自由空氣電離室原理及空氣減弱實(shí)驗(yàn).ppt

自由空氣電離室原理及空氣減弱實(shí)驗(yàn)方案討論,李兵2011.09.22,一、主要內(nèi)容,1.電離室的原理和結(jié)構(gòu)等介紹2.自由空氣電離室原理介紹3.空氣減弱實(shí)驗(yàn)方案討論,1電離室原理及結(jié)構(gòu)介紹,電離室原理介紹：氣體探測(cè)器是利用收集輻射射線與氣體相互作用產(chǎn)生的電離電荷來探測(cè)輻射的探測(cè)器。通常是由高壓電極和收集電極組成,電離電荷在收集極積累，在輸出回路中形成電離電流，以電流的大小反應(yīng)輻射射線的能量和強(qiáng)度。,電離室的原理電離：入射帶電粒子通過氣體時(shí)，由于與氣體分子的電離碰撞而逐次損失能量，最后被阻止下來，碰撞的結(jié)果使氣體分子電離或激發(fā)，并在粒子通過的路徑上生成大量的離子對(duì)（電子和正離子）。該電離過程包括入射粒子直接與氣體分子碰撞引起的電離（初電離）以及由碰撞打出的高速電子所引起的電離（次電離），總稱為總電離。粒子在單位路程上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為比電離。,電離能：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對(duì)離子所需要的平均能量w稱為電離能。電離電位：使原子發(fā)生電離所需的能量稱為電離能，也稱電離電位，以電子伏特為單位，對(duì)于光子，空氣分子的電離電位為33.73+-0.15eV?？傠婋xN與入射粒子能量E0成正比關(guān)系N=E0/w這也就是有總電離的測(cè)量來確定粒子能量的根據(jù)。,電子和離子在電離室中的運(yùn)動(dòng)在氣體中，電離后生成的電子和離子除了與做熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動(dòng)外，還有兩種定向運(yùn)動(dòng)。離子的漂移：離子由于外加電場(chǎng)的加速作用沿電場(chǎng)方向漂移，在一定范圍內(nèi)（E/P0.03Vcm-1pa-1）,穩(wěn)定狀態(tài)下的離子漂移速度W=E/P稱為離子的遷移率，與氣體的性質(zhì)有關(guān)。E/P又稱為約化場(chǎng)強(qiáng)。,電子的漂移：電子的漂移速度與約化場(chǎng)強(qiáng)不成正比。電子的漂移速度一般比離子的大103倍，因?yàn)殡娮拥钠骄杂沙瘫入x子的大數(shù)倍，而質(zhì)量有比離子的小很多。電子的漂移速度對(duì)組成氣體的成分非誠敏感。電子和離子的擴(kuò)散：電子和離子因?yàn)榭臻g密度不均勻而有密度大的空間想密度小的空間擴(kuò)散。,在室溫下，粒子的漂移的平均距離Sw,擴(kuò)散的平均距離SdSw/Sd0.2(/V)為粒子雜亂運(yùn)動(dòng)能量與熱運(yùn)動(dòng)能量的比值，V為漂移路程兩端的電位差。離子擴(kuò)散的影響比電子小許多倍，而單原子分子中加入少量多原子分子可以降低，減小電子擴(kuò)散的影響。,離子的收集和電壓電流曲線氣體探測(cè)器是利用收集輻射在氣體中的電離電荷來探測(cè)輻射的探測(cè)器，也就是離子的收集器，通常由高壓極和收集極組成。設(shè)入射帶電粒子在探測(cè)器的靈敏體積(兩極間的有效空間)內(nèi)形成N0個(gè)離子對(duì)(初電離)，收集的離子對(duì)數(shù)N與外加電壓V的關(guān)系如下圖所示。,電離室結(jié)構(gòu)介紹：電離室的典型結(jié)構(gòu)有平板型和圓柱型。均包括：高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓；收集極(C)：與測(cè)量?jī)x器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位；保護(hù)極(G)：又稱保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位；負(fù)載電阻(RL)：電流流過時(shí)形成電壓信號(hào)。詳情如下圖,氣體探測(cè)器包括了電離室、正比計(jì)數(shù)器和G-M計(jì)數(shù)管（如下圖），他們均以氣體為探測(cè)介質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上也有相似之處。其中因?yàn)殡婋x室具有很好的能量響應(yīng)被廣泛應(yīng)用到X射線的測(cè)量中，尤其在輻射場(chǎng)半值層的測(cè)量中選用電流電離室和累計(jì)電離室。,各種形式的電離室,平行板電離室圓柱形電離室球形電離室空氣壁電離室電容式電離室屏柵（福里斯）電離室外推電離室空氣等效電離室自由空氣電離室布拉格-格雷空腔電離室等等如下圖,2自由空氣電離室原理介紹,自由空氣電離室是一種與大氣相通的電離室，主要用于照射量和空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量，用作標(biāo)準(zhǔn)電離室，設(shè)計(jì)中要精確確定作為計(jì)算依據(jù)的空氣的體積，而且輻射束和所產(chǎn)生的大部分次級(jí)電子都打不到收集電極上。,自由空氣電離室由高壓極、收集極、保護(hù)極、保護(hù)環(huán)、光闌和屏蔽外殼組成，收集極嵌裝在保護(hù)極體中間的凹槽內(nèi)，由琥珀螺釘固定；保護(hù)條系統(tǒng)由18圈硬鋁矩形環(huán)組成；限制光闌由鎢合金組成，成份為89%的鎢、7%的鎳和4%的銅?；鶞?zhǔn)系統(tǒng)空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量使用自由空氣電離室。,自由空氣電離室由高壓極、收集極、保護(hù)極、保護(hù)環(huán)、光闌和屏蔽外殼組成，其中有效測(cè)量體積和收集區(qū)如圖所示。e1為電子損失修正，p2為散射光子，e2為散射光子修正,平行板幾何結(jié)構(gòu)在極板空間內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)線是垂直于極板的，X射線與有效測(cè)量體積內(nèi)空氣相互作用產(chǎn)生的電離電荷被收集，入射X射線是準(zhǔn)直的，以便將X射線限制在遠(yuǎn)離電離室電極的區(qū)域，使得在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的次級(jí)電子不能到達(dá)高壓極和收集-保護(hù)極。,根據(jù)空氣比釋動(dòng)能定義的公式：采用自由空氣電離室絕對(duì)測(cè)量空氣比釋動(dòng)能Ka時(shí)，復(fù)現(xiàn)的原理表達(dá)式為：,式中Q為自由空氣電離室收集的電離電荷，為空氣密度，為電離室有效測(cè)量體積，g為帶電粒子的能量轉(zhuǎn)化為軔致輻射的份額。W為在空氣中每形成一對(duì)離子所消耗的平均能量。e為基本電荷。為復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能單位時(shí)的各項(xiàng)修正。自由空氣電離室電離電流在10-710-11安培量級(jí)，采用湯遜補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)弱電流的精密測(cè)量。,設(shè)計(jì)原則:作為基準(zhǔn)中空氣比釋動(dòng)能絕對(duì)測(cè)量的自由空氣電離室在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：1.具有電場(chǎng)保護(hù)的平行平板結(jié)構(gòu)，保證精確的電荷收集電場(chǎng)。精密加工準(zhǔn)直的限束光闌，確定測(cè)量體積。2.盡量減少電離電荷收集過程復(fù)合損失；引出通路具有足夠的絕緣電阻，以減少漏電流損失。3.收集-保護(hù)極為一體結(jié)構(gòu)。收集極支撐為高絕緣材料(琥珀、石英、微晶玻璃)，依據(jù)電場(chǎng)畸變，選擇保護(hù)極尺寸，及均壓環(huán)保護(hù)設(shè)計(jì)。,4.高壓極與收集-保護(hù)極間距。綜合考慮電子電離損失和散射光子的額外電離貢獻(xiàn)，并合理配置極化電壓，使電離室工作在良好的飽和狀態(tài)。5.限束光闌(89%W、7%Ni、4%Cu)鎢合金，精密加工保證直徑測(cè)量0.5um。6.電離室箱體屏蔽雜散輻射和電磁干擾，前面板減少輻射穿透，采用鉛-銅-鐵-鋁復(fù)合板。7.整體設(shè)計(jì)逐層考慮：收集極，收集極-保護(hù)極組件，高壓極與收集極-保護(hù)級(jí)結(jié)構(gòu)，均壓保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系和設(shè)計(jì)要求。,自由空氣電離室由高壓極、收集極、保護(hù)極、保護(hù)環(huán)、光闌和屏蔽外殼組成，其中有效測(cè)量體積和收集區(qū)如圖所示。,低能自由空氣電離室結(jié)構(gòu)示意圖,收集極長(zhǎng)度決定了測(cè)量體積的大小，因此，在可能的范圍內(nèi)選擇較大的收集極，有利于增加測(cè)量電流，減少空氣比釋動(dòng)能絕對(duì)測(cè)量的不確定度。但收集極長(zhǎng)度較短時(shí)，電場(chǎng)的一致性較好。高壓極與收集極之間的距離稱為極間距，對(duì)于極間距的考慮主要是要大于次級(jí)電子的射程，要求次級(jí)電子不能到達(dá)高壓極和收-保極（收集極和保護(hù)極在一個(gè)平面上），其能量全部沉積在空氣中。,低能X射線自由空氣電離室外觀,中能X射線自由空氣電離室外觀,3.空氣減弱實(shí)驗(yàn)方案討論,空氣減弱實(shí)驗(yàn)即自由空氣電離室空氣吸收改正項(xiàng)的測(cè)量1.Attix方法Attix方法及就是“全吸收”方法，把一空徑較小的光闌固定放置在焦斑和自由空氣電離室之間某一位置，把摘去光闌的電離室先在焦斑1m遠(yuǎn)處測(cè)量電離電流，然后在輻射場(chǎng)條件不變的條件下把自由空氣電離室向焦斑方向移近，移動(dòng)的距離等于該自由空氣電離室空氣吸收路徑長(zhǎng)度，再次測(cè)量電離電流。,實(shí)驗(yàn)要求：被限定尺寸的射束全部進(jìn)入自由空氣電離室而未受到除了空氣以外的任何物體或者自由空氣電離室本身不見得遮擋或阻斷。在實(shí)驗(yàn)室大氣壓力，溫度都不變，自由空氣電離室在兩個(gè)位置上測(cè)得的電離電流的比值就反映了它在該射線質(zhì)之下的空氣吸收改正項(xiàng)的大小。,該測(cè)量方法所得改正項(xiàng)與X射線束在銅中的半值層厚度的對(duì)數(shù)有很好的線性關(guān)系，在對(duì)射線質(zhì)進(jìn)行調(diào)整以及建立更高或者更低能量的新的射線束時(shí)，空氣吸收改正項(xiàng)是在Attix試驗(yàn)區(qū)線上內(nèi)插和外推求出的。但該試驗(yàn)方法在測(cè)量重過濾X射線束時(shí)遇到了一些問題，比如重過濾X射線束給出的信號(hào)電流較弱，而自由空氣電離室測(cè)量本底電流時(shí)實(shí)驗(yàn)精度不夠。,2.抽空系統(tǒng)配合靈敏度較高的薄壁空腔電離室測(cè)量空氣吸收改正項(xiàng)該方法解決了自由空氣電離室本身無法實(shí)現(xiàn)重過濾X射線束的低照射量率下精確測(cè)定空氣吸收改正項(xiàng)的困難。,在測(cè)量自由空氣電離室對(duì)重重過濾X射線束的空氣吸收改正項(xiàng)時(shí)采用了A-5型壁厚0.8mm空氣等效塑料薄壁空腔電離室作為測(cè)量?jī)x器，在焦斑與薄壁空腔電離室之間放了一個(gè)聚酯膜(7mg/cm2)密封、可以抽真空的管子、管子的內(nèi)鏡足夠大，經(jīng)過準(zhǔn)值的X射線束的主影和半影區(qū)小于管子的內(nèi)徑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在不太低的光子能量下，管子和聚酯膜的存在不會(huì)導(dǎo)致射線束的明顯變化。,控制抽真空的程度，使得抽走的空氣的質(zhì)量厚度恰好等于自由空氣電離室空氣吸收路徑上的空氣質(zhì)量厚度，抽空前后由薄壁空腔電離室測(cè)得電離電流的比值恰好反映了自由空氣電離室對(duì)這一射線束空氣吸收改正項(xiàng)的大小。由于薄壁空腔電離室靈敏度較自由空氣電離室高得多，因此實(shí)驗(yàn)得出了更精確的結(jié)果。,3.抽空自由空氣電離室入射光欄與焦斑之間的空氣該方法即就是用自由空氣電離室本身作為測(cè)量?jī)x器，抽空自由空氣