衡条件[33]（图3-14所示）。根据表1，国际上低能X 射线自由空气电离室的衰减长度（即光阑到收集极的中心的距离A ）从40cm ～100cm 。

图 3-3 衰减长度为40cm 时，电子平衡因子随入射能量的变化

图3-4 低能X 射线自由空气电离室外观

2.4 中能X 射线基准电离室

相对于低能X 射线自由空气电离室，只是在尺寸上中能X 射线自由空气电离室要更大。我们设计的中能X 射线自由空气电离室主要目标是高机械稳定性、精确测量体积和良好的电场保护。结构如图4所示，X 射线束由电离室入射光阑射入，无阻档地穿过电离室空间，从出口射出。收集极嵌装在保护极体中间的凹槽内，由琥珀螺钉固定。收集极板与保护极板的共面性调整得好于0.017mm ，收集-保护极与高压极板的平行性好于0.02mm ，保护条系统由18圈硬铝矩形环组成，以减少电场的畸变。限制光阑由钨合金组成，成份为89%的钨、7%的镍和4%的铜。光阑孔径由高精密加工而成，通过精确测量光阑面积，得到电离室的有效测量体积。

图3-5 中能X 射线自由空气电离室外观

2.5 弱电流控制系统

目前微弱电流的测量方法一般有5～6种。根据国际计量局以及发达国家的经验，使用传统的汤森补偿法进行电离电荷Q 的绝对测量。根据该方法，电离电荷Q 可按照下式获得：

Q =C ⋅V

t (3-7)

式中：

C 为标准空气电容；

V 为加到电容上的补偿电压；

t 为电压补偿达到V 时所需的时间；

为了提高电离电荷测量的水平我们选择购置了KEITHLEY 6430静电计和KEITHLEY 6517高阻计。这样静电计的单项测量水平比过去提高了近一个量级。加上计算机控制的数据采集测量系统比人工测量时的计时误差小、测量重复性要好得多，对提高测量水平将起到重要作用。

KEITHLEY 6517静电计直接测量可采用电荷积分—时间方法。

KEITHLEY 6430

静电计可以采用直接测量电流法和积分电压法。

图3-17 弱电流测量三种方式

直接测量虽然十分方便，但是由于校准技术和水平的原因，目前还无法给出测量结果的绝对值，因而必须进行严格的实验校准和验证。因此在改制过程中采用的技术方案，仍旧采用汤森补偿法进行电离电荷Q 的绝对测量。这是微弱电流测量的一种经典方法。该方法是将一个很难测量的微弱电流，通过补偿方式转变为比较容易测量的电压、电容和时间三个量之间的相互关系，其基本电路和系统结构框图如图3-19和图3-20：

图3-18 汤森补偿法测量原理图

图3-19 汤姆森补偿法系统结构框图

汤姆逊平衡法微弱电流测量系统由电流补偿电路、电压反馈、反馈补偿、测控单元等几部分组成。微电流补偿电路是测量系统的关键部分，电离室电离电流一般在10-12A ～10-9A ，因此微电流补偿电路的关键在于减少本底电流及外界电磁干扰，并要求积分电容的容值稳定、温度系数小。设计了补偿电路，采用双重屏蔽、低噪声电缆、高绝缘接口端子等一系列技术减少漏电流和电磁屏蔽，经实验测量，系统本底电流小于4×10-14A 。积分电容采用高精度标准电容，其长期稳定性

电压反馈和补偿部分采用高阻计和远程源表实现，通过GPIB 总线及虚拟仪器技术实现补偿电路的控制，完成积分电压采集和补偿电压输出。反馈控制速率大于每秒50次。

本基准所使用的微弱电流自动测量系统是基于汤姆逊平衡法原理，由远程源表(6430)、高阻计(6517A)、高精度电容等组成，结合虚拟仪器软件技术，开发了测控软件。测控单元软件部分以基于虚拟仪器技术的LabVIEW 作为开发工具，LabVIEW 是一种图形化软件开发集成环境，目前广泛用于自动控制、在线监测等领域，能够快速构建适合不同场合的自动测控系统[34]。测控系统控制软件采用模块化设计方法，整个测控软件分为用户管理、仪器参数设置、补偿设置、数据处理、数据库管理等多个模块。

3 空气减弱实验即自由空气电离室空气吸收改正项的测量

3.1 Attix方法

Attix 方法及就是“全吸收”方法，把一空径较小的光阑固定放置在焦斑和自由空气电离室之间某一位置，把摘去光阑的电离室先在焦斑1m 远处测量电离电流，然后在辐射场条件不变的条件下把自由空气电离室向焦斑方向移近，移动的距离等于该自由空气电离室空气吸收路径长度，再次测量电离电流。

实验要求：被限定尺寸的射束全部进入自由空气电离室而未受到除了空

气以外的任何物体或者自由空气电离室本身不见得遮挡或阻断。

在实验室大气压力，温度都不变，自由空气电离室在两个位置上测得的电离电流的比值就反映了它在该射线质之下的空气吸收改正项的大小。

该测量方法所得改正项与X 射线束在铜中的半值层厚度的对数有很好的线性关系，在对射线质进行调整以及建立更高或者更低能量的新的射线束时，空气吸收改正项是在Attix 试验区线上内插和外推求出的。但该试验方法在测量重过滤X 射线束时遇到了一些问题，比如重过滤X 射线束给出的信号电流较弱，而自由空气电离室测量本底电流时实验精度不够。

3.2 抽空系统配合灵敏度较高的薄壁空腔电离室测量空气吸收改正项

该方法解决了自由空气电离室本身无法实现重过滤X 射线束的低照射量率下精确测定空气吸收改正项的困难。

在测量自由空气电离室对重重过滤X 射线束的空气吸收改正项时采用了A-5型壁厚0.8mm 空气等效塑料薄壁空腔电离室作为测量仪器，在焦斑与薄壁空腔电离室之间放了一个聚酯膜(7mg/cm2) 密封、可以抽真空的管子、管子的内镜足够大，经过准值的X 射线束的主影和半影区小于管子的内径。经实验验证在不太低的光子能量下，管子和聚酯膜的存在不会导致射线束的明显变化。

控制抽真空的程度，使得抽走的空气的质量厚度恰好等于自由空气电离室空气吸收路径上的空气质量厚度，抽空前后由薄壁空腔电离室测得电离电流的比值恰好反映了自由空气电离室对这一射线束空气吸收改正项的大小。由于薄壁空腔电离室灵敏度较自由空气电离室高得多，因此实验得出了更精确的结果。

3.3 抽空自由空气电离室入射光栏与焦斑之间的空气

该方法即就是用自由空气电离室本身作为测量仪器，抽空自由空气电离室入射光栏与焦斑之间的空气。

4 总结

在不太高的管电压值和每分钟几R （1R=2.58×10-4C/kg）的较高照射量率下，三种方法得到的实验结果相当一致。

在较低的照射量率之下，第二种方法由于其较高的测量精度而获得了更可信的数据。当射线束能量较低时，穿透空气层的厚度对射线质会产生显著

的影响。

参考文献

1. 美国国家标准局自由空气电离室空气吸收改正项的测量. 张友忠

2. 王攀师兄硕士论文