CN117690775A - 一种用于脉冲x射线剂量测量的平板形空腔电离室及制作方法 - Google Patents
一种用于脉冲x射线剂量测量的平板形空腔电离室及制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于脉冲X射线剂量测量的平板形空腔电离室，该电离室包括支撑杆、信号线及腔体。其中，腔体为平板形结构，在腔体内上下侧设有与信号线相接的高压极，腔体内中部位置对称设置有与外框和信号线分别相接的保护极，且对称的所述保护极之间设置有不导通的收集极，以及在保护极和收集极上下且与高压极之间形成有相互屏蔽的灵敏区。该平板形空腔电离室极板间距仅2mm，在300V标称极化电压下，收集时间达到微秒量级，可用于毫秒级脉冲X射线剂量测量，以及还避免两电极直接接触或经固态绝缘件间接接触而产生明显漏电流、进一步减小电离室漏电流、实现极板整体空气等效性，并补偿了低能量段的响应，同时也降低了成本与加工难度等效果。
Description
技术领域
本发明涉及空腔电离室技术领域，尤其涉及一种用于脉冲X射线剂量测量的平板形空腔电离室及制作方法。
背景技术
相较于传统连续曝光X射线，脉冲X射线具有瞬时剂量率高、持续时间短等特点，因此，脉冲X射线在放疗诊断、安检、射线探伤等众多领域得到了广泛应用，但这些特点也使其剂量的准确测量变得更为困难。
电离室因其稳定性好、准确度高，常作为标准计量器具用于辐射剂量测量。目前在电离辐射剂量测量中，球形和圆柱形电离室由于具有良好的对称性、零部件加工和组装较为简单，是常规连续X、γ射线剂量测量过程中最为常用的电离室类型。由于常规连续X、γ射线会持续将电离室中的空气电离，从而持续产生电子-离子对，因此可以不必考虑电离室对于电子-离子对的收集时间，也即是球形和圆柱形电离室对于电子-离子对的收集时间并不敏感，因此通常用于常规连续X、γ射线剂量测量。
在短脉冲、高剂量率条件下，球形和圆柱形电离室由于电离的电子-离子对的渡越距离大，而且电子-离子对通过重叠区域的时间长，甚至与X射线脉冲的持续时间相当，存在明显的复合效应，导致电荷收集效率低，使得测量结果与实际值严重偏离，而且在不同辐射脉冲条件下的偏离不一致，很难进行修正。以及在收集极的处理上，通常采用喷涂铝层的方式形成导电涂层，以补偿低能量段的能量响应。而喷涂铝层对所用材料、喷涂工艺均有较高要求，成本较高，难度较大。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明设计了一种平板形空腔电离室，由于电离室极板间距小，而且场强均匀，极大改善了球形和圆柱形电离室测量脉冲辐射的不足，更适于脉冲辐射剂量测量，同时解决以下目前电离室存在的问题：
1、本申请将电离室收集时间缩短至微秒量级，提高短脉冲、高剂量率条件下的收集效率，解决目前电荷收集效率低的问题，并提高毫秒级脉冲X射线剂量测量的准确性；
2、改良接线方式，解决电离室内部与信号线连通时影响室壁内侧平整度以及电场均匀性、对称性的问题，并提高接线的稳定性；
3、设计收集极导电铝层的添加方式，在满足能响补偿需求的基础上降低目前成本高和加工难度大的问题；
4、设计收集极与保护极的结构与绝缘方式，在保证漏电流足够小的基础上解决目前成本过高的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于脉冲X射线剂量测量的平板形空腔电离室，该电离室包括：支撑杆，其内穿设有与TNC接口连接的信号线；腔体，其连接在与TNC接口相对的支撑杆另一端，其中，
所述腔体为由外框封闭构成的平板形结构，在腔体内上下侧设有与信号线相接的高压极，腔体内中部位置对称设置有与外框和信号线分别相接的保护极，且对称的所述保护极之间设置有不导通的收集极，以及在保护极和收集极上下且与高压极之间形成有相互屏蔽的灵敏区。
进一步的，所述收集极和保护极均采用绝缘材料作为基材，在两者上下表面均设置有导电薄层。
进一步的，在收集极和保护极的上下薄片及基材之间开设有穿孔，并在该穿孔内填充有导通材料。
进一步的，所述收集极的导电薄层为在外表面依次设置有石墨薄层和铝箔构成；所述保护极的导电薄层为铝箔。
进一步的，所述收集极和保护极的导电薄片隔断位置处的所述基材部分设置为点连接结构，且通过收集极和保护极整体将上下所述灵敏区屏蔽。
进一步的，下侧所述高压极与外框为一体结构，上侧所述高压极为设置的高压极薄板，在下侧高压极及上侧高压极薄板内表面上均设置有导电薄层。
进一步的，所述高压极的导电薄层通过信号线外层屏蔽线与TNC接头外壳相连；保护极导电薄层通过信号线内层屏蔽线与TNC接头的保护极相连；所述收集极的导电薄层通过信号线中心铜芯与TNC接头的中心电极相连。
一种平板形空腔电离室的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在腔体内远离信号线的一侧及下侧设置有绝缘材料基体作为外框；
S2、在下侧所述基体及腔体上侧对应设置有高压极的导电薄板；
S3、在上下侧的高压极导电薄板之间则平行设置有绝缘材料基体，同时在该基体两端及中间位置的上下表面依次设置有保护极导电薄板和收集极导电薄板，并利用绝缘压环实现保护极和收集极整体相对于腔体的固定；
S4、将保护极导电薄板和收集极导电薄板之间的基体制作成镂空结构；
S5、在收集极、保护极、高压极的导电薄片，以及上侧的高压极薄板上均设置有导电薄层；
S6、将高压极、保护极及收集极与TNC接头导通连接。
进一步的，在步骤S5中：
所述收集极的导电薄层为喷涂石墨薄层和粘接铝箔；
所述保护极的导电薄层为粘接铝箔；
所述高压极的导电薄层为喷涂石墨薄层。
进一步的，在步骤S6中：将高压极的导电薄层通过信号线外层屏蔽线与TNC接头外壳相连；
将保护极导电薄层通过信号线内层屏蔽线与TNC接头的保护极相连；
将收集极的导电薄层通过信号线中心铜芯与TNC接头的中心电极相连；
每个所述TNC接头的连接线均嵌入至相应的绝缘材料的基材中，并用石墨填充。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的平板形空腔电离室极板间距仅2mm，在300V标称极化电压下，收集时间达到微秒量级，可用于毫秒级脉冲X射线剂量测量。
(2)使用环形保护极完全包围圆形收集极，将高压极与收集极完全隔断，避免两电极直接接触或经固态绝缘件间接接触而产生明显漏电流。
(3)收集极与保护极使用同一片绝缘材料薄板作为基材，两部件间进行镂空隔断，仅在绝缘材料基板上保留连接点，可以保证两部件的导电层处于同一平面，且边缘处间距均匀一致，能有效减小灵敏区边缘处的电场畸变，同时提高收集极与保护极间的绝缘性能，进一步减小电离室漏电流。
(4)利用一对绝缘压环将收集极与保护极固定于电离室腔体中心，并限制收集极与两侧高压极的相对位置(间距)，通过绝缘压环的均匀厚度有效保证了高压极与收集极毫米级间距的稳定和一致。
(5)收集极通过石墨+铝的组合实现极板整体空气等效性，并补偿了低能量段的响应，同时也降低了成本与加工难度。
(6)采用分段内嵌的方式固定高压极薄板，提高了电离室整体结构强度和稳定性，并通过接触面的石墨涂层完成两高压极导电层的连通，结构简单，减小了电阻，提高了导电性能。
(7)收集极、保护极采用了开槽埋线、石墨填充的方式，将信号线从绝缘材料基板上所开凹槽引入，利用绝缘压环加以固定，并用石墨填充凹槽、连通信号线，保证导电层平整，同时也提高了接线处的稳定性。
(8)支撑杆末端利用锁紧环、螺栓、螺母对电缆整体进行固定，防止电缆拉扯对电离室内部结构的影响。
(9)本发明实现了脉冲X射线剂量测量用平板形空腔电离室的基本功能，参数指标如表1：
| 关键参数 | 本发明平板形空腔电离室指标 |
| 极板间距 | 2mm |
| 高压极厚度 | 1mm |
| 收集极厚度 | 1mm |
| 灵敏区直径 | 3cm |
| 收集时间 | 90μs |
| 漏电流 | ≤±10fA |
| 能量响应 | ≤±3％(50～120kV) |
表1本发明平板形空腔电离室各参数指标
表1中90μs为本申请根据极板间距、工作电压，通过公式计算得出的结果，且其时间响应结果与PTW的相关平板电离室相当，而PTW平板电离室间距4mm，电压200V情况下，宣传的收集时间即可达500μs，且与本电离室所用公式的计算结果相当，因此本申请公开的电离室正常工作状态下能达到μs量级，与PTW平板电离室时间响应结果对比如图11所示。且本电离室在连续脉冲辐射条件下，响应均能高于99％，也可间接证明其收集时间可满足毫秒级脉冲辐射的测量需求，结果如图12所示。
附图说明
图1为本发明脉冲X射线剂量测量用平板形空腔电离室外形结构图。
图2为本发明图1中C向剖视结构图。
图3为本发明画圈处结构放大图示。
图4为本发明平板形空腔电离室结构组成图。
图5为本发明图4俯视图。
图6为本发明平板形腔电离室组装三维结构图。
图7为本发明平板形空腔电离室实物图。
图8为本发明平板形空腔电离室坪曲线(伏安特性曲线)图。
图9为本发明平板形空腔电离室能量响应图。
图10为本发明平板形空腔电离室非线性图。
图11为本发明平板形空腔电离室与PTW平板电离室的单脉冲时间响应对比图。
图12为本发明平板形空腔电离室连续脉冲时间响应图。
图中：1-双屏蔽同轴信号线；2-绝缘压环；3-收集极压环；4-高压极(室壁)；5-外框；6-收集极；7-收集极铝箔；8-保护极铝箔；9-支撑杆；10-电缆锁紧螺母；11-电缆锁紧螺栓；12-电缆锁紧环。
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发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照附图1～12所示的一种用于脉冲X射线剂量测量的平板形空腔电离室，如图2-4所示，该平板形空腔电离室包括高压极、收集极、保护极、外框、支撑杆、TNC接口及双屏蔽同轴信号线组成，收集极(中心极板)与高压极(电离室壁)之间的空腔部分为电离室的灵敏区。其中，高压极、收集极、保护极均设置在电离室的腔体中，双屏蔽同轴信号线穿设支撑杆至腔体中，双屏蔽同轴信号线的另一端与TNC接口连接。
具体的，所述腔体为由外框封闭构成的平板形结构(外框与支撑杆螺纹连接)，高压极设置在腔体内上下侧，中部位置对称设置有与外框和信号线相接的所述保护极，且对称的所述保护极之间设置有不导通的所述收集极(优选通过绝缘压环固定于腔体中心)，以及保护极和收集极上下形成有相互屏蔽的所述灵敏区。
本发明设计了一种极板间距约为2mm的平板形空腔电离室，将电离电荷收集时间缩短至us(微秒)量级，同时确保短脉冲、高剂量率条件下的电子-离子对的收集效率，可满足毫秒级脉冲X射线的剂量测量需求。
根据射线与电离室空腔内空气分子相互作用原理，电离室收集的电荷为原初电离电荷，不存在放大倍增，产生的电流信号很小，一般为fA～nA量级，因此，电离室自身的本底漏电流必须足够低，避免对测量值产生明显影响。
为尽可能降低电离室的的漏电，并确保其能量响应的一致性良好，本发明采取了一系列措施，对高压极、收集极、保护极进行结构和工艺设计，方案如下：
高压极：采用空气等效性优良、结构强度高的聚甲醛材料(POM)作为高压极基材，在内表面均匀喷涂石墨作为导电薄层，高压极薄板与外框凹糟嵌合。优选的，高压极薄片为一整体，但其边缘处凸出的嵌合结构为分段结构，留有空隙，为嵌入时会产生的弹性形变预留空间，从而提高电离室整体结构强度和稳定性。
两侧高压极的连通方式：下侧高压极与外框为一个整体，另一侧高压极为一单独薄板，通过外框内侧和石墨薄层将两高压极的内侧导电层导通。
收集极：采用POM材料作为收集极基材，表面均匀喷涂石墨用于导电，并在石墨层外环粘贴铝箔，通过石墨+铝的组合来确保极板的空气等效性，并通过外环的铝补偿低能量段的能响，解决收集极导电层仅用石墨时低能段欠响应的问题。
保护极及其与收集极的绝缘：保护极导电层使用铝箔，其与收集极使用同一片POM材料薄板作为基材，两部分之间隔断，仅在POM基板上保留连接点，确保两部分的导电层同圆心且处于同一平面，边缘处间距均匀一致，保护极完全包围收集极，将灵敏区电场完全屏蔽，尽可能减小灵敏区边缘处的电场畸变，同时提高收集极与保护极间的绝缘性能，极大地减小电离室漏电流。
两侧收集极的导通与两侧保护极的导通：采用打孔贯穿、石墨填充的方式，用石墨将位于绝缘材料基板两侧的收集极、保护极分别导通。
毫米量级极板间距的稳定与一致：利用一对绝缘压环将收集极与保护极固定于电离室腔体中心，并限制收集极与两侧高压极的相对位置，通过绝缘压环的均匀厚度保证高压极与收集极间距的稳定和一致。
信号线的固定以及与高压极、收集极、保护极的分别导通：收集极、保护极采用开槽埋线、石墨填充的方式，将信号线从绝缘材料基板上所开凹槽引入，利用绝缘压环加以固定，并用石墨填充凹槽、连通信号线，保证导电层平整，同时也提高了接线处的稳定性，此外，通过绝缘压环将信号线高压端压在电离室外框内侧的石墨薄层上，并用石墨进一步固定，实现高压极与信号线的导通，提高接线处的稳定性，支撑杆末端利用锁紧环、螺栓、螺母对电缆整体进行固定，防止电缆拉扯对电离室内部结构的影响。
工作过程：通过双屏蔽同轴电缆将电离室TNC接口与外部读取设备相连并施加工作电压，当X射线照射电离室时，电离室灵敏区内产生的电离电荷会经收集极导出形成电流信号，并传输至读取设备进行读出。
本发明还提供一种平板形空腔电离室的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作圆形平板结构的电离室外壳，并在腔体内远离信号线的一侧及下侧设置有绝缘材料基体作为外框；
S2、在下侧所述基体及腔体上侧对应设置有高压极的导电薄板，并在该导电薄板上喷涂石墨薄层作为导电薄层；
S3、在上下侧的高压极导电薄板之间则平行设置有绝缘材料基体，同时在该基体两端及中间位置的上下表面依次设置有保护极导电薄板和收集极导电薄板，在收集极的导电薄层为喷涂石墨薄层和粘接铝箔作为收集极的导电薄层，在保护极的导电薄板上粘接铝箔作为保护极的导电薄层。利用绝缘压环实现保护极和收集极整体相对于腔体的固定，以及保持保护极与高压极的间距；
S4、将保护极导电薄板和收集极导电薄板之间的基体制作成镂空结构；
S5、在收集极、保护极、高压极的导电薄片，以及上侧的高压极薄板上均设置有导电薄层；
S6、将高压极、保护极及收集极与TNC接头导通连接，具体连接方式为：
将高压极的导电薄层通过信号线外层屏蔽线与TNC接头外壳相连；
将保护极导电薄层通过信号线内层屏蔽线与TNC接头的保护极相连；
将收集极的导电薄层通过信号线中心铜芯与TNC接头的中心电极相连；
而每个所述TNC接头的连接线均开槽嵌入至相应的绝缘材料的基材中，并用石墨填充。
本发明公开的平板形空腔电离室的原理：空腔电离室为一种工作于离子收集与电压关系特性曲线的电离区(饱和区)，并以空气为工作介质的气体探测器。当射线粒子入射到电离室内，与工作介质的原子、分子发生相互作用而损失能量，介质原子、分子被电离，产生电子-离子对，在由工作电压激发的外部电场作用下，电离产生的电子、正离子分别向电离室的阳极、阴极做漂移运动，漂移过程中极板上产生感应电荷，收集形成电流信号。
电离室末端通过TNC接口与读取设备连接，使高压极加上正或负高压，收集极通过负载接地，保护极与收集极同电位，使高压极与地之间的漏电流不再流经收集极，减小电离室自身本底信号，并减小灵敏区边界处的电场畸变，保持灵敏区内电场均匀，使电离室有明确的灵敏体积。收集极与保护极位于同一薄板上，两部分间采用镂空的方式进行隔断处理，仅保留数个连接点，通过空气绝缘，可保证收集极与保护极间具有优良的绝缘性能，减小漏电流，且能保持两者导电层稳定地处于同一平面，进一步减小电场畸变，提高整体电场的均匀性和对称性。
对于电离室而言，由于空气密度小，单位长度空气对光子的能量衰减较小，次级带电粒子主要是由光子与密度更高的室壁(高压极)相互作用产生。随着壁厚增加，进入电离室空腔的次级带电粒子增多，同时由于电离室的室壁对次级带电粒子的阻止作用也逐渐明显，当壁厚达到一定程度，使进入和逸出空腔的次级带电粒子数量相同，即达到带电粒子平衡。在带电粒子平衡条件下，光子在空腔内与空气分子相互作用产生的次级带电粒子几乎全部用于引发空气分子的电离，其能量全部沉积在空腔内，空腔内的沉积能量达到最大，可认为此时空腔内空气的吸收剂量与比释动能相等，通过电离室收集的空腔内全部电离电荷即可反映出射线在此处的空气比释动能。
对于脉冲X射线具有瞬时剂量率高、持续时间短的特点，开展辐射剂量测量除了要求电离室满足上述测量原理之外，电离室剂量率上限和电荷收集时间均应满足测量需要：在高剂量率条件下能保持良好的剂量线性而不会出现饱和，后者使电离电荷能在短时间内全部收集(通过减小电子-离子对重叠区存在的时间，减小复合效应，且相邻两个脉冲辐射产生的电离电荷不会相互影响)。而电离室的剂量率测量上限与其灵敏体积负相关，电荷收集时间反比于工作电压且正比于极板间距的平方，因此，用于脉冲X射线剂量测量的电离室兼具小灵敏体积和短极板间距的特点。
此外，对于球形和圆柱电离室，在高剂量率脉冲条件下，灵敏体积内的电子-离子对粒子密度很大，产生明显的空间电荷效应，影响了空腔内电场分布，使得正负电荷重叠区持续时间长，电荷收集时间达到ms(毫秒)量级，与脉冲持续时间相当，电子-离子复合效应增加，导致收集效率低，测量结果偏低，因此球形、圆柱形电离室不适于脉冲X射线的剂量测量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。
Claims (10)
1.一种用于脉冲X射线剂量测量的平板形空腔电离室，该电离室包括：支撑杆，其内穿设有与TNC接口连接的信号线；腔体，其连接在与TNC接口相对的支撑杆另一端，其中，
所述腔体为由外框封闭构成的平板形结构，在腔体内上下侧设有与信号线相接的高压极，腔体内中部位置对称设置有与外框和信号线分别相接的保护极，且对称的所述保护极之间设置有不导通的收集极，以及在保护极和收集极上下且与高压极之间形成有相互屏蔽的灵敏区。
2.根据权利要求1所述的平板形空腔电离室，其特征在于：所述收集极和保护极均采用绝缘材料作为基材，在两者上下表面均设置有导电薄层。
3.根据权利要求2所述的平板形空腔电离室，其特征在于：在收集极和保护极的上下薄片及基材之间开设有穿孔，并在该穿孔内填充有导通材料。
4.根据权利要求3所述的平板形空腔电离室，其特征在于：所述收集极的导电薄层为在外表面依次设置有石墨薄层和铝箔构成；所述保护极的导电薄层为铝箔。
5.根据权利要求4所述的平板形空腔电离室，其特征在于：所述收集极和保护极的导电薄片隔断位置处的所述基材部分设置为点连接结构，且通过收集极和保护极整体将上下所述灵敏区屏蔽。
6.根据权利要求1所述的平板形空腔电离室，其特征在于：下侧所述高压极与外框为一体结构，上侧所述高压极为设置的高压极薄板，在下侧高压极及上侧高压极薄板内表面上均设置有导电薄层。
7.根据权利要求5-6任一权利要求所述的平板形空腔电离室，其特征在于：所述高压极的导电薄层通过信号线外层屏蔽线与TNC接头外壳相连；保护极导电薄层通过信号线内层屏蔽线与TNC接头的保护极相连；所述收集极的导电薄层通过信号线中心铜芯与TNC接头的中心电极相连。
8.一种平板形空腔电离室的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在腔体内远离信号线的一侧及下侧设置有绝缘材料基体作为外框；
S2、在下侧所述基体及腔体上侧对应设置有高压极的导电薄板；
S3、在上下侧的高压极导电薄板之间则平行设置有绝缘材料基体，同时在该基体两端及中间位置的上下表面依次设置有保护极导电薄板和收集极导电薄板，并利用绝缘压环实现保护极和收集极整体相对于腔体的固定；
S4、将保护极导电薄板和收集极导电薄板之间的基体制作成镂空结构；
S5、在收集极、保护极、高压极的导电薄片，以及上侧的高压极薄板上均设置有导电薄层；
S6、将高压极、保护极及收集极与TNC接头导通连接。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在步骤S5中：
所述收集极的导电薄层为喷涂石墨薄层和粘接铝箔；
所述保护极的导电薄层为粘接铝箔；
所述高压极的导电薄层为喷涂石墨薄层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在步骤S6中：
将高压极的导电薄层通过信号线外层屏蔽线与TNC接头外壳相连；
将保护极导电薄层通过信号线内层屏蔽线与TNC接头的保护极相连；
将收集极的导电薄层通过信号线中心铜芯与TNC接头的中心电极相连；
每个所述TNC接头的连接线均嵌入至相应的绝缘材料的基材中，并用石墨填充。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311724770.6A CN117690775A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种用于脉冲x射线剂量测量的平板形空腔电离室及制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311724770.6A CN117690775A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种用于脉冲x射线剂量测量的平板形空腔电离室及制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117690775A true CN117690775A (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=90133282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311724770.6A Pending CN117690775A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种用于脉冲x射线剂量测量的平板形空腔电离室及制作方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117690775A (zh) |
-
2023
- 2023-12-14 CN CN202311724770.6A patent/CN117690775A/zh active Pending
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