CN117130033A - 一种用于防护水平的空腔电离室 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于防护水平的空腔电离室，该空腔电离室包括：电离室灵敏体积，其由电离室高压极和伸入其内的收集极构成，所述电离室高压极的室壁为高压极；TNC连接器，包含高压、信号及接地保护外接口；电离室杆，其作为介质连接于电离室灵敏体积及TNC连接器之间。该电离室高压极高压极外壁采用POM材料，内部均匀喷涂胶体石墨，利用接触面的石墨层实现两半球的导通；电离室收集极采用PMMA表面喷涂胶体石墨导电层，高原子序数的铝材料和石墨层按照一定比例配合平衡了电离室室壁材料的不完全空气等效性，改善了电离室低能段的能量响应该电离室适用于测量宽能量(48keV～1.25MeV)X/γ射线，主要性能指标达到或接近PTW同类型电离室的水平，实现了电离室的国产化。
Description
技术领域
本申请涉及用于电离辐射探测的电离室技术领域，尤其涉及一种用于防护水平的空腔电离室。
背景技术
电离室是电离辐射探测的重要设备，常作为电离辐射剂量探测的标准计量器具。防护水平电离室广泛应用于核设施、医疗安全和环境监测等剂量率的测量。市面上常采用PTW生产的32005型(30cc)的电离室进行防护水平剂量率测量。国内关于测量宽能量的防护级剂量率的空腔电离室研发的内容甚少，大都仅限于研究所研发的部分石墨空腔电离室做为标准或基准自用，而石墨电离室在宽能量范围内测量存在能响问题，即不同能量测量结果同标准值存在一定的偏差。
根据调研，目前国内中国原子能科学研究院设计了系列空腔电离室，作为次级标准用于测量Cs-137和Co-60的γ射线，参考辐射场的空气比释动能率；上海市计量技术研究所于1985年研制了用于测量防护级Co-60γ射线照射量标准装置-球形石墨空腔电离室；中国计量科学研究院设计了圆柱形石墨空腔电离室作为Cs-137空气比释动能基准；中国测试技术研究院设计了Co-60γ射线空气比释动能绝对测量的圆柱形结构的空腔电离室，这些电离室设计仅针对Cs-137和Co-60两个能量点，均未考虑在较宽能量范围内的能量响应。
现有技术都是基于石墨空腔电离室研制，石墨作为制备电离室的一种空气等效材料，其有效原子序数接近但并不完全等效，不能平衡高能低能的等效性以改善其能响，因而通常不考虑宽的能量响应，不同能量测量结果同标准值存在一定的偏差，且石墨材料属于无机非金属材料，脆性较大，特征指标为断裂韧性，使得其本身强度难以支撑大体积的重量并且其抗冲击的性能很差。
30cc以上体积较大传递标准电离室一般采用空气等效材料聚甲醛(POM)材料制成。由于POM材料本身不导电，对电离室两半球的导通性和连接方式带来极大困难。同时，由于需要满足测量宽能量(48keV～1.25MeV)X/γ射线的要求，需要对室壁和收集电极进行特殊设计，如包括内壁的导通、内壁同外部的连接、收集极的配合等，目前对于该设计仍存在较大难度。
发明内容
针对上述存在的问题，本申请旨在提供一种用于防护水平的空腔电离室，该电离室适用于测量宽能量(48keV～1.25MeV)X/γ射线，主要性能指标达到或接近PTW同类型电离室的水平，实现了该型电离室的国产化。
为了实现上述目的，本申请所采用的技术方案如下：一种用于防护水平的空腔电离室，其特征在于，该空腔电离室具有电离室灵敏体积，其由电离室高压极和伸入其内的收集极构成，所述电离室高压极的室壁为高压极；
TNC连接器，包含高压、信号及接地保护外接口；
电离室杆，其作为介质连接于电离室灵敏体积及TNC连接器之间。
作为优选，所述电离室高压极采用上下半球连接成型，并实现连接的电性导通。所述电离室高压极外壁采用POM材料，内壁喷涂胶体石墨并形成石墨导电层。
优选的，所述电离室杆包括作为高压极的外杆体，外杆体为硬铝材质，该外杆体内部穿设单屏蔽电缆，所述单屏蔽电缆外层作为保护极，内层做收集极。
具体的，所述外杆体一端与TNC连接器外层相连，另一端与所述电离室高压极内壁底部的所述石墨导电层接触导通；所述保护极一端与TNC连接器的接地保护外接口相连，另一端深入至电离室高压极内；所述收集极一端与TNC连接器连接导通，另一端伸入至所述电离室高压极内。
优选的，所述电离室高压极室壁底端与所述电离室杆的外杆体之间设置有高压极接插件，材料优选为硬铝。
优选的，所述收集极采用PMMA材料。
优选的，所述收集极外壁均匀喷涂胶体石墨形成导电层，优选采用较高原子序数的铝与石墨按照2:1组合而成，收集极两端粘贴铝箔导通。
本申请的有益效果是：电离室高压极高压极外壁采用POM材料，内部均匀喷涂胶体石墨，两半球通过螺纹连接，利用接触面的石墨层实现两半球的导通；
电离室收集极采用空心亚克力(PMMA)表面喷涂胶体石墨导电层，并通过高原子序数的铝材料和石墨层按照一定比例配合，平衡了目前石墨电离室室壁材料的不完全空气等效性，改善了电离室低能段的能量响应；
电离室高压极通过接插件与室壁内部石墨导电层接触，实现了电离室高压极的导通，并且不改变电离室内部电场分布。
附图说明
图1为本申请电离室结构组成及每部分的连接图。
图2为本申请30cc电离室整体结构图。
图3为本申请图2中B处结构放大图。
图4为本申请图2中C处结构放大图。
图5为本申请图4中局部结构放大图。
图6为本申请30cc电离室组组装实物图。
图7为本申请30cc电离室伏安特性曲线。
图8为本申请30cc电离室能响曲线。
图中：1-收集极绝缘套；2-球衬套；3-高压极接插件；4-保护极前端；5-插针母头；6-收集极绝缘套；7-尾部外套；8-杆连接套；9-外套连接管；10-保护极套管；11-线芯套；12-保护极套；13-硅胶垫；14-高压绝缘套；15-外套前段；16-垫圈；17-压线圈；18-连接座；19-尾端压圈；20-支杆；21-尾端高压绝缘垫；22-铜芯绝缘套；23-高压绝缘套；24-尾座铜芯；25-锁母；26-连接器保护极，其中11～18为TNC连接器。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图和实施例对本申请的技术方案做进一步的描述。
电离室的工作原理为：以空气做为介质并工作在饱和区的气体探测器，当被测粒子通过探测器灵敏体积的工作介质时，通过库仑散射使得工作介质原子中的电子产生电离直接形成电荷。电离产生的电子和正离子便分别顺着和逆着空间电场方向，向相反的方向运动，最后被收集下来。
其中，与记录仪器相连的一个电极叫收集电极(中心电极)，它通过负载电阻接地。另一个电极则加上数百至数千伏电压，叫高压电极(阳极)。在收集电极和高压电极之间还有一个保护极(保护环)，其电位与收集电极相同。保护环与高压极和收集极之间由绝缘体隔开。保护环的作用是使从高压电极到地的漏电电流不通过收集电极，并使收集电极边缘的电场不被畸变而保持均匀。这样，可使电离室有明确的灵敏体积。如果没有复合和扩散的损失，在灵敏体积内形成的全部离子对都将被两电极收集。
x/γ射线和空气的相互作用中，射线并不能直接引起电离，而是通过光电效应、康普顿散射和电子对生成作用损失能量，产生次级电子。光子与物质的作用中首先产生次级电子，而对于电离室来讲，进入电离室空气空腔的次级电子主要在电离室的壁中产生的。由于电离室壁的材料的密度比空气大得多，产生的电子也多，因此随着壁厚的增加，进入电离室灵敏体积的次级电子增加，当电离室壁厚增加到一定程度，电离室壁对次级电子的阻挡作用开始明显，并最终使得进入灵敏体积的次级电子和逃出灵敏体积的次级电子数目相等，即达到电子平衡。在电子平衡条件下，射线辐射在空腔中的能量沉积几乎都用于激发空腔中气体分子的电离，而电离室输出的电离电荷是空腔中气体分子电离所产生的全部电荷电量。
参照附图1-8所示的一种30cc防护水平的空腔电离室，结构组成如图1，具有：电离室灵敏体积，其由形成高压极的电离室室壁和收集极构成，为电离室高压极和收集极形成的有效探测或收集区域。
所述电离室灵敏体积采用上下半球连接锁紧成型并实现导通，电离室外壁采用空气等效材料聚甲醛POM材料，内壁喷涂胶体石墨，通过少量多次喷涂使得胶体石墨均匀沉积于电离室室壁内表面，形成石墨导电层，其电阻值约为百欧姆量级。
高压极上下两半球的连接与导通：上下高压极半球通过螺纹结构相连接锁紧，通过两半球接触面进行导通，如图2所示。
TNC连接器，包含高压、信号及接地保护外接口，如图1所示。
电离室杆，其作为介质连接于电离室灵敏体积及TNC连接器之间，如图2所示，电离室杆包括采用硬铝材料且作为作为高压极的外杆体，该外杆体内部穿设单屏蔽电缆，所述单屏蔽电缆外层作为保护极，内层做收集极；
所述收集极采用空芯亚克力(PMMA)材料，避免了收集极对射线入射方向的阴影和遮挡效应；收集极外壁均匀喷涂胶体石墨形成导电层，该胶体石墨优选采用较高原子序数的铝与石墨按照2:1组合而成，收集极两端粘贴铝箔导通，收集极一端与连接器的铜芯焊接在一起，另一端深入电离室内部收集极管内部并从其内壁引出，与收集极外壁的导电层相连。
收集极外壁均匀喷涂胶体石墨，并与原子序数较高的铝箔按照一定比例配合，平衡了电离室室壁材料的不完全空气等效性，改善了电离室低能端的能响。
所述高压极一端与TNC连接器外层相连，另一端通过接插件(具体结构组成如图4所示)与所述电离室内壁底部的高压极半球底端接口处所述石墨导电层接触导通。
所述保护极(电缆外层)通过单屏蔽电缆一端与TNC连接器的接地保护接口相连，一端从所述电离室底端深入至电离室内，实现高压极与收集极的隔离。
高压极(电离室高压极)室壁与电离室杆的导通：所述电离室室壁底端与所述电离室杆之间设置接插件连接，避免了使用导线与电离室高压极内壁粘接的不稳定性和难度，同时接插件直接与石墨导电层接触，避免了粘接对电场均匀性和对称性的影响。
工作过程：通过线缆与电离室的TNC接口相连施加工作电压，当x/γ射线照射电离室时，会在高压极和收集极形成的电场中产生电离电流，并通过收集极导出到剂量仪上进行读出。
试验例
本发明通过实际测试，实现了宽的能响范围，并同国际上普遍使用的PTW 30025型电离室类似的水平，其具体实测指标如下表1所示，测得电离室的伏安特性曲线(坪曲线)及能响见图5、图6所示。
表1本申请研制的电离室与PTW 30025型电离室的指标对比
以上显示和描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。本申请要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种用于防护水平的空腔电离室，其特征在于，该空腔电离室具有：电离室灵敏体积，其由电离室高压极和伸入其内的收集极构成，所述电离室高压极的室壁为高压极；
TNC连接器，包含高压、信号及接地保护外接口；
电离室杆，其作为介质连接于电离室灵敏体积及TNC连接器之间。
2.根据权利要求1所述的空腔电离室，其特征在于：所述电离室高压极采用上下半球连接成型，并实现连接的电性导通。
3.根据权利要求2所述的空腔电离室，其特征在于：所述电离室高压极外壁采用POM材料，内壁喷涂胶体石墨并形成石墨导电层。
4.根据权利要求3所述的空腔电离室，其特征在于：所述电离室杆包括作为高压极的外杆体，该外杆体内部穿设单屏蔽电缆，所述单屏蔽电缆外层作为保护极，内层做收集极。
5.根据权利要求4所述的空腔电离室，其特征在于：所述外杆体为硬铝材质。
6.根据权利要求5所述的空腔电离室，其特征在于：所述外杆体一端与TNC连接器外层相连，另一端与所述电离室高压极内壁底部的所述石墨导电层接触导通；所述保护极一端与TNC连接器的接地保护外接口相连，另一端深入至电离室高压极内；所述收集极一端与TNC连接器连接导通，另一端伸入至所述电离室高压极内。
7.根据权利要求6所述的空腔电离室，其特征在于：所述电离室高压极室壁底端与所述电离室杆的外杆体之间设置有高压极接插件。
8.根据权利要求7所述的空腔电离室，其特征在于：所述收集极采用PMMA材料。
9.根据权利要求8所述的空腔电离室，其特征在于：所述收集极外壁均匀喷涂胶体石墨形成导电层，两端粘贴铝箔导通。
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