自由空气电离室原理及空气减弱实验

自由空气电离室原理及空气减弱实验方案讨论李兵2011.09.22一、主要内容1.电离室的原理和结构等介绍2.自由空气电离室原理介绍3.空气减弱实验方案讨论1电离室原理及结构介绍电离室原理介绍：气体探测器是利用收集辐射射线与气体相互作用产生的电离电荷来探测辐射的探测器。通常是由高压电极和收集电极组成,电离电荷在收集极积累，在输出回路中形成电离电流，以电流的大小反应辐射射线的能量和强度。电离室的原理电离：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次损失能量，最后被阻止下来，碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的路径上生成大量的离子对（电子和正离子）。该电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离（初电离）以及由碰撞打出的高速电子所引起的电离（次电离），总称为总电离。粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离。电离能：带电粒子在气体中产生一对离子所需要的平均能量w称为电离能。电离电位：使原子发生电离所需的能量称为电离能，也称电离电位，以电子伏特为单位，对于光子，空气分子的电离电位为33.73+-0.15eV。总电离N与入射粒子能量E0成正比关系N=E0/w这也就是有总电离的测量来确定粒子能量的根据。电子和离子在电离室中的运动在气体中，电离后生成的电子和离子除了与做热运动的气体分子碰撞而杂乱运动外，还有两种定向运动。离子的漂移：离子由于外加电场的加速作用沿电场方向漂移，在一定范围内（E/P≦0.03Vcm-1pa-1）,稳定状态下的离子漂移速度W=µ·E/Pµ称为离子的迁移率，与气体的性质有关。E/P又称为约化场强。电子的漂移：电子的漂移速度与约化场强不成正比。电子的漂移速度一般比离子的大103倍，因为电子的平均自由程比离子的大数倍，而质量有比离子的小很多。电子的漂移速度对组成气体的成分非诚敏感。电子和离子的扩散：电子和离子因为空间密度不均匀而有密度大的空间想密度小的空间扩散。在室温下，粒子的漂移的平均距离Sw,扩散的平均距离SdSw/Sd≈0.2×√(η/V)η为粒子杂乱运动能量与热运动能量的比值，V为漂移路程两端的电位差。离子扩散的影响比电子小许多倍，而单原子分子中加入少量多原子分子可以降低η，减小电子扩散的影响。离子的收集和电压电流曲线气体探测器是利用收集辐射在气体中的电离电荷来探测辐射的探测器，也就是离子的收集器，通常由高压极和收集极组成。设入射带电粒子在探测器的灵敏体积(两极间的有效空间)内形成N0个离子对(初电离)，收集的离子对数N与外加电压V的关系如下图所示。工作区域输出信号用途电离室饱和区计数及测量入射粒子能量正比计数器正比区计数及测量入射粒子能量计数管G-M工作区形成正离子鞘，与入射粒子能量无关。仅用作计数0CWEehACWEeh0电离室结构介绍：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。详情如下图气体探测器包括了电离室、正比计数器和G-M计数管（如下图），他们均以气体为探测介质，在结构上也有相似之处。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，尤其在辐射场半值层的测量中选用电流电离室和累计电离室。气体探测器电离室正比计数器盖戈-米勒计数管电流电离室脉冲电离室自由空气电离室充气式或流气电离室各种形式的电离室平行板电离室圆柱形电离室球形电离室空气壁电离室电容式电离室屏栅（福里斯）电离室外推电离室空气等效电离室自由空气电离室布拉格-格雷空腔电离室等等如下图2自由空气电离室原理介绍自由空气电离室是一种与大气相通的电离室，主要用于照射量和空气比释动能的绝对测量，用作标准电离室，设计中要精确确定作为计算依据的空气的体积，而且辐射束和所产生的大部分次级电子都打不到收集电极上。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。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。e1为电子损失修正，p2为散射光子，e2为散射光子修正平行板几何结构在极板空间内产生的电场线是垂直于极板的，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。根据空气比释动能定义的公式：采用自由空气电离室绝对测量空气比释动能Ka时，复现的原理表达式为：dmdEKtrhlpdscesaairKKKKKKKKeWgvQK11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。为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。hlpdscesaKKKKKKKK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。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。低能自由空气电离室结构示意图光阑高压极保护条保护极收集极屏蔽箱保护极F’F”FF’FF”测量体积收集区e1e2e3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。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。低能X射线自由空气电离室外观中能X射线自由空气电离室外观3.空气减弱实验方案讨论空气减弱实验即自由空气电离室空气吸收改正项的测量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。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.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。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。