自由空气电离室原理及空气减弱实验
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自由空气电离室原理及空 气减弱实验方案讨论
李 兵 2011.09.22
一、 主要内容
1.电离室的原理和结构等介绍 2.自由空气电离室原理介绍
3.空气减弱实验方案讨论
1 电离室原理及结构介绍
电离室原理介绍： 气体探测器是利用收集辐射射线与气体 相互作用产生的电离电荷来探测辐射的探 测器。通常是由高压电极和收集电极组成, 电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电荷在收集极积累，在输出回路中形 成电离电流 ，以电流的大小反应辐射射线 的能量和强度。
自由空气电离室电离电流在10-7～10-11安 培量级，采用汤逊补偿法实现弱电流的精 密测量。
设计原则:作为基准中空气比释动能绝对测
量的自由空气电离室在设计时需要注意以 下几点： 1.具有电场保护的平行平板结构，保证精确 的电荷收集电场。精密加工准直的限束光 阑，确定测量体积。 2.尽量减少电离电荷收集过程复合损失；引 出通路具有足够的绝缘电阻，以减少漏电 流损失。 3.收集-保护极为一体结构。收集极支撑为 高绝缘材料(琥珀、石英、微晶玻璃)，依据 电场畸变，选择保护极尺寸，及均压环保 护设计。
自由空气电离室由高压极、收集极、保护 极、保护环、光阑和屏蔽外壳组成，收集 极嵌装在保护极体中间的凹槽内，由琥珀 螺钉固定；保护条系统由18圈硬铝矩形环 组成；限制光阑由钨合金组成，成份为 89%的钨、7%的镍和4%的铜。 基准系统空气比释动能的绝对测量使用自 由空气电离室。
自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、 保护环、光阑和屏蔽外壳组成，其中有效测量 体积和收集区如图所示。e1为电子损失修正， p2为散射光子，e2为散射光子修正
低能X射线自由空气电离室外观
中能X射线自由空气电离室外观
3.空气减弱实验方案讨论
空气减弱实验即自由空气电离室空气吸收改正项 的测量 1 .Attix方法 Attix方法及就是“全吸收”方法，把一空径较小 的光阑固定放置在焦斑和自由空气电离室之间某 一位置，把摘去光阑的电离室先在焦斑1m远处测 量电离电流，然后在辐射场条件不变的条件下把 自由空气电离室向焦斑方向移近，移动的距离等 于该自由空气电离室空气吸收路径长度，再次测 量电离电流。
控制抽真空的程度，使得抽走的空气的质量厚 度恰好等于自由空气电离室空气吸收路径上的 空气质量厚度，抽空前后由薄壁空腔电离室测 得电离电流的比值恰好反映了自由空气电离室 对这一射线束空气吸收改正项的大小。由于薄 壁空腔电离室灵敏度较自由空气电离室高得多， 因此实验得出了更精确的结果。
3 .抽空自由空气电离室入射光栏与焦斑之 间的空气 该方法即就是用自由空气电离室本身作为 测量仪器，抽空自由空气电离室入射光栏 与焦斑之间的空气。
离子的收集和电压电流曲线 气体探测器是利用收集辐射在气体中的 电离电荷来探测辐射的探测器，也就是离子 的收集器，通常由高压极和收集极组成。 设入射带电粒子在探测器的灵敏体积(两 极间的有效空间)内形成N0个离子对(初电离)， 收集的离子对数N与外加电压V的关系如下 图所示。
工作区域
输出信号
用途
气体探测器包括了电离室、正比计数器 和G-M计数管（如下图），他们均以气体为 探测介质，在结构上也有相似之处。其中 因为电离室具有很好的能量响应被广泛应 用到X射线的测量中，尤其在辐射场半值层 的测量中选用电流电离室和累计电离室 。
气体探测器
电离室
电流电离室
脉冲电离室
自由空气电离室
充气式或流气电离室
电离能： 带电粒子在气体中产生一对离子所需要 的平均能量w称为电离能。 电离电位： 使原子发生电离所需的能量称为电离能， 也称电离电位，以电子伏特为单位 ，对于光 子，空气分子的电离电位为33.73+-0.15eV。 总电离N与入射粒子能量E0成正比关系 N= E0/ w 这也就是有总电离的测量来确定粒子能量的 根据。
总结
在不太高的管电压值和每分钟几R （1R=2.58×10-4C/kg）的较高照射量率下， 三种方法得到的实验结果相当一致。 在较低的照射量率之下，第二种方法由于其 较高的测量精度而获得了更可信的数据。当 射线束能量较低时，穿透空气层的厚度对射 线质会产生显著的影响。
实验要求：被限定尺寸的射束全部进入自由 空气电离室而未受到除了空气以外的任何物 体或者自由空气电离室本身不见得遮挡或阻 断。 在实验室大气压力，温度都不变，自由空气 电离室在两个位置上测得的电离电流的比值 就反映了它在该射线质之下的空气吸收改正 项的大小。
该测量方法所得改正项与X射线束在铜中的 半值层厚度的对数有很好的线性关系，在对 射线质进行调整以及建立更高或者更低能量 的新的射线束时，空气吸收改正项是在Attix 试验区线上内插和外推求出的。 但该试验方法在测量重过滤X射线束时遇到 了一些问题，比如重过滤X射线束给出的信 号电流较弱，而自由空气电离室测量本底电 流时实验精度不够。
电离室
饱和区
Ee h W C0
计数及测量入射粒 子能量 计数及测量入射粒 子能量
正比计 数器
正比区
Ee h A W C0
形成正离子鞘， 与入射粒子能量 无关。
计数管
G-M工 作区
仅用作计数
电离室结构介绍： 电离室的典型结构有平板型和圆柱型。均 包括： 高压极(K)：正高压或负高压； 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于 与地接近的电位； 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相 同的电位； 负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。 详情如下图
电子和离子在电离室中的运动 在气体中，电离后生成的电子和离子除了与 做热运动的气体分子碰撞而杂乱运动外，还有 两种定向运动。 离子的漂移： 离子由于外加电场的加速作用沿电场方向 漂移，在一定范围内（E/P ≦ 0.03Vcm-1pa-1）, 稳定状态下的离子漂移速度 W=µ· E/P µ称为离子的迁移率，与气体的性质有关。 E/P又称为约化场强。
2 .抽空系统配合灵敏度较高的薄壁空腔电 离室测量空气吸收改正项 该方法解决了自由空气电离室本身无法实 现重过滤X射线束的低照射量率下精确测定 空气吸收改正项的困难。
在测量自由空气电离室对重重过滤X射线束的 空气吸收改正项时采用了A-5型壁厚0.8mm空 气等效塑料薄壁空腔电离室作为测量仪器，在 焦斑与薄壁空腔电离室之间放了一个聚酯膜 (7mg/cm2)密封、可以抽真空的管子、管子的 内镜足够大，经过准值的X射线束的主影和半 影区小于管子的内径。经实验验证在不太低的 光子能量下，管子和聚酯膜的存在不会导致射 线束的明显变化。
电子的漂移： 电子的漂移速度与约化场强不成正比。 电子的漂移速度一般比离子的大103倍， 因为电子的平均自由程比离子的大 数倍，而 质量有比离子的小很多。 电子的漂移速度对组成气体的成分非诚敏 感。 电子和离子的扩散： 电子和离子因为空间密度不均匀而有密度 大的空间想密度小的空间扩散。
在室温下，粒子的漂移的平均距离Sw,扩散的 平均距离Sd Sw/Sd≈0.2×√(η/V) η为粒子杂乱运动能量与热运动能量的比值，V为 漂移路程两端的电位差。 离子扩散的影响比电子小许多倍，而单原 子分子中加入少量多原子分子可以降低η，减小 电子扩散的影响。
自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、保护 环、光阑和屏蔽外壳组成，其中有效测量体积和收 集区如图所示。
低能自由空气电离室结构示意图
高压极 F’ 保护条 F” 光阑 F e3 e2 F’ F F” e1
屏 蔽 箱
保护极
收集极
保护极
测量体积
收集区
收集极长度决定了测量体积的大小，因此， 在可能的范围内选择较大的收集极，有利 于增加测量电流，减少空气比释动能绝对 测量的不确定度。但收集极长度较短时， 电场的一致性较好。 高压极与收集极之间的距离称为极间距， 对于极间距的考虑主要是要大于次级电子 的射程，要求次级电子不能到达高压极和 收-保极（收集极和保护极在一个平面上）， 其能量全部沉积在空气中。
Q 1 W K air K a K s Ke K sc K d K p Kl K h v 1 g e
式中Q为自由空气电离室收集的电离电荷， ρ为空气密度，ν为电离室有效测量体积，g 为带电粒子的能量转化为轫致辐射的份额。 W为在空气中每形成一对离子所消耗的平均 K a K s K e K sc K d为复K h K p Kl 能量。e为基本电荷。 现空气比释动能单位时的各项修正。
电离室的原理 电离： 入射带电粒子通过气体时，由于与气体分 子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下 来，碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在 粒子通过的路径上生成大量的离子对（电子和 正离子）。 该电离过程包括入射粒子直接与气体分子 碰撞引起的电离（初电离）以及由碰撞打出的 高速电子所引起的电离（次电离），总称为总 电离。 粒子在单位路程上产生的离子对数称为比 电离。
正比计数器
盖戈-米勒计数管
各种形式的电离室
平行板电离室 圆柱形电离室 球形电离室 空气壁电离室 电容式电离室 屏栅（福里斯）电离室 外推电离室 空气等效电离室 自由空气电离室 布拉格-格雷空腔电离室等等如下图
2 自由空气电离室原理介绍
自由空气电离室是一种与大气相通的电离室， 主要用于照射量和空气比释动能的绝对测量， 用作标准电离室，设计中要精确确定作为计 算依据的空气的体积，而且辐射束和所产生 的大部分次级电子都打不到收集电极上。
4.高压极与收集-保护极间距。综合考虑电 子电离损失和散射光子的额外电离贡献， 并合理配置极化电压，使电离室工作在良 好的饱和状态。 5.限束光阑(89%W、7%Ni、4% Cu)钨合金， 精密加工保证直径测量0.5um。 6.电离室箱体屏蔽杂散辐射和电磁干扰，前 面板减少辐射穿透，采用铅-铜-铁-铝复合 板。 7.整体设计逐层考虑：收集极，收集极-保 护极组件，高压极与收集极-保护级结构， 均压保护环结构，箱体的结构设计关系和 设计要求。
平行板几何结构在极板空间内产生的电场线 是垂直于极板的，X射线与有效测量体积内空 气相互作用产生的电离电荷被收集，入射X射 线是准直的，以便将X射线限制在远离电离室 电极的区域，使得在灵敏体积内产生的次级 电子不能到达高压极和收集-保护极。
根据空气比释动能定义的公式：
dEtr K dm
采用自由空气电离室绝对测量空气比释动 能Ka时，复现的原理表达式为：
李 兵 2011.09.22
一、 主要内容
1.电离室的原理和结构等介绍 2.自由空气电离室原理介绍
3.空气减弱实验方案讨论
1 电离室原理及结构介绍
电离室原理介绍： 气体探测器是利用收集辐射射线与气体 相互作用产生的电离电荷来探测辐射的探 测器。通常是由高压电极和收集电极组成, 电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电荷在收集极积累，在输出回路中形 成电离电流 ，以电流的大小反应辐射射线 的能量和强度。
自由空气电离室电离电流在10-7～10-11安 培量级，采用汤逊补偿法实现弱电流的精 密测量。
设计原则:作为基准中空气比释动能绝对测
量的自由空气电离室在设计时需要注意以 下几点： 1.具有电场保护的平行平板结构，保证精确 的电荷收集电场。精密加工准直的限束光 阑，确定测量体积。 2.尽量减少电离电荷收集过程复合损失；引 出通路具有足够的绝缘电阻，以减少漏电 流损失。 3.收集-保护极为一体结构。收集极支撑为 高绝缘材料(琥珀、石英、微晶玻璃)，依据 电场畸变，选择保护极尺寸，及均压环保 护设计。
自由空气电离室由高压极、收集极、保护 极、保护环、光阑和屏蔽外壳组成，收集 极嵌装在保护极体中间的凹槽内，由琥珀 螺钉固定；保护条系统由18圈硬铝矩形环 组成；限制光阑由钨合金组成，成份为 89%的钨、7%的镍和4%的铜。 基准系统空气比释动能的绝对测量使用自 由空气电离室。
自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、 保护环、光阑和屏蔽外壳组成，其中有效测量 体积和收集区如图所示。e1为电子损失修正， p2为散射光子，e2为散射光子修正
低能X射线自由空气电离室外观
中能X射线自由空气电离室外观
3.空气减弱实验方案讨论
空气减弱实验即自由空气电离室空气吸收改正项 的测量 1 .Attix方法 Attix方法及就是“全吸收”方法，把一空径较小 的光阑固定放置在焦斑和自由空气电离室之间某 一位置，把摘去光阑的电离室先在焦斑1m远处测 量电离电流，然后在辐射场条件不变的条件下把 自由空气电离室向焦斑方向移近，移动的距离等 于该自由空气电离室空气吸收路径长度，再次测 量电离电流。
控制抽真空的程度，使得抽走的空气的质量厚 度恰好等于自由空气电离室空气吸收路径上的 空气质量厚度，抽空前后由薄壁空腔电离室测 得电离电流的比值恰好反映了自由空气电离室 对这一射线束空气吸收改正项的大小。由于薄 壁空腔电离室灵敏度较自由空气电离室高得多， 因此实验得出了更精确的结果。
3 .抽空自由空气电离室入射光栏与焦斑之 间的空气 该方法即就是用自由空气电离室本身作为 测量仪器，抽空自由空气电离室入射光栏 与焦斑之间的空气。
离子的收集和电压电流曲线 气体探测器是利用收集辐射在气体中的 电离电荷来探测辐射的探测器，也就是离子 的收集器，通常由高压极和收集极组成。 设入射带电粒子在探测器的灵敏体积(两 极间的有效空间)内形成N0个离子对(初电离)， 收集的离子对数N与外加电压V的关系如下 图所示。
工作区域
输出信号
用途
气体探测器包括了电离室、正比计数器 和G-M计数管（如下图），他们均以气体为 探测介质，在结构上也有相似之处。其中 因为电离室具有很好的能量响应被广泛应 用到X射线的测量中，尤其在辐射场半值层 的测量中选用电流电离室和累计电离室 。
气体探测器
电离室
电流电离室
脉冲电离室
自由空气电离室
充气式或流气电离室
电离能： 带电粒子在气体中产生一对离子所需要 的平均能量w称为电离能。 电离电位： 使原子发生电离所需的能量称为电离能， 也称电离电位，以电子伏特为单位 ，对于光 子，空气分子的电离电位为33.73+-0.15eV。 总电离N与入射粒子能量E0成正比关系 N= E0/ w 这也就是有总电离的测量来确定粒子能量的 根据。
总结
在不太高的管电压值和每分钟几R （1R=2.58×10-4C/kg）的较高照射量率下， 三种方法得到的实验结果相当一致。 在较低的照射量率之下，第二种方法由于其 较高的测量精度而获得了更可信的数据。当 射线束能量较低时，穿透空气层的厚度对射 线质会产生显著的影响。
实验要求：被限定尺寸的射束全部进入自由 空气电离室而未受到除了空气以外的任何物 体或者自由空气电离室本身不见得遮挡或阻 断。 在实验室大气压力，温度都不变，自由空气 电离室在两个位置上测得的电离电流的比值 就反映了它在该射线质之下的空气吸收改正 项的大小。
该测量方法所得改正项与X射线束在铜中的 半值层厚度的对数有很好的线性关系，在对 射线质进行调整以及建立更高或者更低能量 的新的射线束时，空气吸收改正项是在Attix 试验区线上内插和外推求出的。 但该试验方法在测量重过滤X射线束时遇到 了一些问题，比如重过滤X射线束给出的信 号电流较弱，而自由空气电离室测量本底电 流时实验精度不够。
电离室
饱和区
Ee h W C0
计数及测量入射粒 子能量 计数及测量入射粒 子能量
正比计 数器
正比区
Ee h A W C0
形成正离子鞘， 与入射粒子能量 无关。
计数管
G-M工 作区
仅用作计数
电离室结构介绍： 电离室的典型结构有平板型和圆柱型。均 包括： 高压极(K)：正高压或负高压； 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于 与地接近的电位； 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相 同的电位； 负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。 详情如下图
电子和离子在电离室中的运动 在气体中，电离后生成的电子和离子除了与 做热运动的气体分子碰撞而杂乱运动外，还有 两种定向运动。 离子的漂移： 离子由于外加电场的加速作用沿电场方向 漂移，在一定范围内（E/P ≦ 0.03Vcm-1pa-1）, 稳定状态下的离子漂移速度 W=µ· E/P µ称为离子的迁移率，与气体的性质有关。 E/P又称为约化场强。
2 .抽空系统配合灵敏度较高的薄壁空腔电 离室测量空气吸收改正项 该方法解决了自由空气电离室本身无法实 现重过滤X射线束的低照射量率下精确测定 空气吸收改正项的困难。
在测量自由空气电离室对重重过滤X射线束的 空气吸收改正项时采用了A-5型壁厚0.8mm空 气等效塑料薄壁空腔电离室作为测量仪器，在 焦斑与薄壁空腔电离室之间放了一个聚酯膜 (7mg/cm2)密封、可以抽真空的管子、管子的 内镜足够大，经过准值的X射线束的主影和半 影区小于管子的内径。经实验验证在不太低的 光子能量下，管子和聚酯膜的存在不会导致射 线束的明显变化。
电子的漂移： 电子的漂移速度与约化场强不成正比。 电子的漂移速度一般比离子的大103倍， 因为电子的平均自由程比离子的大 数倍，而 质量有比离子的小很多。 电子的漂移速度对组成气体的成分非诚敏 感。 电子和离子的扩散： 电子和离子因为空间密度不均匀而有密度 大的空间想密度小的空间扩散。
在室温下，粒子的漂移的平均距离Sw,扩散的 平均距离Sd Sw/Sd≈0.2×√(η/V) η为粒子杂乱运动能量与热运动能量的比值，V为 漂移路程两端的电位差。 离子扩散的影响比电子小许多倍，而单原 子分子中加入少量多原子分子可以降低η，减小 电子扩散的影响。
自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、保护 环、光阑和屏蔽外壳组成，其中有效测量体积和收 集区如图所示。
低能自由空气电离室结构示意图
高压极 F’ 保护条 F” 光阑 F e3 e2 F’ F F” e1
屏 蔽 箱
保护极
收集极
保护极
测量体积
收集区
收集极长度决定了测量体积的大小，因此， 在可能的范围内选择较大的收集极，有利 于增加测量电流，减少空气比释动能绝对 测量的不确定度。但收集极长度较短时， 电场的一致性较好。 高压极与收集极之间的距离称为极间距， 对于极间距的考虑主要是要大于次级电子 的射程，要求次级电子不能到达高压极和 收-保极（收集极和保护极在一个平面上）， 其能量全部沉积在空气中。
Q 1 W K air K a K s Ke K sc K d K p Kl K h v 1 g e
式中Q为自由空气电离室收集的电离电荷， ρ为空气密度，ν为电离室有效测量体积，g 为带电粒子的能量转化为轫致辐射的份额。 W为在空气中每形成一对离子所消耗的平均 K a K s K e K sc K d为复K h K p Kl 能量。e为基本电荷。 现空气比释动能单位时的各项修正。
电离室的原理 电离： 入射带电粒子通过气体时，由于与气体分 子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下 来，碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在 粒子通过的路径上生成大量的离子对（电子和 正离子）。 该电离过程包括入射粒子直接与气体分子 碰撞引起的电离（初电离）以及由碰撞打出的 高速电子所引起的电离（次电离），总称为总 电离。 粒子在单位路程上产生的离子对数称为比 电离。
正比计数器
盖戈-米勒计数管
各种形式的电离室
平行板电离室 圆柱形电离室 球形电离室 空气壁电离室 电容式电离室 屏栅（福里斯）电离室 外推电离室 空气等效电离室 自由空气电离室 布拉格-格雷空腔电离室等等如下图
2 自由空气电离室原理介绍
自由空气电离室是一种与大气相通的电离室， 主要用于照射量和空气比释动能的绝对测量， 用作标准电离室，设计中要精确确定作为计 算依据的空气的体积，而且辐射束和所产生 的大部分次级电子都打不到收集电极上。
4.高压极与收集-保护极间距。综合考虑电 子电离损失和散射光子的额外电离贡献， 并合理配置极化电压，使电离室工作在良 好的饱和状态。 5.限束光阑(89%W、7%Ni、4% Cu)钨合金， 精密加工保证直径测量0.5um。 6.电离室箱体屏蔽杂散辐射和电磁干扰，前 面板减少辐射穿透，采用铅-铜-铁-铝复合 板。 7.整体设计逐层考虑：收集极，收集极-保 护极组件，高压极与收集极-保护级结构， 均压保护环结构，箱体的结构设计关系和 设计要求。
平行板几何结构在极板空间内产生的电场线 是垂直于极板的，X射线与有效测量体积内空 气相互作用产生的电离电荷被收集，入射X射 线是准直的，以便将X射线限制在远离电离室 电极的区域，使得在灵敏体积内产生的次级 电子不能到达高压极和收集-保护极。
根据空气比释动能定义的公式：
dEtr K dm
采用自由空气电离室绝对测量空气比释动 能Ka时，复现的原理表达式为：