CN115713017A - 一种电离室的结构优化方法、电离室及测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电离室的结构优化方法、电离室及测量装置，其中，优化方法包括构建电离室的有限元模型，基于有限元模型进行有限元多物理场分析，根据每个物理场分析调节电离室的结构参数，直至物理场的均匀性满足预设条件，根据调节后的参数确定电离室的结构。本申请通过有限元多物理场分析优化电离室的结构参数，提高了多个物理场均匀性，进而提高了电离室的探测效率。

Description

一种电离室的结构优化方法、电离室及测量装置

技术领域

本申请涉及辐射探测技术领域，尤其涉及一种电离室的结构优化方法、电离室及测量装置。

背景技术

某些核电站、靶生产、中子发生器生产或核设施退役等场所在生产运行中会产生一种放射性产物低能β放射性核素H-3，根据辐射环境监测的要求，通过电离室对H-3辐射水平进行监测。

相关技术中，电离室对H-3电流探测下限为pA(10^-12A)级或fA(10^-15A)级水平，例如法国PREMIUM Analyse和加拿大的TYNE公司能达到fA级，但对H-3的探测效率分别为69.3％和77.4％，探测效率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种电离室的结构优化方法、电离室及测量装置，以解决H-3等放射性产物高效稳定探测问题。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请的第一方面，提供了一种电离室的结构优化方法，包括：

构建电离室的有限元模型；

基于所述有限元模型进行有限元多物理场分析；

根据每个所述物理场分析调节所述电离室的结构参数，直至所述物理场的均匀性满足预设条件；

根据调节后的所述参数确定所述电离室的结构。

进一步地，基于所述有限元模型进行有限元多物理场分析的步骤，具体包括：

基于所述有限元模型进行有限元电场分析；

基于所述有限元模型进行有限元气体流场分析。

进一步地，先基于所述有限元模型进行有限元电场分析，然后基于所述有限元模型进行有限元气体流场分析。

进一步地，在根据调节后的所述参数确定所述电离室的结构的步骤之前，所述优化方法还包括：

对所述有限元模型进行有限元电场分析。

进一步地，根据每个所述物理场分析调节所述电离室的结构参数，直至所述物理场的均匀性满足预设条件的步骤，具体包括：

根据所述电场分析调节所述电离室的收集极，直至所述电场均匀性满足第一预设条件；

根据所述气体流场分析调节所述电离室的通气口，直至所述气体流场均匀性满足第二预设条件。

进一步地，根据所述电场分析调节所述电离室的收集极的步骤，具体包括：

调节所述收集极在所述电离室内的长度；和/或，

对所述收集极位于所述电离室内的尖端半球化处理。

进一步地，根据所述气体流场分析调节所述电离室的通气口的步骤，具体包括：

调节所述通气口中进气口和/或所述通气口中出气口的总面积；和/或，

调节所述通气口中出气口的位置。

本申请的第二方面，提供了一种根据上述结构优化方法制造的电离室，所述电离室包括：

壳体，具有电离空间和与所述电离空间分别连通的进气口和出气口，所述进气口用于含探测物质的气体流入，所述壳体用于隔离放大电路与所述电离空间；

电极件，设置在所述壳体上以加载负高压；

收集极，设置在所述壳体上且至少部分位于所述电离空间内，与所述电极件配合以形成电场，用于与所述放大电路连接以输出所述探测物质的测量结果。

进一步地，所述壳体包括：

筒体，具有上下开口的所述电离空间；

座体，密封连接在所述筒体的下部开口，所述放大电路的第一端封装于所述座体内，所述收集极穿设于所述座体，所述出气口形成在所述座体或所述筒体上；

进气组件，密封连接在所述筒体的上部开口，所述进气口形成在所述进气组件上。

进一步地，所述进气组件包括：

进气板，形成有多个通孔，盖设于所述筒体的上部开口；

盖体，盖设于所述进气板上，所述进气口形成于所述盖体上；

垫件，设置于所述盖体和所述进气板之间以形成缓冲空间，用于所述气体缓冲。

进一步地，所述座体形成有上凸部，所述上凸部穿设于所述筒体的下部开口，所述收集极穿设于所述上凸部，所述电离室还包括第一密封件，设置于所述筒体与所述上凸部之间。

进一步地，所述座体背离所述筒体的一侧形成有多个凹槽，用于封装所述放大电路的第一端的电子元件。

进一步地，所述出气口有四个，环绕等距间隔设置于所述筒体的下部外周。

进一步地，所述电离空间的体积为180ml，所述电离空间的高度为100mm，所述收集极位于所述电离空间内的长度为90mm。

本申请的第三方面，提供了一种测量装置，包括：

上述电离室；

放大电路，与所述收集极电连接；

气路，与所述电离空间连通，用于通入含探测物质的气体；

控制系统，与所述放大电路电连接，用于显示测量结果。

进一步地，所述测量装置还包括屏蔽壳，罩设于所述电离室和所述放大电路外以屏蔽干扰。

本申请实施例提供的电离室的结构优化方法，构建电离室的有限元模型，基于有限元模型进行有限元多物理场分析，根据每个物理场分析调节电离室的结构参数，直至物理场的均匀性满足预设条件，根据调节后的参数确定电离室的结构。本申请通过有限元多物理场分析优化电离室的结构参数，提高了多个物理场均匀性，进而提高了电离室的探测效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种电离室的结构优化方法的流程示意图；

图2为筒体内尺寸为80mm的收集极的中间位置和距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图；

图3为筒体内尺寸为85mm的收集极的中间位置和距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图；

图4为筒体内尺寸为90mm的收集极的中间位置和距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图；

图5为筒体内尺寸为95mm的收集极的中间位置和距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图；

图6为筒体内尺寸为98mm的收集极的中间位置和距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图；

图7为距电离室顶部10mm处径向和尖端至电离室顶部位置电场强度分布图；

图8为电离室中间位置、距电离室顶部10mm处径向和半球尖端至电离室顶部位置电场强度分布图；

图9为相关技术中电离室气体流场云图；

图10为本申请实施例提供的第一种电离室气体流场云图；

图11为本申请实施例提供的不同出气口位置的电离室的气体流场云图的对比图；

图12为本申请实施例提供的第二种电离室气体流场云图；

图13为本申请实施例提供的第三种电离室气体流场云图；

图14为本申请实施例提供的一种电离室的结构示意图；

图15为图14在A-A方向的剖视图；

图16为本申请实施例提供的一种电离室测量电流数据图。

附图标记说明

壳体1；电离空间1a；出气口1b；筒体11；座体12；上凸部12a；进气组件13；缓冲空间13a；进气板131；盖体132；垫件133；电极件2；收集极3；底座31；阳极棒32；导线33；绝缘密封件34；第一密封件4。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

下面结合附图及具体实施例对本申请再做进一步详细的说明。本申请实施例中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含地包括至少一个特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，即包括两个以及两个以上，例如两个或三个等，除非另有明确具体的限定。

电离室工作原理是入射带电粒子与空气介质相互作用，空气分子被电离形成离子对，电离生成的电子和正离子在空气中物理运动过程为：扩散、吸附、复合、漂移。而电离室是利用其衰变在气体中产生的电离电荷来探测的，为了有效收集电荷，须在电离室电离空间加电场，即在电离室上设置两个电极，在电极上加电压形成电场，使电子、正离子沿电场方向向两极漂移。设H-3在有效空气气体空间中形成N₀个离子对(电子-正离子)(初级电离)，收集的离子对数N和外加电压的关系划分为4个工作区：复合区、饱和区、正比区、有限正比区和G-M区。电离室的工作于饱和区。在此区间，复合效应消失，初级总电离数N₀被电极全部收集并达到饱和。

电离室探测H-3干扰因素众多，如振动、工作气流紊乱和漏电流、高电阻及电容等电子元器件相互之间电场耦合影响、宇生射线及材料中天然放射性等。具体地，气流波动为重要影响因素，相关技术中，进气口采用扩散式分气口结构，该结构能降低振动、增大电离室内部气体均匀性，但是进气用气体泵气流不稳时同样会增大振动，在进气口部位造成气流紊乱。影响电离室性能的因素属于木桶效应，为了达到高稳定性高探测效率的电离室，每个因素都需要进行优化，以提高探测效率。

有鉴于此，请参照图1，本申请实施例的第一方面，提供了一种电离室的结构优化方法，包括：

S1、构建电离室的有限元模型；

S2、基于有限元模型进行有限元多物理场分析；

S3、根据每个物理场分析调节电离室的结构参数，直至物理场的均匀性满足预设条件；

S4、根据调节后的参数确定电离室的结构。

本申请实施例提供的电离室的结构优化方法，通过有限元多物理场分析优化电离室的结构参数，提高了多个物理场均匀性，进而提高了电离室的探测效率。

本申请实施例提供的电离室的结构优化方法制造的电离室可以用于H-3及性质接近的放射性核素的探测，即低能β放射性核素的探测。下面以探测物质为H-3为例，结合具体实施例对本申请实施例的处理方法进行详细说明。

S1、构建电离室的有限元模型。

在本步骤中，构建电离室的有限元模型是指根据电离室的探测物质的种类选取相关技术中电离室的结构，进而以相关技术中电离室的结构参数构建有限元模型。也就是说，根据国际先进水平H-3电离室获取活度浓度或微电流的探测下限等参数，再根据获取的参数构建有限元模型进行后续优化。

一实施例中，在构建电离室的有限元模型之前的步骤，具体包括：获取电离室的探测物质；根据探测物质获取电离室的体积。示例性地，探测物质为H-3，活度浓度探测下限C_L为4×10⁴Bq/m³，微电流探测下限I_L为0.1fA或1fA，设电离室有效工作体积V，平均衰变能E为5700eV，β射线在空气中的平均电离能ω为36±0.4eV。可以理解的是，探测下限指的是在相关技术中可以被探测到的最小值。在上述有效体积条件下，有效活度A为A＝V·C_L；初总电离数目N₀为：

收集电荷Q₀为：Q₀＝N₀·e，其中e为元电荷；平均电离电流I为：

联立各式可得电离室有效体积V：

这样，可以算出电离室的有效体积为98.7ml或987ml。进而根据有效体积构建有限元模型，提高了有限元模型的精度，进而提高了后续有限元分析的准确性。

一实施例中，探测物质为H-3，当探测物质的测量电流最小值为0.1fA时，电离室的体积为180ml，当探测物质的探测电流最小值为1fA时，电离室的体积为1600ml。也就是说，微电流探测下限I_L为0.1f A时电离室的体积为180ml，微电流探测下限I_L为1fA时电离室的体积为1600ml，相比于计算获得的98.7ml、987ml均有增大，这样，结构优化后对电离室的体积留有余量，减少余量不够导致探测失败无法验证后续有限元分析的情况，同时，在微电流探测下限为0.1fA时，留有余量81.3ml，在微电流探测下限为1fA时，留有余量为613ml，同等比例下微电流探测下限为0.1fA时余量设计得大，可以理解的是，微电流探测下限越小时，探测效率越低，余量设计得更大以减少余量不够导致探测失败无法验证后续有限元分析的情况。

S2、基于有限元模型进行有限元多物理场分析。

在本步骤中，基于有限元模型进行有限元多物理场分析是指对有限元模型分别进行多个物理场的分析，多物理场可以是气体流场或电场等，可以理解的是，进行多个物理场分析的顺序可以根据具体情况进行调整。

一实施例中，基于有限元模型进行有限元多物理场分析的步骤，具体包括：基于有限元模型进行有限元电场分析；基于有限元模型进行有限元气体流场分析。具体地，分析顺序不限，可以先进行电场分析再进行气体流场分析，也可以先进行气体流场分析再进行电场分析。可以理解的是，电场和气体流场的均匀性对H-3的探测效率影响较大，通过有限元电场分析和有限元气体流场分析以优化电离室的结构，能够有效提高H-3的探测效率。

一实施例中，先基于有限元模型进行有限元电场分析，然后基于有限元模型进行有限元气体流场分析。可以理解的是，根据电场分析调节电离室的结构参数后对气体流场的均匀性影响较大，先进行电场分析调节参数再进行气体流场分析调节参数，这样，在气体流场调节参数后不会对电场分析的结果产生较大影响，即不需要进行二次调节，进而完成有限元分析，减少了有限元模拟的时间，提高了电离室的结构优化的效率。

一实施例中，在根据调节后的参数确定电离室的结构的步骤之前，优化方法还包括：对有限元模型进行有限元电场分析。可以理解的是，在步骤S2、S3中基于有限元模型进行有限元多物理场分析并调节参数后，即先进行电场分析再进行气体流场分析并调节参数后，可能会对电场的均匀性再次产生影响，对有限元模型多物理场调节参数组合后进行检验，减少多物理场调节参数组合后电场不均匀的情况，提高了电离室的探测效率。

一实施例中，先基于有限元模型进行气体流场分析，然后基于有限元模型进行有限元电场分析。在根据调节后的参数确定电离室的结构的步骤之前，优化方法还包括：对有限元模型进行有限元气体流场分析。可以理解的是，在先进行气体流场分析再进行电场分析并调节参数后，可能会对气体流场的均匀性再次产生影响，对有限元模型多物理场调节参数组合后进行检验，减少多物理场调节参数组合后电场不均匀的情况，提高了电离室的探测效率。

S3、根据每个物理场分析调节电离室的结构参数，直至物理场的均匀性满足预设条件。

在本步骤中，根据物理场分析调节电离室的结构参数指的是基于物理场的本质获取对有限元分析产生影响的影响因素，对影响因素的结构参数进行调节。结构参数可以是具体结构或者尺寸等。例如，物理场为气体流场，根据流体力学确定通气口会对有限元分析产生影响，可以理解的是，通气口指的是进气口和出气口，因此对进气口和出气口的参数进行调节。物理场的均匀性满足预设条件指的是在调节参数的过程中对同一个物理场的多个分析结果进行比对后输出最均匀的结果对应的参数的过程。

一实施例中，根据每个物理场分析调节电离室的结构参数，直至物理场的均匀性满足预设条件的步骤，具体包括：根据电场分析调节电离室的收集极，直至电场均匀性满足第一预设条件；根据气体流场分析调节电离室的通气口，直至气体流场均匀性满足第二预设条件。电场均匀性满足第一预设条件指的是在调节电离室的收集极的过程中对多个分析结果进行比对后输出最均匀的结果对应的电离室的收集极的过程；气体流场均匀性满足第二预设条件指的是在调节电离室的通气口的过程中对多个分析结果进行比对后输出最均匀的结果对应的电离室的通气口的过程。也就是说，通过调节电离室的收集极来改变电场均匀性，通过调节通气口来改变气体流场均匀性，进而来输出电场最均匀时对应的收集极状态和气体流场最均匀时对应的通气口状态，进而优化电离室结构，高效便捷，有效提高了物理场的均匀性进而提高了电离室的探测效率。

一实施例中，根据电场分析调节电离室的收集极的步骤，具体包括：调节收集极在电离室内的长度；和/或，对收集极位于电离室内的尖端半球化处理。根据电离室的工作原理和电场性质可知，如果电离室加高压形成的电场不均匀，特别是电离室底部和顶部；收集极尺寸过短或者过长或者收集极上部形成尖端效应，都可能引起局部电场强度过高或者过低亦或矢量方向指向紊乱。如果电场强度局部过强，可能该区域已经过渡到正比区，造成收集的电流大于饱和电流，同时由于电压不稳，更会导致探测器性能不稳定。如果电场强度局部过低，可能造成有些区域处于电离复合区，造成收集电流小于饱和电流，电离室有效体积过小，满足不了设计要求。如果电场矢量方向紊乱不是指向收集极，也会造成离子复合，造成收集电流小于饱和电流，电离室有效体积过小，满足不了设计要求。因此，通过调节收集极尺寸确定均匀性最好的尺寸，对收集极的尖端进行半球化处理消除尖端效应的影响，进而提高电场的均匀性，简单有效，易于实现。

具体地，电离室外壳厚度为2mm，内直径48mm，内高100mm，收集极为可变参数，伸出外端为5mm，伸入电离室内长度通过有限元模拟确定，例如，先通过二分法确定长度为80～100mm之间，再对伸入筒体内长度为80mm、85mm、90mm、95mm和98mm分别进行有限元模拟，参照图2～图6，其中图2～图4、图6中浅色线指收集极中间位置径向电场强度分布，深色线指距电离室顶部10mm处径向电场强度；图5中浅色线指距电离室顶部10mm处径向电场强度，深色线指收集极中间位置径向电场强度分布。通过图2～图6电场分布图和场强数据分析可知，收集极长度为90mm为最优。

进一步地，对90mm收集极尖端进行半球化处理，参照图7～图8，其中，图7中深色线指距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图，浅色线指尖端至电离室顶部位置径向电场强度分布图；图8中最深色线指距电离室顶部10mm处径向电场强度分布图、次深色线指半球尖端至电离室顶部位置径向电场强度分布图，浅色线指电离室中间位置径向电场强度分布图。通过电场强度分析图可知，尖端电场强度由1.45×10⁵V/m降至1.40×10⁵V/m，更加接近电离室中部电场强度，可以理解的是，电离室中部电场更均匀，因此，尖端电场强度接近电离室中部电场强度，电场均匀性得到了进一步提高。

一实施例中，根据气体流场分析调节电离室的通气口的步骤，具体包括：调节通气口中进气口和/或通气口中出气口的总面积；和/或，调节通气口中出气口的位置。根据流体力学原理，流体流动分为稳定流动和非稳定流动。稳定流动随着管道孔径的变化可能诱发振动。流体诱发的振动的强度与机械干扰源所引起的振动强度相当，而机械振动引起的干扰信号电流往往可达pA级水平甚至更高。流体之所以引发振动，是用于流体与管道孔径相互作用参数发生了变化，即流动参数突变导致，流体的脉动是有涡流导致，也就是涡流肯定会导致振动。电离室出入口突变必将引起边界流体分离，进而产生涡流和振动。可以理解的是，通气口指的是进气口和出气口。因此，为了降低电离室气体流场不稳定性，即降低涡流和振动的影响，通过调节进气口和/或出气口的总面积；和/或，调节出气口的位置来提高均匀性。可以理解的是，调节进气口的面积可以是将进气口设置为多孔结构，调节出气口的总面积可以是增多出气口数量，调节出气口的位置可以是将出气口上下移动预设尺寸。

具体地，在法国PA电离室的基础上进行改进，先对法国PA电离室进行气体流场分析，气体流场云图如图9所示，然后将进气板设置为多孔金属板，降低进气速度，最大限度增大进气口面积，改进后气体流场云图如图10所示，可以理解的是，对比图9和图10气体流场云图可知，将进气板设置为多孔金属板提高了气体流场的均匀性。

具体地，调节出气口的位置指的是上下移动出气口位置，例如，先对法国PA电离室进行气体流场分析，再将出气口下移5mm或上移10mm后进行气体流场分析，得到的气体流场云图如图11所示，其中，左图为出气口下移5mm，中间为出气口未发生变动，右图为出气口上移10mm。可以理解的是，对比气体流场云图可知，出气口的位置未发生变动时气体流场均匀性最佳，法国PA电离室的出气口位于距电离室下端面10mm处，因此出气口的位置设置于距电离室下端面10mm处。

具体地，调节出气口的总面积指的是增多出气口，例如环绕等距间隔设置多个出气口于电离室的外周。先对法国PA电离室进行气体流场分析如图9所示，再对增多出气口后的电离室进行气体流场分析，请参照图12，得到气体流场云图。可以理解的是，对比图9和图12，增多出气口提高了气体流场的均匀性。

具体地，调节出气口的位置指的是将出气口设置于电离室的侧面或底部。例如，先对法国PA电离室增多出气口进行气体流场分析如图12，再将出气口相对间隔设置于电离室底部，与进气口形成对流，并进行气体流场分析，请参照图13，得到气体流场云图。可以理解的是，出气口设置于电离室的侧面时气体流场更均匀。

根据上述分析，优化后的出气口可以是距离电离室下端面10mm，四个出气口环绕等距间隔设置于电离室的外周。

S4、根据调节后的参数确定电离室的结构。

在本步骤中，通过调节后的参数确定电离室的结构，进而提高了电离室探测效率。

本申请实施例的第二方面，请参照图14～图15，提供了一种根据上述优化方法制造的电离室，电离室包括壳体1、电极件2和收集极3。

壳体1具有电离空间1a和与电离空间1a分布连通的进气口和出气口1b，进气口用于含探测物质的气体流入。壳体1用于隔离放大电路与电离空间1a，减少放大电路对电离室的干扰。可以理解的是，放大电路可以设置在壳体1上，也可以设置在壳体1外。

电极件2设置在壳体1上以加载负高压，收集极3设置在壳体1上且至少部分位于电离空间1a内，与电极件2配合以形成电场，用于与放大电路连接以输出探测物质的测量结果。具体地，电极件2可以是电极片。

一实施例中，壳体1包括筒体11、座体12和进气组件13。筒体11具有上下开口的电离空间1a，筒体11可以是不锈钢，示例性地，筒体11为316l不锈钢，磁性较低。座体12密封连接在筒体11的下部开口，放大电路的第一端封装于座体12内，收集极3穿设于座体12，出气口1b形成在座体12或筒体11上。也就是说，座体12用于隔离放大电路，减少放大电路与电离室的相互干扰。座体12的材质可以是铝或铝合金，相较于铁有磁性会在高电压状态下形成明显的干扰信号，铝或铝合金座体12没有磁性，屏蔽效果好，强度满足需求且造价便宜，降低了生产成本。进气组件13密封连接在筒体11的上部开口，进气口形成在进气组件13上。这样，壳体1形成的电离空间1a密封紧凑，提高了电离室的探测效率。

一实施例中，进气组件13包括进气板131、盖体132和垫件133。进气板131形成有多个通孔，盖设于筒体11的上部开口。进气板131可以是多孔金属板，尺寸与筒体11顶部尺寸相等以增加进气口面积，保证流气稳定性和均匀性，减少振动干扰和增加灵敏体积与电离效率。盖体132盖设在进气板131上，进气口形成于盖体132上。示例性地，盖体132可以是塑料件，绝缘性好，不会影响电场的均匀性。垫件133设置于盖体132和进气板131之间以形成缓冲空间13a，用于气体缓冲。可以理解的是，缓冲空间13a指的是垫件133围设成的空间。示例性地，垫件133可以是橡胶垫，与盖体132形成一个2mm缓冲区。这样，通过进气板131形成有多个通孔，降低进气速度，最大限度增大进气口面积，提高了探测效率，缓冲输入的不稳定气流，减少气流振动。

一实施例中，座体12形成有上凸部12a，上凸部12a穿设于筒体11的下部开口，收集极3穿设于上凸部12a，电离室还包括第一密封件4，设置于筒体11与上凸部12a之间。也就是说，通过在筒体11与上凸部12a之间设置第一密封件4实现了对收集极3的密封，保障了气密性且降低了漏电流的影响，提高了探测效率。

一实施例中，座体12背离筒体11的一侧形成有多个凹槽，用于封装放大电路的第一端的电子元件。这样，将各电子元件布置于同一空间，减少空间距离带来的干扰，同时防止各元件的耦合干扰。例如，座体12形成的凹槽包括高电阻凹槽、电容凹槽、接线端子凹槽和延迟器凹槽等，用于封装放大电路的高电阻、电容、接线端子和延迟器等元件来隔离放大电路，同时减少高电阻、电容、接线端子和延迟器等元件相互耦合对电离室的磁场和电场的干扰。

一实施例中，出气口1b有四个，环绕等距间隔设置于筒体11的下部外周。根据气体流场有限元分析可知，通过增大出气口1b面积和多个出气口1b形成稳定气流来增大气体流场的均匀性，提高了探测效率。

一实施例中，电离空间1a的体积为180ml，电离空间1a的高度为100mm，收集极3位于电离空间1a内的长度为90mm。可以理解的是，通过电场有限元模拟确定收集极3位于电离空间1a内长度为90mm时电场均匀性最好，提高了探测效率。

一实施例中，收集极3包括底座31、阳极棒32和导线33。底座31与座体12密封连接，阳极棒32一端与底座31密封连接，另一端至少部分位于筒体11内，导线33一端与阳极棒3242靠近底座31的一端连接，另一端连接放大电路。密封连接可以是熔封，减少漏电流以及电场干扰。示例性地，阳极棒32采用导电性导热性更好的单结晶无氧铜，导线33材质可以为单晶无氧铜，与放大电路相连采用焊接，焊接工艺为翻转凌空焊接，焊接材料使用导热导电性能好抗磁性好的钨铜，焊接完成采用绝缘喷涂，这样，减少对探测结果的干扰，提高了探测效率。

一实施例中，收集极3还包括绝缘密封件34，设置于底座31与阳极棒32和/或底座31与座体12之间。绝缘密封件34的材质不限，示例性地，可以是聚四氟乙烯。绝缘密封件34用于阻挡漏电流、减少电场干扰和固定底座31与阳极棒32和/或底座31与座体12。这样，通过绝缘密封件34完成漏电流的阻挡，相比于相关技术中采用高温陶瓷密封需要高温且工艺复杂，容易造成密封不足反而达不到其材质高阻的优势，且收集极3导线33极细陶瓷密封时极易熔断的缺陷，绝缘密封件34使底座31与阳极棒32和/或底座31与座体12结合度高，有效避免陶瓷密封带来的不利影响。

本申请实施例的第三方面，提供了一种测量装置，包括上述电离室、放大电路、气路和控制系统。放大电路与收集极3电连接，气路与电离空间1a连通，用于通入含探测物质的气体，控制系统与放大电路电连接，用于显示测量结果。控制系统可以为计算机，通过接收放大电路电信号来获取测量结果。可以理解的是，放大电路和气路可以位于电离室的同侧或不同侧，放大电路能够进一步提高电离室的探测效率。

一实施例中，测量装置还包括屏蔽壳，罩设于电离室和放大电路外以屏蔽干扰。可以理解的是，屏蔽壳防止静电干扰和电磁干扰电离室和放大电路，屏蔽壳内可以充装惰性气体，屏蔽壳接地，同时屏蔽壳为稳定均匀性电场提供了必要条件。

本申请实施例的第四方面，提供了一种测量方法，包括：双电离室差减扣除；确定探测效率和灵敏度。

具体地，双电离室通过上述制造方法制造而成，包括测量电离室和补偿电离室，测量电离室测量H-3和γ射线等的电流，补偿电离室测量γ射线等的电流，通过测量电离室减去补偿电离室获得待测量H-3的电流。

相关技术中，放射性干扰一般通过MCNP(Monte Carlo N Particle TransportCode)模拟计算进行金属屏蔽及本底扣除，材料中为了减少放射性核素射线干扰一般通过剂量材料计算其最小厚度降低其干扰，由于天然放射性核素伽马射线干扰屏蔽厚度较厚，使用屏蔽层的设计理念并不适用于此类电离室，但是要采用同一批材料，使用前使用高纯锗伽马能谱仪确定材料放射性均匀性且本地水平低，加工时采用同一批验证过的材料。使用双电离室测量，采用本底扣除技术。本申请放射性γ射线干扰消除采用同一批材料，使用前使用高纯锗伽马能谱仪确定材料放射性均匀性且本底水平低，加工时采用同一批验证过的材料，使用双电离室测量，同样采用反符合测量技术和本底扣除技术。在工作场所中进行本底电流测试，测量电离室、补偿电离室每5min取值一次，实验9h，实验数据如下表所示：

根据实验数据可得电流测量图如图16所示，测量电离室和补偿电离室的fA级微电流测量平均值分别为0.765fA、0.930fA，标准偏差分别为0.0829fA、0.0674fA，由此可得电离室测量H-3的电流平均值为0.166fA，标注偏差为0.1038fA，同时，通过H-3进行刻度实验，确定电离室收集效率达到93.9％。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种电离室的结构优化方法，其特征在于，包括：

构建电离室的有限元模型；

基于所述有限元模型进行有限元多物理场分析；

根据每个所述物理场分析调节所述电离室的结构参数，直至所述物理场的均匀性满足预设条件；

根据调节后的所述参数确定所述电离室的结构。

2.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，基于所述有限元模型进行有限元多物理场分析的步骤，具体包括：

基于所述有限元模型进行有限元电场分析；

基于所述有限元模型进行有限元气体流场分析。

3.根据权利要求2所述的结构优化方法，其特征在于，先基于所述有限元模型进行有限元电场分析，然后基于所述有限元模型进行有限元气体流场分析。

4.根据权利要求3所述的结构优化方法，其特征在于，在根据调节后的所述参数确定所述电离室的结构的步骤之前，所述优化方法还包括：

对所述有限元模型进行有限元电场分析。

5.根据权利要求2所述的结构优化方法，其特征在于，根据每个所述物理场分析调节所述电离室的结构参数，直至所述物理场的均匀性满足预设条件的步骤，具体包括：

根据所述电场分析调节所述电离室的收集极，直至所述电场均匀性满足第一预设条件；

根据所述气体流场分析调节所述电离室的通气口，直至所述气体流场均匀性满足第二预设条件。

6.根据权利要求5所述的结构优化方法，其特征在于，根据所述电场分析调节所述电离室的收集极的步骤，具体包括：

调节所述收集极在所述电离室内的长度；和/或，

对所述收集极位于所述电离室内的尖端半球化处理。

7.根据权利要求5所述的结构优化方法，其特征在于，根据所述气体流场分析调节所述电离室的通气口的步骤，具体包括：

调节所述通气口中进气口和/或所述通气口中出气口的总面积；和/或，

调节所述通气口中出气口的位置。

8.一种根据权利要求1～7任意一项所述结构优化方法制造的电离室，其特征在于，所述电离室包括：

壳体，具有电离空间和与所述电离空间分别连通的进气口和出气口，所述进气口用于含探测物质的气体流入，所述壳体用于隔离放大电路与所述电离空间；

电极件，设置在所述壳体上以加载负高压；

收集极，设置在所述壳体上且至少部分位于所述电离空间内，与所述电极件配合以形成电场，用于与所述放大电路连接以输出所述探测物质的测量结果。

9.根据权利要求8所述的电离室，其特征在于，所述壳体包括：

筒体，具有上下开口的所述电离空间；

座体，密封连接在所述筒体的下部开口，所述放大电路的第一端封装于所述座体内，所述收集极穿设于所述座体，所述出气口形成在所述座体或所述筒体上；

进气组件，密封连接在所述筒体的上部开口，所述进气口形成在所述进气组件上。

10.根据权利要求9所述的电离室，其特征在于，所述进气组件包括：

进气板，形成多孔介质金属板，盖设于所述筒体的上部开口；

盖体，盖设于所述进气板上，所述进气口形成于所述盖体上；

垫件，设置于所述盖体和所述进气板之间以形成缓冲空间，用于所述气体缓冲。

11.根据权利要求9所述的电离室，其特征在于，所述座体形成有上凸部，所述上凸部穿设于所述筒体的下部开口，所述收集极穿设于所述上凸部，所述电离室还包括第一密封件，设置于所述筒体与所述上凸部之间。

12.根据权利要求9所述的电离室，其特征在于，所述座体背离所述筒体的一侧形成有多个凹槽，用于封装所述放大电路的第一端的电子元件。

13.根据权利要求9所述的电离室，其特征在于，所述出气口有四个，环绕等距间隔设置于所述筒体的下部外周。

14.根据权利要求8所述的电离室，其特征在于，所述电离空间的体积为180ml，所述电离空间的高度为100mm，所述收集极位于所述电离空间内的长度为90mm。

15.一种测量装置，其特征在于，包括：

权利要求8～14任意一项所述的电离室；

放大电路，与所述收集极电连接；

气路，与所述电离空间连通，用于通入含探测物质的气体；

控制系统，与所述放大电路电连接，用于显示测量结果。

16.根据权利要求15所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括屏蔽壳，罩设于所述电离室和所述放大电路外以屏蔽干扰。

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