CN204204794U

CN204204794U - 一种标准型高气压电离室

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Publication number: CN204204794U
Application number: CN201420635731.9U
Authority: CN
Inventors: 高飞; 倪宁; 肖雪夫; 张力; 侯金兵; 宋明哲
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2024-10-29

Abstract

本实用新型提供一种标准型高气压电离室，该标准型高气压电离室包括高气压电离室探头，所述高气压电离室探头包括不锈钢外壳，不锈钢支撑柱，不锈钢球体，补偿片，绝缘端子，所述不锈钢外壳为两个不锈钢半球焊接而成的空心球体，所述不锈钢球体位于所述不锈钢外壳球心，通过所述不锈钢支架与所述绝缘端子连接，所述绝缘端子固定在所述不锈钢外壳上，所述不锈钢外壳上设有一充气孔，所述补偿片，材料为锡，厚度范围为1.5mm-2mm，其贴在所述不锈钢外壳上占所述不锈钢外壳表面积的60％-70％。本实用新型改变了高气压电离室低能响应较高的缺点同时减小了宇宙射线电离成分剂量率测量结果的误差，可作为标准高气压电离室。

Description

一种标准型高气压电离室

技术领域

本实用新型涉及一种气体探测器，具体涉及一种标准型高气压电离室。

背景技术

计量标准仪器处于国家检定系统的中间环节，起着承上启下的作用，即将计量基准所复现的单位量值，通过检定逐级传递到工作计量器具，标准仪器的测量结果一般可以作为环境电离辐射剂量率的“标准值”或“约定真值”。目前国际上环境辐射剂量率连续监测系统采用的探头主要以GM计数管和高气压电离室为主，也有小部分使用半导体和NaI探头，国际上并没有明确规定环境辐射剂量率测量的标准仪器。通过1999年欧盟各国于丹麦国家实验室电离辐射测试中心和德国PTB地下超低本底实验室开展的环境辐射连续监测仪表的比对工作可以看出，高气压电离室具备作为环境辐射剂量率标准测量仪器的潜力。

现有技术中高气压电离室由于补偿片的材料、厚度和补偿面积选择不当，在改善能响的同时降低了高气压电离室对于能量低于80keVγ射线的响应能力。另外，在补偿过程中并没有考虑补偿片对高气压电离室宇宙射线的响应情况，海平面附近宇宙射线的剂量率约占天然本底辐射外照射剂量率的30％-40％，为了保证环境辐射剂量率测量结果的准确性，高气压电离室对宇宙射线的响应因子K_C与对γ射线的响应因子K_γ的应近似相等。但对环境电离辐射中的宇宙射线电离成分剂量率测量结果存在较大的误差，不适合作为标准电离室。

鉴于上述缺陷，本实用新型创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种标准型高气压电离室，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种标准型高气压电离室，包括高气压电离室探头，所述高气压电离室探头包括不锈钢外壳，不锈钢支撑柱，不锈钢球体，补偿片，绝缘端子，所述不锈钢外壳为两个不锈钢半球焊接而成的空心球体，所述不锈钢球体位于所述不锈钢外壳球心，通过所述不锈钢支承柱与所述绝缘端子连接，所述绝缘端子固定在所述不锈钢外壳上，所述不锈钢外壳上设有一充气孔，所述补偿片材料为锡，厚度范围为1.5mm-2mm，所述补偿片贴在所述不锈钢外壳上占所述不锈钢外壳表面积的60％-70％。

较佳的，所述高气压电离室探头还包括一充气管，与所述充气孔相配合，焊接在所述不锈钢外壳上。

较佳的，所述高气压电离室探头还包括一法兰，所述绝缘端子通过所述法兰固定在所述不锈钢外壳上。

较佳的，所述法兰采用外扣结构。

较佳的，所述绝缘端子外侧设有保护环。

较佳的，所述补偿片厚度为2mm，占所述不锈钢外壳表面积的63％。

较佳的，还包括一铝壁外壳，封装所述高气压电离室探头。

与现有技术相比本实用新型有益效果是：本实用新型改变了高气压电离室低能左右响应较高的缺点同时减小了宇宙射线电离成分剂量率测量结果的误差，可作为标准高气压电离室。

另外，本实用新型中所述法兰采用外扣结构一方面可以在焊接时起到固定与定位的作用，另一方面也可以尽量减少对高压电极内部的污染。在制备本实用新型的过程中采用氩弧焊，其在高温熔融焊接中不断送上氩气，可使焊材不能与空气中的氧气接触，防止焊材的氧化。

附图说明

图1为本实用新型标准型高气压电离室的高气压电离室探头结构示意图；

图2为不同壁厚的高气压电离室对电子的响应曲线；

图3为不同压力的高气压电离室对电子的响应曲线；

图4为高气压电离室对不同能量电子的响应情况；

图5为锡补偿片对本实用新型标准型高气压电离室能量响应的影响；

图6为铅材料补偿片对本实用新型标准型高气压电离室能量响应的影响；

图7为本实用新型的一种标准型高气压电离室的制备方法的流程图；

图8为本实用新型的一种标准型高气压电离室的制备方法中装配高气压电离室探头的具体流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1，为本实用新型标准型高气压电离室的高气压电离室探头结构示意图，所述标准型高气压电离室包括高气压电离室探头，所述高气压电离室探头包括不锈钢外壳1、不锈钢球体2、补偿片3、不锈钢支撑柱4和绝缘端子5。

所述不锈钢外壳1为两个半球通过氩弧焊接成的空心球体，作为高压电极，不锈钢球体2位于不锈钢外壳1球心，作为收集极，通过一根不锈钢支撑柱4与带保护环7的绝缘端子5连接，绝缘端子5通过法兰焊接到所述不锈钢外壳上。所述法兰采用外扣结构，一方面可以在焊接时起到固定与定位的作用，另一方面也可以尽量减少对高压电极内部的污染。所述不锈钢外壳上设有一充气孔，所述电离室还包括一充气管8，其与所述不锈钢外壳上的充气孔相配合，焊接在所述不锈钢外壳上，所述不锈钢外壳1内充有氩气。环境辐射中的陆地γ射线和宇宙射线入射到高气压电离室时，它们与不锈钢壁及氩气相互作用产生次级电子，使氩原子电离，所述不锈钢球体2收集电子产生电流，并通过所述不锈钢支撑柱4输出。

所述标准型高气压电离室还包括一铝壁外壳，用于封装所述高气压电离室探头，所述铝壁外壳其直径为300mm。所述不锈钢外壳1材料为304不锈钢，直径为250mm，厚度为1.5mm，密度7.8g/cm³。所述不锈钢球体2为直径50mm，厚度为1mm。所述不锈钢支撑柱4直径为6mm。

本实用新型工作原理：

当环境辐射中的陆地γ射线和宇宙射线入射到高气压电离室时，它们与不锈钢外壳1及氩气相互作用产生次级电子，使氩原子电离。产生正负离子对，在外加电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴极漂移。气体电离生成离子对后，由于静电感应，在两个电极上会有感应电荷生成。收集极收集电子产生电流，电流大小与入射粒子剂量成正比，电子学系统通过测量电离后产生的电流即可间接完成电离辐射剂量率的测量。

在低能区光子与物质作用过程中光电效应起主要作用，光子在高气压电离室内的能量沉积随着入射X、γ辐射能量的降低而升高，因此能量响应在低能区形成一个“鼓包”。为了降低高气压电离室对低能光子响应的“鼓包”效应，通常在不锈钢外壁1进行能量补偿，补偿片3主要以铅或锡等高原子序数的材料为主。但是补偿片3在压低“鼓包”效应的同时也抬高了宇宙射线的响应和能量探测下限，因此需要引入蒙特卡罗方法对能量补偿型高气压电离室的能量响应特性和宇宙射线响应特性进行研究。

蒙卡模拟高气压电离室的响应因子K是基于电子平衡条件下的，通过计算不同能量的X、γ射线和宇宙射线中的电子，在电离室有效体积内沉积的能量E即可求出响应因子K。

电离室壁厚对宇宙射线响应的影响：模拟计算了壁厚为0mm-4mm的不锈钢以及3mm厚的铅、锡、铝时的高气压电离室对电子的响应曲线。μ子的质量是电子静止质量的207倍，因此很难像电子那样被电场迅速加速。带电粒子的轫致辐射能量损失与其质量m的平方成反比，μ子的轫致辐射能量损失比相同能量的电子约小4×10⁴倍，这使得μ子同电子相比具有更强的穿透能力，高气压电离室外壁的选择不会对μ子的响应因子K_μ产生影响。因此在模拟高气压电离室对宇宙射线响应特性过程中，重点考虑宇宙射线中的电子。电子与物质作用的机制不同于μ子，由于电子质量小。很容易与物质发生轫致辐射而损失大量的能量，如果电子的能量足够高还会在物质中发生电磁簇射效应。

请参阅图2，不同壁厚的高气压电离室对电子的响应曲线。电子的次级簇射粒子包括光子和电子在高气压电离室中引起的能量沉积与壁厚和壁材料的原子序数Z成正比。100MeV的电子在外壁为3mm铅材料的高气压电离室的灵敏体积内能量沉积为1.80MeV，比相同厚度铝壁的能量沉积高63.6％。3mm不锈钢壁灵敏体积内的能量沉积为1.289MeV，无外壁时的能量沉积为1.025MeV，因电磁簇射效应引起的能量沉积为0.264MeV，增强25.8％。充气压力对宇宙射线响应的影响：模拟计算了不锈钢壁厚为3mm，外径250mm，内充5atm～30atm高纯氩气的高气压电离室对能量为100MeV电子的响应因子Ke。

请参阅图3，为不同压力的高气压电离室对电子的响应曲线。高气压电离室对电子的灵敏度与气压成正比，增大充气压力可以有效的提高电子的响应因子。

电离室对不同能量宇宙射线的响应特性：模拟计算了高气压电离室对不同能量电子的响应曲线。请参阅图4，为高气压电离室对不同能量电子的响应情况。高气压电离室的响应因子随着入射电子能量的升高而上升，响应最高点在1000MeV。能量在100MeV以下时，响应因子上升最为迅速，从10MeV到100MeV响应因子上升约79.04％。100MeV以上时，响应因子随能量上升较慢，能量超过800MeV时响应因子趋于饱和。

计算模型中铅和锡的密度分别为11.3g/cm3和7.31g/cm3。在电离室表面敷贴面积不等的铅片或锡片作为补偿片3，补偿片3厚度为1mm～2mm。根据模拟结果确定补偿片3的材料、面积和厚度，完成高气压电离室响应特性的优化设计。

根据上述提及的关于高气压电离室的设计参数对高气压电离室的能量响应特性进行模拟计算。首先计算了锡和铅材料对高气压电离室能量响应特性的修正情况。

请参阅图5和图6，锡补偿片对本实用新型标准型高气压电离室能量响应的影响和铅材料补偿片对本实用新型标准型高气压电离室能量响应的影响。高气压电离室能响的“鼓包”效应随着补偿片3的厚度和面积的增加而减小。在补偿厚度相同的条件下，高气压电离室对低能光子的响应因子随着补偿面积的增加而迅速降低。另外，随着补偿面积和补偿厚度的增加，高气压电离室对γ射线的响应因子会降低。但是，由于存在高能电子的电磁簇射效应，高气压电离室对宇宙射线的响应因子会随着补偿片3原子序数、厚度和面积的增加而上升。

高气压电离室对宇宙射线的响应因子K_C随着补偿厚度、补偿材料的原子序数Z和补偿面积的增加而增加，这是由于补偿片3与宇宙射线中高能电子的电磁簇射效应造成的。高气压电离室外壁及补偿片3与陆地γ射线则不发生电磁簇射效应，因此增加补偿片3的面积和厚度会对γ射线起到一定的吸收作用。为了缩小K_γ与K_C之间的差别，补偿片3应避免使用铅材料。另外，由于铅的原子序数较高，较容易与入射光子产生轫致辐射效应，在压低高气压电离室低能响应“鼓包”效应的同时还会在87keV附近产生新的轫致辐射“鼓包”效应，如图6所示。锡片与铅片相比能够更好的改善高气压电离室的能响特性。为了压低高气压电离室能响的“鼓包”效应，又尽量不影响高气压电离室对γ射线的响应，锡补偿片的厚度应在1.5mm-2mm之间，补偿面积应在电离室表面积的60％-70％之间。根据相关经验完成了本实用新型标准型高气压电离室的制造，并根据蒙卡模拟结果对本实用新型标准型高气压电离室进行了能量补偿。

根据上述实验优选如下数据；

所述补偿片3贴在所述不锈钢外壳1上，其为锡补偿贴片，其厚度优选为2mm，补偿面积占不锈钢外壳表面积的63％。用于补偿高电压电离室能量，改善能量响应特性。

宇宙射线响应实验

宇宙射线剂量率的现场测量通常在水深大于3m、距岸边大于1km的内陆湖泊和水库的开阔水面上的小船进行。在开阔水面上进行宇宙射线测量，虽避开了地壳γ辐射的直接影响，但对水中⁴⁰K以及U、Th、Ra核素的γ射线，空气中氡子体的γ射线，探测器的自身本底，乃至测量者体内⁴⁰K等影响因素都需进行测量和估计。高气压电离室宇宙射线因子测量实验在北京密云水库进行。利用其他高气压电离室先对对密云地区的宇宙射线进行测量，对测量结果修正以后作为宇宙射线剂量率的约定真值，实验结果表明，高气压电离室对宇宙射线的响应因子为1.96fA/(μGy/h)。

能量响应实验

本实用新型能量响应的实验刻度工作在国防科技工业电离辐射一级计量站的X、γ射线标准实验室中开展。在X射线参考辐射场中，高气压电离室球心到X光机焦斑距离为3m。X射线经过附加过滤以后产生了满足ISO4037.1标准要求的过滤束X射线，通过调节X光机的高压来获得平均能量为48keV～211keV的X射线。为了避免高气压电离室对不同剂量率的响应差别带来的影响，调节X光机的输出功率，确保在参考点处的剂量率的约定真值在44μGy/h左右。在γ射线参考辐射场中，可以调节高气压电离室到放射源之间的距离来获得相同的剂量率，实验结果如表1所示。

表1 高气压电离室能响的模拟结果与实验结果比较(未采取能量补偿)

由表1可见，对于C_s-137γ射线和C_o-60γ射线蒙特卡罗模拟结果同实验结果的相对误差分别为0％和1.63％。对于低空气比释动能率过滤束X射线，蒙特卡罗方法在149keV能点处出现了较大的系统误差为8.44％，在其他能量点符合较好，相对误差都在±5％以内。根据模拟结果，完成本实用新型的能量补偿，并进行响应实验，结果如表2所示。

表2 本实用新型标准型高气压电离室能响实验结果(能量补偿)

如表2可见，本实用新型采取能量补偿时在60keV～1250keV范围内，相对于C_s-137的响应偏差不大于16％，满足国家计量检定规程JJG 521-200630％的要求，能量探测下限为60keV。该电离室对¹³⁷C_sγ射线的响应因子与宇宙射线响应因子的相对偏差不大于10％，满足设计指标。

本实用新型能够同时对环境辐射中的陆地γ射线和宇宙射线进行精确测量，进一步提高了环境辐射剂量率的测量精度。且所述补偿片为锡材料，其特定的厚度与覆盖面积改变了高气压电离室低能响应较高的缺点同时减小了宇宙射线电离成分剂量率测量结果的误差，可以作为标准型高气压电离室。

如图7所示，为本实用新型的一种标准型高气压电离室的制备方法的流程图。该制备方法包括如下步骤：

步骤S1，装配高气压电离室探头；

步骤S2，将装配完成的高气压电离室探头应进行充压试验，以检验电离室焊接强度及是否漏气，试验充压气体选择纯度为99％的氩气，并完成24小时以上的承压安全测试。

步骤S3，根据蒙特卡罗方法模拟计算的结果，选择能量补偿锡片分别交叉间隔贴于高压电极外表面，起到对低能入射光子的补偿效果。高气压电离室测量环境辐射值时静电计需要指示100fA级的电流值，静电及环境中的电磁场等因素将对结果构成干扰，因此，采用等电位屏蔽的方法，将静电计和单片机进行屏蔽设计。

步骤S4，将探头及所有电子学设备整体屏蔽起来，封装于直径300mm的铝壁外壳中，完成电离室的整体装配。

如图8所示，为装配高气压电离室探头的具体流程图。步骤S1包括以下步骤：

步骤S11，对两个不锈钢半球进行抛光、打磨及打孔；

步骤S12，使用氩弧焊焊接所述绝缘端子与所述法兰，并清洗焊接后的所述法兰；

步骤S13，将所述法兰与所述不锈钢外壳焊接，将所述不锈钢球体通过所述不锈钢支承柱与所述法兰上的所述绝缘子焊接，焊接完成后同样用有机试剂清洗擦拭；

步骤S14，将所述充气管焊接在所述不锈钢半球上，并且焊接两个不锈钢半球使其封闭。

在制备标准型高气压电离室的过程中采用氩弧焊，其在高温熔融焊接中不断送上氩气，可使焊材不能与空气中的氧气接触，防止焊材的氧化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，对本实用新型而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种标准型高气压电离室，包括高气压电离室探头，其特征是，所述高气压电离室探头包括不锈钢外壳，不锈钢支撑柱，不锈钢球体，补偿片和绝缘端子，

所述不锈钢外壳为两个不锈钢半球焊接而成的空心球体，所述不锈钢球体位于所述不锈钢外壳球心，通过所述不锈钢支承柱与所述绝缘端子连接，所述绝缘端子固定在所述不锈钢外壳上，所述不锈钢外壳上设有一充气孔，所述补偿片材料为锡，厚度范围为1.5mm-2mm，所述补偿片贴在所述不锈钢外壳上，占所述不锈钢外壳表面积的60％-70％。

2.根据权利要求1所述的标准型高气压电离室，其特征是，所述高气压电离室探头还包括：一充气管，与所述充气孔相配合，焊接在所述不锈钢外壳上。

3.根据权利要求2所述的标准型高气压电离室，其特征是，所述高气压电离室探头还包括：一法兰，所述绝缘端子通过所述法兰固定在所述不锈钢外壳上。

4.根据权利要求3所述的标准型高气压电离室，其特征是，所述法兰采用外扣结构。

5.根据权利要求3所述的标准型高气压电离室，其特征是，所述绝缘端子外侧设有保护环。

6.根据权利要求1所述的标准型高气压电离室，其特征是，所述补偿片厚度为2mm，占所述不锈钢外壳表面积的63％。

7.根据权利要求1所述的标准型高气压电离室，其特征是，还包括一铝壁外壳，封装所述高气压电离室探头。