電離室探測器

2009/11/11 21:55:00

電離室ionization chamber
　　由處于不同電位的電極和限定在電極之間的氣體組成，通過收集因輻射在氣體中產(chǎn)生的電子或離子運(yùn)動而產(chǎn)生的電訊號來定量測量電離輻射的探測器。
　　分為脈沖電離室和電流電離室，前者可記錄單個(gè)輻射粒子的電離輻射，主要用于重帶電粒子的能量和注量或注量率的測量，后者則用來記錄大量輻射產(chǎn)生的平均效應(yīng)，用于測量X射線，γ光子束，β射線和中子束的注量、注量率和劑量。
　　是一種核輻射探測元件。一般為圓柱形，電離室中間有一個(gè)柱狀電極，它與外殼構(gòu)成一個(gè)電容器。在電離室的兩極加上電壓，可以收集放射性射線作用產(chǎn)生的電離電流。根據(jù)電離電流的大小可以確定放射性活度。按照被測射線種類不同，電離室可分為α電離室、β電離室和γ電離室。[1]
　　一種最早的測量核輻射的氣體電離探測器之一，早在１９１—１９１４年間，就用它成功地發(fā)現(xiàn)了宇宙線.最簡單的電離室由兩塊平行板構(gòu)成，一塊接幾百至幾千伏正高壓，一塊通過電阻接地.當(dāng)帶電粒子經(jīng)過時(shí)，使兩板之間氣體電離，正離子飛向陰極，電子飛向陽極.兩板上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，在接地的電阻上就形成一脈沖信號.由于電子飛行速度比離子要大三個(gè)量級，電子將快速到達(dá)陽極，在到達(dá)前，由于是正反離子對共同貢獻(xiàn)，脈沖上升，隨著電子減少和離子被陰極吸收，脈沖慢慢下降，直到正離子被吸收.由此可見，電離室相當(dāng)于簡單的放電線路，不同的電離室就是選擇不同的值iPiP設(shè)計(jì)出來的.如果離子收集時(shí)間為＋（約為１０３C秒），電子的]收集時(shí)間為－（約為１０６＋C秒），當(dāng)取時(shí)，為離子脈沖H]iP]電離室，它收集了全部電子和離子，可以用它來測量帶電粒子的能量.當(dāng)取－＜＜＋時(shí)為電子電離室，它比較快，可]iP]以用來測量帶電粒子的強(qiáng)度.但由于它的脈沖輻度與離子對產(chǎn)生地點(diǎn)有關(guān)，不能直接用它來測能量.為了把電離室做得又快又能測能量，人們把它改進(jìn)成屏柵電離室，可以在重離子物理中測量重帶電粒子能量并鑒別粒子，也可改進(jìn)為圓柱形脈沖電離室，既可測能量，又可作記數(shù)器.
[編輯本段]正文
　　一、電離室工作原理
　　電離室是一種探測電離輻射的氣體探測器。
　　氣體探測器的原理是，當(dāng)探測器受到射線照射時(shí)，射線與氣體中的分子作用，產(chǎn)生由一個(gè)電子和一個(gè)正離子組成的離子對。這些離子向周圍區(qū)域自由擴(kuò)散。擴(kuò)散過程中，電子和正離子可以復(fù)合重新形成中性分子。但是，若在構(gòu)成氣體探測器的收集極和高壓極上加直流的極化電壓V，形成電場，那么電子和正離子就會分別被拉向正負(fù)兩極，并被收集。隨著極化電壓V逐漸增加，氣體探測器的工作狀態(tài)就會從復(fù)合區(qū)、飽和區(qū)、正比區(qū)、有限正比區(qū)、蓋革區(qū)(G - M區(qū))一直變化到連續(xù)放電區(qū)。
　　所謂電離室即工作在飽和區(qū)的氣體探測器，因而飽和區(qū)又稱電離室區(qū)。如圖11-1所示，在該區(qū)內(nèi)，如果選擇了適當(dāng)?shù)臉O化電壓，復(fù)合效應(yīng)便可忽略，也沒有碰撞放大產(chǎn)生，此時(shí)可認(rèn)為射線產(chǎn)生的初始離子對N0恰好全部被收集，形成電離電流。該電離電流正比于N0，因而正比于射線強(qiáng)度。加速器的監(jiān)測探測器一般均采用電離室。標(biāo)準(zhǔn)劑量計(jì)也用電離室作為測量元件。電離室的電流可以用一臺靈敏度很高的靜電計(jì)測量。
　　不難看出，電離室主要由收集極和高壓極組成，收集極和高壓極之間是氣體。與其他氣體探測器不同的是，電離室一般以一個(gè)大氣壓左右的空氣為靈敏體積，該部分可以與外界完全連通，也可以處于封閉狀態(tài)。其周圍是由導(dǎo)電的空氣等效材料或組織等效材料構(gòu)成的電極，中心是收集電極，二極間加一定的極化電壓形成電場。為了使收集到的電離離子全部形成電離電流，減少漏電損失，在收集極和高壓極之間需要增加保護(hù)極。
　　當(dāng)X射線、γ射線照射電離室，光子與電離室材料發(fā)生相互作用，主要在電離室室壁產(chǎn)生次級電子。次級電子使電離室內(nèi)的空氣電離，電離離子在電場的作用下向收集極運(yùn)動，到達(dá)收集極的離子被收集，形成電離電流信號輸出給測量單元。
　　二、電離室的主要性能
　　(一) 電離室的靈敏度
　　一般說來，電離室的靈敏度取決于電離室內(nèi)的空氣質(zhì)量。由于電離室內(nèi)的氣壓近似為一個(gè)大氣壓，那么，也可以說其靈敏度正比于空氣體積，因而這個(gè)體積又稱“靈敏體積”，對于測量照射量(空氣比釋動能)的電離室，其電流服從下式的規(guī)律
　　或者寫為：
　　式中
　　SC — 電離室的靈敏度(靈敏因子)
　　IC — 電離室的電離電流A
　　— 照射量率C·kg ·s(A·kg)
　　V — 電離室的靈敏體積
　　a — 常數(shù)，與電離室的材料和空氣密度有關(guān)，對于空氣等效電離室α≈1.2×10
　　因此隨著電離室體積增大，靈敏度增高。
　　(二) 電離室的能量響應(yīng)
　　如上所述，電離室的響應(yīng)(靈敏度)正比于空氣比釋動能率(照射量率)，而不受其他影響，例如不應(yīng)隨能量的變化而變化，不應(yīng)隨溫度的變化而變化等。但是由于電離室本身不能完全由空氣制作，不能完全等同于空氣，當(dāng)輻射的能量改變后，電離室的響應(yīng)(靈敏度)也隨之改變，這種特性稱之為能量響應(yīng)。
　　對于劑量測量的電離室，能量響應(yīng)是極為重要的性能參數(shù)：而對于劑量監(jiān)測的電離室雖然也關(guān)心能量響應(yīng)，但不是非常重要。
　　(三) 電子平衡
　　在加速器輻射和空氣的相互作用中，加速器的光子不能直接引起電離，而是通過光電吸收、康普頓散射和電子對生成作用損失能量，產(chǎn)生次級電子。加速器的初級電子雖然引起電離，但是引起空氣電離的主要還是次級電子。加速器光子或初級電子在與物質(zhì)的作用中首先產(chǎn)生次級電子，而作為電離室，進(jìn)入電離室空氣空腔的次級電子主要在電離室的壁中產(chǎn)生的。由于壁的材料的密度比空氣大得多，產(chǎn)生的電子也多，因此隨著壁厚的增加，進(jìn)入電離室空氣靈敏體積的次級電子增加，當(dāng)電離室壁厚增加到一定程度，電離室壁對次級電子的阻擋作用開始明顯，并最終使得進(jìn)入靈敏體積的次級電子和逃出靈敏體積的次級電子相等，我們便稱這種狀態(tài)為“電子平衡”，或稱“電子建成”。廣義的說，所謂電子平衡，是指進(jìn)入測量體積元的次級電子能量等于離開該體積元的次級電子能量。當(dāng)射線的能量高時(shí)，次級電子的能量也高，穿透的材料厚度增大，達(dá)到電子平衡的厚度也增大。
　　一般來說，只要包圍收集體積空氣的材料的厚度大于次級電子最大射程，電子平衡條件就可基本滿足。我們稍微詳細(xì)點(diǎn)分析。
　　假設(shè)要測量V內(nèi)一點(diǎn)A的劑量，那么，就要取以點(diǎn)A為中心的質(zhì)量元P，其質(zhì)量為Δm。在計(jì)算電離輻射授予Δm的能量時(shí)，要看到電離輻射產(chǎn)生的次級電子既有離開P的C，也有由P的外部進(jìn)入P的(例如B)。若假設(shè)電離輻射傳遞給Δm的能量為ΔEa，那么
　　式中(ΔEin)和(ΔEout)分別表示進(jìn)入Δm和由Δm中帶走的能量，外部的下腳標(biāo)e和u分別表示帶電和不帶電的電離輻射。(ΔER)u表示由不帶電的電離輻射引起Δm內(nèi)的核子與電子的靜止質(zhì)量的變化而損失的能量。顯然，(ΔEin)u - (ΔEout)u - (ΔER)u是不帶電電離輻射在Δm內(nèi)產(chǎn)生的次級電子的全部動能之和，以ΔEk表示，那么上式又可寫為：
　　當(dāng)次級電子進(jìn)入P內(nèi)帶的能量(ΔEin)e與P內(nèi)帶走的能量(ΔEout)e相等時(shí)，即(ΔEin)e = (ΔEout)e，稱為帶電粒子平衡。只有在帶電離子平衡條件下，才能測出點(diǎn)A處的劑量，否則難以判斷電離輻射究竟傳遞給Δm多大的能量。即是說，不能達(dá)到電子平衡條件時(shí)，不能進(jìn)行以確定量值為目的的測量，因?yàn)闊o法找到修正方法。
　　對于常用的 或 輻射，要達(dá)到帶電粒子平衡，所需的介質(zhì)厚度為其產(chǎn)生的次級電子射程。表11-1給出某些X射線在水中的減弱系數(shù)與次級電子的射程。
　　表11-1． X—射線在水中的減弱系數(shù)與次級電子射程

　　如前所述，如果選擇了適當(dāng)?shù)臉O化電壓，復(fù)合效應(yīng)便可忽略。但是復(fù)合損失不僅與極化電壓有關(guān)，還與電離室靈敏體積中空氣的電離密度有關(guān)，即與劑量率有關(guān)。由于離子復(fù)合，空腔內(nèi)的電荷收集效率不高，需用修正因子。復(fù)合損失修正的一般公式：

　　式中：

　　is — 飽和電流

　　iR — 測量電流讀數(shù)

　　m— 復(fù)合常數(shù)，m = 36.7±2．2

　　q — 電離密度

　　V — 電離電壓(極化電壓)

　　r1 — 極間距離，單位cm

　　r2 — 電離室形狀參數(shù)

　　如果詳細(xì)研究，電離室的復(fù)合效應(yīng)與其形狀、收集電壓、以及輻射產(chǎn)生電荷的速度有關(guān)。當(dāng)測量加速器時(shí)，輻射是脈沖式的，脈沖瞬間的輻射劑量率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其平均劑量率，復(fù)合修正因子變得相當(dāng)重要。對于連續(xù)輻照(γ射線束)復(fù)合效應(yīng)一般非常小。為了檢驗(yàn)電離室的復(fù)合損失，可以將極化電壓減低到正常值的0.5倍，如果電流值大于正常極化電壓的99．5％，問題不大；如果電流值僅為正常極化電壓的99．0％，須要認(rèn)真對待；如果更小，則必須采取措施。

　　但是電離室的體積越大，對周圍的擾動越大，影響輻射場的測量。而輻射場的測量中，擾動的影響是很難定量確定。因此用于放射治療輻射場測量的電離室體積不能太大，通常小于1cm。

　　雖然電離室可以單獨(dú)校淮，但較多情況下電離室和其測量單元作為一個(gè)整體校準(zhǔn)。