CN110299280A - 一种环境水平高气压电离室及其标准剂量计系统 - Google Patents

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倪宁
宋明哲
高飞
张曦
徐阳
侯金兵
王红玉
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Abstract

本发明涉及一种环境水平高气压电离室及其标准剂量计系统。电离室的空心球形外壳内设有收集极，外壳上设有绝缘端子和充气管，所述外壳采用高强度合金材料，在保证承压强度的条件下，外壳的厚度尽可能薄，但不应小于662KeV能量光子在对应材料中产生次级电子的射程，外壳内充入高纯氮气作为工作气体，氮气的压力不小于十个标准大气压。电离室的所述收集极经过绝缘端子和屏蔽电缆与静电计或微弱电流测量系统连接，通过测量电离室在辐射场中产生的微弱电流，乘以灵敏度因子及离子复合修正因子即可获得测量点处X、γ射线空气比释动能值。本发明灵敏度高，能量响应好，可用作环境水平γ射线参考辐射空气比释动能标准。

Description

一种环境水平高气压电离室及其标准剂量计系统
技术领域
本发明涉及一种气体探测器，具体涉及一种环境水平高气压电离室及其标准剂量计系统。
背景技术
空气比释动能作为基本物理量之一，是X、γ射线剂量学量值体系的基础。剂量学量始终贯穿辐射防护与辐射剂量学学科，它可以大致分为基本物理量、辐射防护评价量和辐射防护实用量三大类。绝大多数辐射防护评价量和辐射防护实用量都是通过相关转换系数与空气比释动能联系起来的。目前，国内外X、γ射线参考辐射剂量计量体系以空气比释动能为基础实现溯源与传递，从而保证辐射防护与辐射剂量学量的量值统一。
随着辐射防护与辐射剂量学的相关研究逾进深入，NORM问题研究、仪表性能研究、环境辐射监测、辐射应急监测、国土安全和环境本底调查等方向工作大量开展，对低空气比释动能率(2μ Gy/h及更低水平)的测量能力提升和测量范围的拓展提出迫切需求。当前主要采用基于Bragg-Gray理论设计的石墨电离室、空气等效壁电离室作为测量标准，在防护水平和环境水平γ射线参考辐射的中、下段受限于电离室的漏电流、灵敏度、电离电流测量装置测量下限和环境本底辐射等因素的影响，随着空气比释动能率的降低，测量结果的不确定度逐渐增加，阻碍了上述需求得到满足。目前，防护水平下段和环境水平中下段γ射线空气比释动能率的量值复现能力影响了辐射防护和辐射剂量学相关领域的发展和相关工作的开展。虽然高气压电离室具有灵敏度高、稳定性好的优点，广泛用于区域监测、环境监测等低水平辐射场、环境水平辐射测量，但其因在低能区域响应存在过响应现象，使其无法作为标准实验室测量标准或应用于其他高准确度测量中。
目前，标准实验室广泛使用石墨空腔电离室和空气等效壁电离室，但受限于灵敏度、漏电流等因素，当防护水平和环境水平γ射线空气比释动能参考辐射空气比释动能率低于2μ Gy/h时，存在测量准确度降低，测量不确定度大的问题。通过增加上述类型电离室的灵敏体积可一定程度增加灵敏度，但是大体积探测器有效中心难以确定、对参考辐射射束截面面积要求提高和探测散射份额增加等一系列问题限制了该方法的使用。而目前广泛使用的高气压电离室虽然具有灵敏度高、稳定性好的优点，但是能量响应无法满足计量标准的需求。
高气压电离室通常采用高强度金属材料(如304不锈钢)作为外壁，并在灵敏体积内充若干标准大气压(一个标准大气压等于101.325kPa)高纯氩气(Ar)或高纯氙气(Xe)以提升灵敏度。该类高气压电离室在低能(90keV～250keV)范围内存在过响应现象，尤其在100keV～125keV能量范围响应相对Cs-137的662keV能量响应高出70％以上。为了解决以上问题，现有设计采用在高气压电离室外壁贴上不同面积、不同厚度的补偿片(锡片或铅片)的方法，如中国专利申请201410593546.2“一种标准型高气压电离室及其制备方法”。对电离室贴片补偿后其能量响应特性变化优于±30％，但存在重量大幅增加、角响应一致性较差、制作复杂和工序较多等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种灵敏度高、能量响应好的环境水平高气压电离室及其标准剂量计系统。
本发明的技术方案如下：一种环境水平高气压电离室，在空心球形外壳内设有收集极，外壳上设有绝缘端子和充气管，其中，所述外壳采用高强度合金材料，在保证承压强度的条件下，外壳的厚度尽可能薄，但不应小于662KeV能量光子在对应材料中产生次级电子的射程，外壳内充入高纯氮气作为工作气体，氮气的压力不小于十个标准大气压。
进一步，如上所述的环境水平高气压电离室，其中，所述的收集极为铝材质的空心球体，收集极的直径为所述外壳直径的三分之一至二分之一。
进一步，如上所述的环境水平高气压电离室，其中，所述外壳采用304不锈钢，厚度为0.8mm～1.0mm。
进一步，如上所述的环境水平高气压电离室，其中，所述外壳采用铝合金，厚度为2.0mm～3.0mm。
一种采用上述环境水平高气压电离室的标准剂量计系统，电离室的所述收集极经过绝缘端子和屏蔽电缆与静电计或微弱电流测量系统连接，通过测量电离室在辐射场中产生的微弱电流，乘以灵敏度因子及离子复合修正因子即可获得测量点处X、γ射线空气比释动能值。
本发明的有益效果如下：本发明采用与空气质能吸收系数比相近的非负性高纯氮气，并合理选择电离室壁材料与厚度，能够在保证电离室灵敏度的前提条件下，大幅度改善传统高气压电离室剂量计能量响应较差的缺点。当采用直径200mm、壁厚1.0mm的304不锈钢球体作为外壁，直径80mm、壁厚0.5mm硬铝球体作为收集极，内充1215.9kPa气压(12个标准大气压)高纯氮气的环境水平γ射线空气比释动能电离室型标准剂量计，其灵敏度因子约为0.5fA·(nGy/h)-1，其在85keV～1250keV能量范围响应相对于662keV能量的响应变化不超过±10％。
本发明具有灵敏度高、能量响应特性好、角响应特性好、结构简单、一致性好的特点，能够保证测量准确度的同时大幅降低防护水平和环境水平γ射线参考辐射场中，尤其当空气比释动能率小于2μ Gy/h时，空气比释动能定值结果不确定度，可为低水平γ射线参考辐射空气比释动能的测量提供一种可靠方法，也可以用于超低本底实验室的环境本底测量与超低本底剂量实验室的定值，本发明还可以直接用于其他对测量精度要求较高的工作现场。
附图说明
图1为本发明充高纯氮气的高气压电离室结构示意图；
图2为一种典型充氮气高气压电离室的能量响应曲线图(蒙特卡罗计算方式获得)。
图3为标准电离室剂量计系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
经研究表明高气压电离室的响应来自于两部分，一部分为射线与壁材料作用产生的次级电子在灵敏体积内的能量沉积，另一部分为射线在灵敏体积内与工作气体作用产生的能量沉积。因此响应特性由两部分决定：室壁材料与空气的质能吸收系数比和空腔灵敏体积气体材料与空气的质能吸收系数比。通过蒙特卡罗方法模拟计算不同能量射线、不同工作气压的电离室灵敏体积中能量沉积贡献比例可知，当电离室工作气体等效体积足够大时，电离室的响应特性主要由工作气体的质能吸收系数决定。
因氮气为非负电性气体，且其质能衰减系数和碰撞阻止本领与干燥空气相近，即具有空气等效性。为保证剂量计灵敏度要求(灵敏度不小于0.5fA·(nGy/h)-1)和能量响应特性要求，本发明基于上述研究结论，选用高纯氮气作为电离室内充工作气体，内充气体压力不小于1013.25kPa(十个标准大气压)。采用高强度合金材料作为室壁材料，如304不锈钢厚度或6000系列铝合金材料，室壁厚度应尽可能薄以减小壁对射线的衰减，但不应小于662keV能量光子在对应材料中产生次级电子的射程和对应工作气体压力的承压厚度，如工作气体气压为1013.25kPa时，304不锈钢厚度为0.8mm～1.0mm。为保证剂量计的角响应特性，高气压电离室采用球型结构。收集极为球型，采用具有导电性且质量较小的铝材料，为提高有效量程且不影响有效体积，收集极直径应为电离室直径的三分之一至二分之一。球型收集极收集信号经绝缘端子引出，绝缘端子设有接地电位的保护环防止漏电流流入收集极。极化电压施加在电离室外壳，提供电离电荷收集所需的电场和电磁屏蔽所需的等电势场，极化电压为选择为-400V～-600V。
图1为一个内充高纯氮气的高气压电离室典型结构图，主要由外壳1、收集极5、绝缘端子2、绝缘端子法兰3、充气管7及其配套法兰6和电离室支撑杆8、收集极支撑杆4等组成。电离室外壳采用1.0mm的304不锈钢，用于收纳工作气体；工作气体为高纯氮气，气压不小于1013.25kPa；收集极用于收集辐射产生的电离电荷；绝缘端子和绝缘端子法兰采用焊接的形式固定在外壳上，用于支撑收集极及安装信号电缆；充气管及其配套法兰用于充入工作气体，待充气完毕后采用焊接方式将其密封，防止漏气；电离室支撑杆用于支撑电离室并可对信号电缆起静电屏蔽降低干扰作用。
一个具体的实施例如下：
外壳采用304不锈钢，直径200mm，壁厚为1.0mm，；内充1215.9(12个标准大气压)；收集极为球形铝合金材料，直径80mm，壁厚0.5mm。该设计能够保证电离室灵敏度因子不小于0.5fA·(nGy/h)-1，X、γ射线85keV～1250keV能量范围内的响应相对662keV光子响应变化小于±10％，见图2，角响应的变化不超过1％，有效量程10nGy/h～10mGy/h。将该种典型设计的电离室命名为KAS型。若外壁采用2.0mm至3.0mm的6000系列铝合金代替，可使能量响应下限低至70keV。
电离室9的信号由收集极经过高绝缘与防干扰的三同轴屏蔽电缆10输入静电计或配套微弱电流测量系统11，由上位机12或人工记录数据并计算，见图3，通过测量电离室在辐射场中产生的微弱电流I，乘以灵敏度因子S及离子复合修正因子k即可准确获得测量点处X、γ射线空气比释动能值Kair，如公式(1)所示：
Kair＝S×I×k (1)
微弱电流值I由静电计或微弱电流测量系统测量获得，灵敏度因子由石墨空腔电离室在标准实验室的参考辐射场中已知空气比释动能率点进行量值传递获取，离子复合修正因子k通过基于Boutillon提出的通过改变电离室收集电压的方法完成。
通过理论分析、蒙特卡罗方法模拟计算及实验验证多种方法结合，本发明提出了上述高气压电离室型标准计量计，其灵敏度高，能量响应好，可用作环境水平γ射线参考辐射空气比释动能标准，也可以用于超低本底实验室的环境本底测量与超低本底剂量实验室的定值，或直接用于其他对测量精度要求较高的工作现场。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种环境水平高气压电离室，在空心球形外壳内设有收集极，外壳上设有绝缘端子和充气管，其特征在于：所述外壳采用高强度合金材料，在保证承压强度的条件下，外壳的厚度尽可能薄，但不应小于662KeV能量光子在对应材料中产生次级电子的射程，外壳内充入高纯氮气作为工作气体，氮气的压力不小于十个标准大气压。
2.如权利要求1所述的环境水平高气压电离室，其特征在于：所述的收集极为铝材质的空心球体，收集极的直径为所述外壳直径的三分之一至二分之一。
3.如权利要求1所述的环境水平高气压电离室，其特征在于：所述外壳采用304不锈钢，厚度为0.8mm～1.0mm。
4.如权利要求1所述的环境水平高气压电离室，其特征在于：所述外壳采用铝合金，厚度为2.0mm～3.0mm。
5.一种采用权利要求1-4中任意一项所述的环境水平高气压电离室的标准剂量计系统，其特征在于：电离室的所述收集极经过绝缘端子和屏蔽电缆与静电计或微弱电流测量系统连接，通过测量电离室在辐射场中产生的微弱电流，乘以灵敏度因子及离子复合修正因子即可获得测量点处X、γ射线空气比释动能值。
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