高压气体电离室中离子漂移速度研究.pdf

中国核科学技术进展报告（第一卷） 核技术工业应用分卷 Progress Report on China Nuclear Science Technology （Vol.1 ） 2009 年11 月 高压气体电离室中离子漂移速度的研究 王立强，郑 健，王振涛 （清华大学核能与新能源技术研究院，北京 102201 ） 摘要：气体电离室是用来测量电离辐射的一种探测器，其响应时间是由离子收集时间决定的，在外文文献中给出了 测量离子漂移速度的方法和实验数据，但它都是在比较低的气压下测量的，论文提出了一种在高气压下测量离子漂 移速度的方法，介绍了其实验装置和测量过程，并进行了理论分析和推导，这对改善电离室的时间响应性、优化电 离室结构设计具有重要的基础研究意义。 关键词：电离室；时间响应速度；离子漂移速度 电离室是用来测量电离辐射的一种探测器，它在工业核测量系统、反应堆控制、数字辐射成像 等应用核技术领域都得到了广泛使用。在测量过程中，要求电离室能够及时反映辐射强度的变化， 要具有一定的时间响应速度，而电离室的响应时间是由离子收集时间决定的，离子收集时间又和电 离室的结构和工作条件密切相关。在数字辐射成像检测系统中，高压气体电离室成功地应用在集装 箱检测系统当中[1-2] ，但随着检测速度的提高，对电离室的时间响应速度也要求要越来越快，否则就 会使得相邻采集信号之间产生干扰，影响检测图像的清晰度。在文献[3–6]中给出了测量离子漂移速 度的方法和实验数据，但它都是在比较低的气压下测量的，在高气压情况下如何测量离子漂移速度 还没有查到相关文献报道。因此研究测量提高高压气体电离室中离子漂移速度，这对优化电离室结 构设计、改善电离室的时间响应性能具有非常重要的研究意义。 在查阅的国外文献中给出了测量离子漂移速度的方法的共同特点是脉冲光源通过石英玻璃窗入 射到金属电极上，产生光电子，光电子在通过电子倍增器（Gas Electron Multiplier，GEM ）时，产 生大量正负离子对，然后通过测量离子在电场作用下漂移到收集极产生的离子脉冲信号的时间与脉 冲光源的时间延迟来确定离子漂移速度。如图1 所示： 图1 离子产生和收集过程示意图 作者简介：王立强（1970—），男，河北省卢龙县人，副研究员，硕士，核电子学与探测技术专业 329 文献[3]中给出了氙离子在0.125～1atm 氙气中迁移率的实验数据；在低气压下用于产生光电子 的脉冲光源需要通过透明石英玻璃窗射入到电离室内部金属电极上产生光电子，在 1atm 左右气体压 力下，石英玻璃窗通过压封可以直接与电离室组合在一起，但在高气压情况下，石英玻璃窗很难与 电离室外壳金属密封；另外在低气压下电子倍增器通过将电子加速，然后高速电子与气体分子或原 子碰撞电离激发，就可以产生大量正负离子对，但在同样电场条件下高气压时电子倍增器不容易将 电子加速导致与气体分子或原子碰撞电离激发，如果大大提高电场强度可能导致GEM 绝缘层击穿。 由此可见在低气压下测量离子漂移速度的方法不适合在高气压条件下测量。 本论文提出了一种研究测量高压气体电离室中离子漂移速度的方法，用X 射线管产生的射线通 过旋转准直器后在电离室内产生大量离子脉冲信号，通过变积分时间的电流积分放大器测量信号变 化过程，进而推导出离子漂移速度。 1 离子漂移速度测量系统组成 由于X 或γ射线可以在气体电离室内产生电子、离子对，因此采用X 光机作为离子脉冲信号源。 离子漂移速度测量系统示意图如图2 所示，首先将X 光管射线经过前准直器准直成片状束，然后通 过旋转快门将射线束变成周期开、关信号，最后再通过后准直器准直进入高压气体电离室，这样就 在探测器内部可以产生周期的射线束流信号，进而在电离室灵敏体积内产生周期的大量电子、离子 对脉冲信号。但这样产生的离子脉冲信号中离子产生的位置不是固定的，这样的离子脉冲信号对测 量离子漂移时间带来了一定难度，而用电子倍增器产生的离子位置是固定的，仅仅局限在电子倍增 器厚度范围内，一般几十个微米，因此对于每个离子脉冲的收集时间是一致的。为此，提出利用电 流积分放大器采用变积分