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技术文章

电离室探测器

2009/11/11 21:55:00

电离室ionization chamber
　　由处于不同电位的电极和限定在电极之间的气体组成，通过收集因辐射在气体中产生的电子或离子运动而产生的电讯号来定量测量电离辐射的探测器。
　　分为脉冲电离室和电流电离室，前者可记录单个辐射粒子的电离辐射，主要用于重带电粒子的能量和注量或注量率的测量，后者则用来记录大量辐射产生的平均效应，用于测量X射线，γ光子束，β射线和中子束的注量、注量率和剂量。
　　是一种核辐射探测元件。一般为圆柱形，电离室中间有一个柱状电极，它与外壳构成一个电容器。在电离室的两极加上电压，可以收集放射性射线作用产生的电离电流。根据电离电流的大小可以确定放射性活度。按照被测射线种类不同，电离室可分为α电离室、β电离室和γ电离室。[1]
　　一种最早的测量核辐射的气体电离探测器之一，早在１９１—１９１４年间，就用它成功地发现了宇宙线.最简单的电离室由两块平行板构成，一块接几百至几千伏正高压，一块通过电阻接地.当带电粒子经过时，使两板之间气体电离，正离子飞向阴极，电子飞向阳极.两板上产生感应电荷，在接地的电阻上就形成一脉冲信号.由于电子飞行速度比离子要大三个量级，电子将快速到达阳极，在到达前，由于是正反离子对共同贡献，脉冲上升，随着电子减少和离子被阴极吸收，脉冲慢慢下降，直到正离子被吸收.由此可见，电离室相当于简单的放电线路，不同的电离室就是选择不同的值iPiP设计出来的.如果离子收集时间为＋（约为１０３C秒），电子的]收集时间为－（约为１０６＋C秒），当取时，为离子脉冲H]iP]电离室，它收集了全部电子和离子，可以用它来测量带电粒子的能量.当�。迹迹蔽缱拥缋胧遥冉峡�，可]iP]以用来测量带电粒子的强度.但由于它的脉冲辐度与离子对产生地点有关，不能直接用它来测能量.为了把电离室做得又快又能测能量，人们把它改进成屏栅电离室，可以在重离子物理中测量重带电粒子能量并鉴别粒子，也可改进为圆柱形脉冲电离室，既可测能量，又可作记数器.
[编辑本段]正文
　　一、电离室工作原理
　　电离室是一种探测电离辐射的气体探测器。
　　气体探测器的原理是，当探测器受到射线照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对。这些离子向周围区域自由扩散。扩散过程中，电子和正离子可以复合重新形成中性分子。但是，若在构成气体探测器的收集极和高压极上加直流的极化电压V，形成电场，那么电子和正离子就会分别被拉向正负两极，并被收集。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、饱和区、正比区、有限正比区、盖革区(G - M区)一直变化到连续放电区。
　　所谓电离室即工作在饱和区的气体探测器，因而饱和区又称电离室区。如图11-1所示，在该区内，如果选择了适当的极化电压，复合效应便可忽略，也没有碰撞放大产生，此时可认为射线产生的初始离子对N0恰好全部被收集，形成电离电流。该电离电流正比于N0，因而正比于射线强度。加速器的监测探测器一般均采用电离室。标准剂量计也用电离室作为测量元件。电离室的电流可以用一台灵敏度很高的静电计测量。
　　不难看出，电离室主要由收集极和高压极组成，收集极和高压极之间是气体。与其他气体探测器不同的是，电离室一般以一个大气压左右的空气为灵敏体积，该部分可以与外界完全连通，也可以处于封闭状态。其周围是由导电的空气等效材料或组织等效材料构成的电极，中心是收集电极，二极间加一定的极化电压形成电场。为了使收集到的电离离子全部形成电离电流，减少漏电损失，在收集极和高压极之间需要增加保护极。
　　当X射线、γ射线照射电离室，光子与电离室材料发生相互作用，主要在电离室室壁产生次级电子。次级电子使电离室内的空气电离，电离离子在电场的作用下向收集极运动，到达收集极的离子被收集，形成电离电流信号输出给测量单元。
　　二、电离室的主要性能
　　(一) 电离室的灵敏度
　　一般说来，电离室的灵敏度取决于电离室内的空气质量。由于电离室内的气压近似为一个大气压，那么，也可以说其灵敏度正比于空气体积，因而这个体积又称“灵敏体积”，对于测量照射量(空气比释动能)的电离室，其电流服从下式的规律
　　或者写为：
　　式中
　　SC — 电离室的灵敏度(灵敏因子)
　　IC — 电离室的电离电流A
　　— 照射量率C·kg ·s(A·kg)
　　V — 电离室的灵敏体积
　　a — 常数，与电离室的材料和空气密度有关，对于空气等效电离室α≈1.2×10
　　因此随着电离室体积增大，灵敏度增高。
　　(二) 电离室的能量响应
　　如上所述，电离室的响应(灵敏度)正比于空气比释动能率(照射量率)，而不受其他影响，例如不应随能量的变化而变化，不应随温度的变化而变化等。但是由于电离室本身不能完全由空气制作，不能完全等同于空气，当辐射的能量改变后，电离室的响应(灵敏度)也随之改变，这种特性称之为能量响应。
　　对于剂量测量的电离室，能量响应是极为重要的性能参数：而对于剂量监测的电离室虽然也关心能量响应，但不是非常重要。
　　(三) 电子平衡
　　在加速器辐射和空气的相互作用中，加速器的光子不能直接引起电离，而是通过光电吸收、康普顿散射和电子对生成作用损失能量，产生次级电子。加速器的初级电子虽然引起电离，但是引起空气电离的主要还是次级电子。加速器光子或初级电子在与物质的作用中首先产生次级电子，而作为电离室，进入电离室空气空腔的次级电子主要在电离室的壁中产生的。由于壁的材料的密度比空气大得多，产生的电子也多，因此随着壁厚的增加，进入电离室空气灵敏体积的次级电子增加，当电离室壁厚增加到一定程度，电离室壁对次级电子的阻挡作用开始明显，并最终使得进入灵敏体积的次级电子和逃出灵敏体积的次级电子相等，我们便称这种状态为“电子平衡”，或称“电子建成”。广义的说，所谓电子平衡，是指进入测量体积元的次级电子能量等于离开该体积元的次级电子能量。当射线的能量高时，次级电子的能量也高，穿透的材料厚度增大，达到电子平衡的厚度也增大。
　　一般来说，只要包围收集体积空气的材料的厚度大于次级电子最大射程，电子平衡条件就可基本满足。我们稍微详细点分析。
　　假设要测量V内一点A的剂量，那么，就要取以点A为中心的质量元P，其质量为Δm。在计算电离辐射授予Δm的能量时，要看到电离辐射产生的次级电子既有离开P的C，也有由P的外部进入P的(例如B)。若假设电离辐射传递给Δm的能量为ΔEa，那么
　　式中(ΔEin)和(ΔEout)分别表示进入Δm和由Δm中带走的能量，外部的下脚标e和u分别表示带电和不带电的电离辐射。(ΔER)u表示由不带电的电离辐射引起Δm内的核子与电子的静止质量的变化而损失的能量。显然，(ΔEin)u - (ΔEout)u - (ΔER)u是不带电电离辐射在Δm内产生的次级电子的全部动能之和，以ΔEk表示，那么上式又可写为：
　　当次级电子进入P内带的能量(ΔEin)e与P内带走的能量(ΔEout)e相等时，即(ΔEin)e = (ΔEout)e，称为带电粒子平衡。只有在带电离子平衡条件下，才能测出点A处的剂量，否则难以判断电离辐射究竟传递给Δm多大的能量。即是说，不能达到电子平衡条件时，不能进行以确定量值为目的的测量，因为无法找到修正方法。
　　对于常用的 或 辐射，要达到带电粒子平衡，所需的介质厚度为其产生的次级电子射程。表11-1给出某些X射线在水中的减弱系数与次级电子的射程。
　　表11-1． X—射线在水中的减弱系数与次级电子射程

　　

X射线的最大能量
　　(MeV)
　　		 线性减弱系数
　�。╟m）
　　		 次级电子最大射程
　�。╟m）
　　
0.02
　　		 0.796
　　		 0.0008
　　
0.05
　　		 0.226
　　		 0.0042
　　
0.1
　　		 0.171
　　		 0.014
　　
0.5
　　		 0.097
　　		 0.097
　　
1.0
　　		 0.071
　　		 0.33
　　
2.0
　　		 0.049
　　		 0.84
　　
4
　　		 0.034
　　		 0.93
　　
6
　　		 0.027
　　		 1.27
　　
8
　　		 0.024
　　		 1.69
　　
10
　　		 0.022
　　		 2.03
　　
15
　　		 0.019
　　		 2.28
　　
20
　　		 0.018
　　		 2.95
　　

　(四) 电离室的复合损失

　　如前所述，如果选择了适当的极化电压，复合效应便可忽略。但是复合损失不仅与极化电压有关，还与电离室灵敏体积中空气的电离密度有关，即与剂量率有关。由于离子复合，空腔内的电荷收集效率不高，需用修正因子。复合损失修正的一般公式：

　　式中：

　　is — 饱和电流

　　iR — 测量电流读数

　　m— 复合常数，m = 36.7±2．2

　　q — 电离密度

　　V — 电离电压(极化电压)

　　r1 — 极间距离，单位cm

　　r2 — 电离室形状参数

　　如果详细研究，电离室的复合效应与其形状、收集电压、以及辐射产生电荷的速度有关。当测量加速器时，辐射是脉冲式的，脉冲瞬间的辐射剂量率远远大于其平均剂量率，复合修正因子变得相当重要。对于连续辐照(γ射线束)复合效应一般非常小。为了检验电离室的复合损失，可以将极化电压减低到正常值的0.5倍，如果电流值大于正常极化电压的99．5％，问题不大；如果电流值仅为正常极化电压的99．0％，须要认真对待；如果更小，则必须采取措施。

　　但是电离室的体积越大，对周围的扰动越大，影响辐射场的测量。而辐射场的测量中，扰动的影响是很难定量确定。因此用于放射治疗辐射场测量的电离室体积不能太大，通常小于1cm。

　　虽然电离室可以单独校淮，但较多情况下电离室和其测量单元作为一个整体校准。

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