CN115793014A

CN115793014A - 一种带内标定功能的叠层电离室设备

Info

Publication number: CN115793014A
Application number: CN202211539051.2A
Authority: CN
Inventors: 岑韬; 马兵围; 张洪岩; 陈龙; 王灿
Original assignee: Beijing Ccic Weikang Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Ccic Weikang Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明属于伽马射线辐射探测技术领域，具体涉及一种带内标定功能的叠层电离室设备。包括腔体，电极板，绝缘保护极，支撑螺柱和密封法兰，腔体内设置有多层电极板，第二电极板与第二支撑螺柱连接，第一电极板与第一支撑螺柱连接，腔体内部的腔室两头设有绝缘保护极，腔体的端部连接密封法兰，密封法兰上设有密封电极，腔体的侧壁上设有内标定装置。本发明的有益效果在于：采用一体化铝合金外壳结构，探测能量下限更低；内标定装置固定在叠层电离室顶端两个电极板之间，根据两个电极板的间隔距离，确定内标定装置开口宽度和位置，确保装置内的放射源射线能入射到极板正中间，与工作气体作用并输出有效信号。

Description

一种带内标定功能的叠层电离室设备

技术领域

本发明属于核技术应用研究领域内，实现不同能量伽马射线辐射探测技术，具体涉及一种带内标定功能的叠层电离室设备。

背景技术

在核技术应用研究领域内，电离室是一种实现不同能量伽马射线辐射测量重要探测工具。电离室一般由高压极、收集极、绝缘保护极和外壳接地构成，结构通常为平面形、球形、圆柱形等。工作原理是在腔室内部充入一定量的工作气体，在电离室高压极间接入工作电压，使极间形成均匀的电场。外部伽马射线与工作气体作用，电离或激发气体核外电子，在电场力作用下电子和离子向极间移动并最终实现电荷收集，从而达到辐射测量的目的。

实际应用中由于电离室技术探测结构的限制，特别对于能量低的伽马射线，无法实现高的探测效率，一般采用多个电离室实现。但是由于电离室金属外壳的影响，更会显著降低探测效率。另外在实际辐射探测监测应用中，需要布局多个探测点，对于电离室本身性能和工作高压监测无法实时反馈。

比如：电离室常用于监测加速器束流及环境本底。其通常安装于管道外壁，如果管道内的电子或质子发生偏转，与电离室作用就会有信号输出，工作人员可以提前预知并作出整改，避免束流长时间与管壁碰撞而击穿加速管道。加速管道有的长达几千米，被测面积大，监测探测器尽可能做成长条形。应用中如果电离室体积太大，极间电场很难控制均匀，不利于准确快速的测量。而且辐射探测及监测，通常位于地下或狭长范围内，自身具有一定量的电磁辐射，不利于日常检修。同时辐射监测环境不是每时每刻都会产生具体辐射数据，急需找到一种装置或方法，能够实时判断电离室是否正常运行，反馈给应用人员

发明内容

本发明的目的就是解决辐射探测和监测中，电离室结构限制和实时反馈问题。提供一种带内标定功能的叠层电离室设备，用于监测周边伽马射线剂量变化，如不同能量加速器管道内束流方向变化监测和剂量变化，特别采用圆柱形铝壳体实现低能量伽马射线的探测；通过级联电极结构设计，实现工作气体区域内接近于100％的探测灵敏区，解决了传统电离室结构限制问题；通过将内标定源置入设备内部，采集标定源输出的信号幅值，为设备工作期内的基准刻度，以此判断仪器的运行状态。

本发明的技术方案如下：一种带内标定功能的叠层电离室设备，包括腔体，电极板，绝缘保护极，支撑螺柱和密封法兰，腔体内设置有多层电极板，第二电极板与第二支撑螺柱连接，第一电极板与第一支撑螺柱连接，腔体内部的腔室两头设有绝缘保护极，腔体的端部连接密封法兰，密封法兰上设有密封电极，腔体的侧壁上设有内标定装置。

所述的内标定装置包括圆筒外壳，圆筒外壳与腔体端部的侧壁面连接，圆筒外壳底部连接有底盖，底盖和圆筒外壳之间固定连接，底盖上固定有放射源。

所述的腔体为圆柱形长条型薄壁电离室。

所述的绝缘保护极包括第一绝缘保护极和第二绝缘保护极，第二支撑螺柱和第一支撑螺柱的头部连接第二绝缘保护极，第二支撑螺柱和第一支撑螺柱的端部插入到第一绝缘保护极。

所述的第二电极板在第二支撑螺柱上等间距的连接，第一电极板与第一支撑螺柱上等间距的连接。

所述的第一电极板与第二电极板交错布置。

所述的第一电极板和第二电极板均由毫米级的金属材料制成。

所述的密封电极包括信号电极和高压电极，信号电极通过导线连接第二支撑螺柱，高压电极通过导线连接第一支撑螺柱。

所述的信号电极和高压电极两端包裹有陶瓷绝缘材料。

本发明的有益效果在于：内标定装置固定在叠层电离室顶端两个电极板之间。根据两个电极板的间隔距离，确定内标定装置开口宽度和位置，确保装置内的放射源射线能入射到极板正中间，与工作气体作用并输出有效信号。采用铝合金作为外壳材料，同时使用整体浇铸的工艺，保证整个腔体耐压性的同时壁厚又尽量薄。该仪器的探测器下限可以达到50keV，优于传统不锈钢的100keV。本发明严格使用螺纹作定位，在电极板定位孔上加工内螺纹，在支撑螺柱上加工间距相等的外螺纹，只要将电极板拧到此位置几乎不产生误差。

附图说明

图1为本发明所提供的一种带内标定功能的叠层电离室设备结构示意图；

图2为电极板结构示意图；

图3为内标定装置安装位置及，构示意图；

图4为铝合金和不锈钢材质对不同能量伽马射线的阻挡效果测试；

图5为不锈钢电离室本底测试的输出信号；

图6为铝合金电离室本底测试的输出信号；

图7为采用支撑定位柱的电离室测试输出，波动范围0.32～0.36nA；

图8为采用螺纹定位的电离室测试输出，波动范围0.67～0.69nA；

图9为不同位置监测的实际输出。

图中：1腔体，2第一支撑螺柱，3第一电极板，4第二电极板，5第一绝缘保护极，6信号电极，7高压电极，8第二支撑螺柱，9密封法兰，10第二绝缘保护极，11内标定装置，13放射源，14底盖，15O型密封圈，16螺钉孔，17螺钉。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种带内标定功能的叠层电离室设备，其中的叠层电离室整体是一个圆柱形长条型薄壁电离室，包括一体化铝合金结构的腔体1，其中对于腔体的材料选型和具体尺寸上，要求密度越小越好，厚度越薄越好，可以减少对被测射线的阻挡，但前提必须保证整个仪器的坚固性。经过蒙卡计算和多次实验，本实施中选择小于1mm壁厚铝合金材料作为外壳腔体1。腔体1的内腔光滑，表面平整度小于0.1mm。

腔体1内设置有间距为毫米级的多层电极板，每个极板通过定位螺孔分别与支撑螺柱接触定位，第二电极板4与第二支撑螺柱2连接并接低电位，第一电极板3与第一支撑螺柱8连接并接高电压。其中，第二电极板4在第二支撑螺柱2上等间距的连接，第一电极板3与第一支撑螺柱8上等间距的连接，第一电极板3与第二电极板4交错布置；使第一电极板3和第二电极板4之间产生压差而形成电场，电荷信号从第二电极板4中引出并收集。如图2所示，第一电极板3和第二电极板4均由毫米级的金属材料做成，每个极板设有多个定位螺孔，定位螺孔内具有内螺纹，本实施例中选择4个定位螺孔，定位螺孔部分及边缘均进行倒角处理，表面平整处理光滑度小于0.1mm，防止表面的毛刺引起放电打火。

支撑螺柱包括第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8，每个极板，即第一电极板3和第二电极板4分别通过其上设置的定位螺孔分别与支撑螺柱进行连接并定位，其中，第二支撑螺柱2与第二电极板4连接，第一支撑螺柱8与第一电极板3连接，为了使所有极板严格满足这个间距，在第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8设置定位螺纹，第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8上每隔固定间距加工有限位螺纹(与电极板定位孔的内螺纹一致)，确保电极板间距一致，减小安装时的公差。每个电极板之间的间距为毫米级。与第二支撑螺柱2接触的第二电极板4引出信号，与第一支撑螺柱8接触的第一电极板施加高电压。

第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8由纯铜材料制作，满足特高压应用，并能承受300℃的烘烤。

腔体1内部的腔室两头为绝缘保护极，采用耐热绝缘、尺寸定制陶瓷片制成，起到绝缘、固定第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8，支撑整个腔体1的作用。所述的绝缘保护极包括第一绝缘保护极5和第二绝缘保护极10，第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8的头部连接第二绝缘保护极10，第二支撑螺柱2和第一支撑螺柱8的端部插入到第一绝缘保护极6。

腔体1的端部连接密封法兰9，腔体1内部的电离室腔室内充一个大气压的工作气体，密封法兰9与腔体1的端部之间通过金属O形密封圈密封，保证不漏气。

密封法兰9上有密封电极，所述的密封电极玻璃烧结制成包括信号电极6和高压电极7，信号电极6通过导线连接第二支撑螺柱2，高压电极7通过导线连接第一支撑螺柱8。信号电极6和高压电极7两端包裹有陶瓷绝缘材料，避免放电。

由于本发明需要安装在加速器管道外壁，平时很难人工检修。为了实时获取仪器工作状态，如图1所示，本发明增设了可用于日常标定的内标定装置11，内标定装置11设置在位于腔室1的内壁，采用豁免级别的放射源作为日常校准用。常规的电离室工作时，如果没有外部射线入射，输出信号幅度很小，几乎看不到输出，与故障仪器的状态无异。本发明在腔室1的内壁设置固定的内标定放射源，相当于实时有射线入射，可以判断仪器是否正常工作。

如图3所示，本发明对叠层电离室内标定装置的位置做了特别设计，其位置固定在叠层电离室顶端两个电极板之间。根据两个电极板的间隔距离，确定内标定装置开口宽度和位置，确保装置内的放射源射线能入射到极板正中间，与工作气体作用并输出有效信号。

内标定装置11需要满足以下条件：1)不影响叠层电离室内部的电场平衡；2)表面光洁且能耐高温；3)稳固，电离室内部抽真空时装置内的放射源不会移位。

如图3所示，在腔体1的外侧位于端部(如图所示的最右端)与两个电极板相对的中间处的腔体1侧壁处焊接一个ф10mm*3mm*3mm的圆筒外壳，其中外径10mm，内壁厚度3mm，整体高度3mm，中间开口4mm。圆筒外壳与腔体1采用惰性气体保护焊接，确保坚固且不漏气。圆筒外壳底部连接有底盖14，底盖14和圆筒外壳之间通过O型密封圈15及四个内六角螺钉17进行固定密封确保真空，底盖14内部有4个螺钉孔16，通过螺钉穿过螺钉孔16固定放射源13。整个电离室可以进行抽真空并加热烘烤排气，整体气密性安全可靠。

本发明实施例中的内标定放射源13的选择要满足以下条件：

1)放射源自身的能量射线小于实际被测射线；

2)放射源的半衰期大于仪器使用寿命；

3)放射源的使用满足国家辐射防护相关政策法规的要求；

4)放射源的强度要小于实际被测射线的强度，否则实测信号将被覆盖。

根据以上要求，选择国家政策法规允许的，已经在民用领域广泛使用的(常用于火灾报警器)镅源(²⁴¹Am)作为内部内标定校准源，无论是种类和强度都符合实际测试要求。

采用本发明的设备进行标定，电离室按输出信号可以分为脉冲电离室和电流累计电离室。本发明的电离室为电流累计式，因为在大量入射粒子的情况下，脉冲电离室输出脉冲容易重叠而无法分辨。而电流电离室能通过平均电离电流或累计的总电荷来测定射线的强度或剂量。本发明的内标定方法也基于此原理。采用的²⁴¹Am放射源具有α粒子能量5.486MeV及γ射线59keV两种能量，均可同时被收集，增加了信号的输出强度。

计算电离室产生的平均电离电流

I_c＝e∫ndτ＝eN

式中，e是电子的电荷量，n是dτ内单位体积中离子对的产生率，N是空腔中离子对的总产生率，如果在收集极上收集到的电荷不会泄漏，那么经过一定时间后累计的电荷量为:

Q＝eNt

高压极板和收集极之间存在寄生电容C₀，则有收集电极上的电位的变化为：

ΔV_c＝eNt/C₀

此结果是基于忽略电子和离子复合损失的基础上计算的。考虑实际过程中的复合损失，电离电流将低于此值。而式中N离子对的总产生率与入射粒子能量E₀及工作气体的电离能ω决定：

N＝E₀/ω

常见气体的电离能(eV)和最低电离电位(eV)如表1所示：

表1常见气体的电离能(eV)和最低电离电位(eV)

气体	ω(α)	ω(X，γ)	ω(β)	I<sub>0</sub>
					He	46.0±0.5	41.5±0.4	29.9+0.5	24.5
Ne	35.7±2.6	36.2±0.4	28.6±8	21.6
					Ar	26.3±0.1	26.2±0.2	26.4±0.8	15.8
Kr	24.0±2.5	24.3±0.4	/	14.0
					Xe	22.8±0.9	21.9±0.3	/	12.1
N2	36.39±0.04	34.6±0.3	36.6±0.5	15.5
					空气	34.98±0.05	33.73±0.15	36.0±0.4	/

本发明选择性价比高，且工作性能优良的惰性气体作为工作气体。

本发明的有益效果及实测数据：采用铝合金作为外壳材料，同时使用整体浇铸的工艺，保证整个腔体耐压性的同时壁厚又尽量薄。该仪器的探测器下限可以达到50keV，优于传统不锈钢的100keV。图4是铝合金和不锈钢材质对不同能量伽马射线的阻挡效果测试。从图中明显看到铝合金的能量探测下限更好。图5和图6分别是铝合金结构和传统不锈钢结构的样机示意图及其测试数据。

表2铝合金结构和传统不锈钢结构的测试数据对比

从图5和图6中的测试数据可以看出：1)不加高压时，两种类型的仪器本底差不多，本发明由于自带内标定放射源，输出电流值稍高于不锈钢仪器。2)加电压工作对比，铝合金结构电离室的输出比不锈钢的输出大一个量级，显示其能量下限更好，探测到的射线更多，信号幅值更大。

本发明严格使用机器加工螺纹作定位，在电极板定位孔上加工内螺纹，在支撑螺柱上加工间距相等的外螺纹，只要将电极板拧到此位置几乎不产生误差。下图是两种定位结构的信号输出效果。

从图7和图8看出本发明的电极板螺纹定位更精确，电场更稳定。

绝缘保护极采用定制陶瓷片制成。电离室输出电荷信号受到腔体内的陶瓷绝缘体的漏电流限制，绝缘性能越好，漏电流越小，探测限越低。此类型陶瓷片在北京正负电子对撞机中使用过，具有很好的聚缘性能。本发明的陶瓷绝缘材料及真空电极引出的绝缘性可保证在2500V的工作电压下，漏电流小于0.01(nA)。本发明实物可承受90度的烘烤，真空密封法兰可保持在10^-4帕的真空度。

本发明采用内标定源的结构，解决了日常质量控制的难题。因为整个腔体制成后需要加热抽真空，确保内部没有杂质。所以内部设置内标定源需要解决定位及固定问题。采用整体浇铸的腔体，直接预留出标定装置的空间，整体设计使电离室腔体内壁依然保持平整，放射源位置又能确保测试正常。如表2所示，添加内标定源，输出电流达到0.1(nA)，远高于不锈钢的0.03(nA)。

叠层电离室设备实测现场及实际输出如图9所示，图9中电离室放置于放射源不同位置进行测试，检测设备对不同辐射强度的响应灵敏度。综合测试结果表明，该产品稳定性和灵敏度均达到要求，可以进行加速器现场实测。

Claims

1.一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：包括腔体，电极板，绝缘保护极，支撑螺柱和密封法兰，腔体内设置有多层电极板，第二电极板与第二支撑螺柱连接，第一电极板与第一支撑螺柱连接，腔体内部的腔室两头设有绝缘保护极，腔体的端部连接密封法兰，密封法兰上设有密封电极，腔体的侧壁上设有内标定装置。

2.如权利要求1所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的内标定装置包括圆筒外壳，圆筒外壳与腔体端部的侧壁面连接，圆筒外壳底部连接有底盖，底盖和圆筒外壳之间可固定密封连接，底盖上固定有放射源。

3.如权利要求1所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的腔体为圆柱形长条型薄壁电离室。

4.如权利要求1所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的绝缘保护极包括第一绝缘保护极和第二绝缘保护极，第二支撑螺柱和第一支撑螺柱的头部连接第二绝缘保护极，第二支撑螺柱和第一支撑螺柱的端部插入到第一绝缘保护极。

5.如权利要求1所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的第二电极板在第二支撑螺柱上等间距的连接，第一电极板与第一支撑螺柱上等间距的连接。

6.如权利要求5所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的第一电极板与第二电极板级联布置。

7.如权利要求1所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的第一电极板和第二电极板均由毫米级的金属材料制成。

8.如权利要求1所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的密封电极包括信号电极和高压电极，信号电极通过导线连接第二支撑螺柱，高压电极通过导线连接第一支撑螺柱。

9.如权利要求8所述的一种带内标定功能的叠层电离室设备，其特征在于：所述的信号电极和高压电极两端包裹有陶瓷绝缘材料。