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生的電子或離子運動而產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生的平均效應，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，電離室中間有一個柱狀電極，它與外殼構成一個電容器。在電離室的兩極加上電壓，可以收集放射性射線作用產生的電離電流。根據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，就用它成功地發現了宇宙線.最簡單的電離室由兩塊平行板構成，一塊接幾百至幾千伏正高壓，一塊通過電阻接地.當帶電粒子經過時，使兩板之間氣體電離，正離子飛向陰極，電子飛向陽極.兩板上產生感應電荷，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量級，電子將快速到達陽極，在到達前，由于是正反離子對共同貢獻，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，電離室相當于簡單的放電線路，不同的電離室就是選擇不同的值iPiP設計出來的.如果離子收集時間為＋（約為１０３C秒），電子的]收集時間為－（約為１０６＋C秒），當取時，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.當取－＜＜＋時為電子電離室，它比較快，可]iP]以用來測量帶電粒子的強度.但由于它的脈沖輻度與離子對產生地點有關，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，也可改進為圓柱形脈沖電離室，既可測能量，又可作記數器.
[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，當探測器受到射線照射時，射線與氣體中的分子作用，產生由一個電子和一個正離子組成的離子對。這些離子向周圍區域自由擴散。擴散過程中，電子和正離子可以復合重新形成中性分子。但是，若在構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就會從復合區、飽和區、正比區、有限正比區、蓋革區(G - M區)一直變化到連續放電區。
　　所謂電離室即工作在飽和區的氣體探測器，因而飽和區又稱電離室區。如圖11-1所示，在該區內，如果選擇了適當的極化電壓，復合效應便可忽略，也沒有碰撞放大產生，此時可認為射線產生的初始離子對N0恰好全部被收集，形成電離電流。該電離電流正比于N0，因而正比于射線強度。加速器的監測探測器一般均采用電離室。標準劑量計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。其周圍是由導電的空氣等效材料或組織等效材料構成的電極，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極。
　　當X射線、γ射線照射電離室，光子與電離室材料發生相互作用，主要在電離室室壁產生次級電子。次級電子使電離室內的空氣電離，電離離子在電場的作用下向收集極運動，到達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的空氣質量。由于電離室內的氣壓近似為一個大氣壓，那么，也可以說其靈敏度正比于空氣體積，因而這個體積又稱“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，與電離室的材料和空氣密度有關，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
　　如上所述，電離室的響應(靈敏度)正比于空氣比釋動能率(照射量率)，而不受其他影響，例如不應隨能量的變化而變化，不應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，當輻射的能量改變后，電離室的響應(靈敏度)也隨之改變，這種特性稱之為能量響應。
　　對于劑量測量的電離室，能量響應是極為重要的性能參數：而對于劑量監測的電離室雖然也關心能量響應，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的作用中首先產生次級電子，而作為電離室，進入電離室空氣空腔的次級電子主要在電離室的壁中產生的。由于壁的材料的密度比空氣大得多，產生的電子也多，因此隨著壁厚的增加，進入電離室空氣靈敏體積的次級電子增加，當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，我們便稱這種狀態為“電子平衡”，或稱“電子建成”。廣義的說，所謂電子平衡，是指進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。當射線的能量高時，次級電子的能量也高，穿透的材料厚度增大，達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。我們稍微詳細點分析。
　　假設要測量V內一點A的劑量，那么，就要取以點A為中心的質量元P，其質量為Δm。在計算電離輻射授予Δm的能量時，要看到電離輻射產生的次級電子既有離開P的C，也有由P的外部進入P的(例如B)。若假設電離輻射傳遞給Δm的能量為ΔEa，那么
　　式中(ΔEin)和(ΔEout)分別表示進入Δm和由Δm中帶走的能量，外部的下腳標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內的核子與電子的靜止質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內產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：
　　當次級電子進入P內帶的能量(ΔEin)e與P內帶走的能量(ΔEout)e相等時，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，不能達到電子平衡條件時，不能進行以確定量值為目的的測量，因為無法找到修正方法。
　　對于常用的 或 輻射，要達到帶電粒子平衡，所需的介質厚度為其產生的次級電子射程。表11-1給出某些X射線在水中的減弱系數與次級電子的射程。
　　表11-1． X—射線在水中的減弱系數與次級電子射程

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

　　式中：

　　is — 飽和電流

　　iR — 測量電流讀數

　　m— 復合常數，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

　　如果詳細研究，電離室的復合效應與其形狀、收集電壓、以及輻射產生電荷的速度有關。當測量加速器時，輻射是脈沖式的，脈沖瞬間的輻射劑量率遠遠大于其平均劑量率，復合修正因子變得相當重要。對于連續輻照(γ射線束)復合效應一般非常小。為了檢驗電離室的復合損失，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校淮，但較多情況下電離室和其測量單元作為一個整體校準。