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透射电离室作为低能质子束流监测器的研究与应用

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　第４５卷第４期原子能科学技术Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．４

　２０１１年４月Ａｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｒ．２０１１

透射电离室作为低能质子束流监测器的研究与应用

陈义珍，林　敏，陈克胜，徐利军，夏　文，王　风，宋敏娜（中国原子能科学研究院，北京　１０２４１３）

摘要：为有效监测低能质子的束流强度，研制了一种透射型电离室，用于ＨＩ－１３串列加速器上低能质子束流的监测。研究了它的基本计量学性能，结果表明，各项性能均满足工作级电离室的要求。与传统的侧向束流监测用金硅面垒探测器测量结果相比，基于同向测量的透射电离室作为监测探测器明显优于金硅面垒探测器，提高了测量结果的准确度。关键词：透射电离室；质子束流；监测

收稿日期：２０１０－０２－０８；修回日期：２０１０－０４－２３

作者简介：陈义珍（１９８２—），女，湖北咸宁人，研究实习员，硕士，仪器分析专业

中图分类号：Ｒ１４４．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－６９３１（２０１１）０４－０４９５－０５

Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒｆｏｒ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｒｏｔｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ

ＣＨＥＮ　Ｙｉ－ｚｈｅｎ，ＬＩＮ　Ｍｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｋｅ－ｓｈｅｎｇ，ＸＵ　Ｌｉ－ｊｕｎ，ＸＩＡ　Ｗｅｎ，ＷＡＮＧ　Ｆｅｎｇ，ＳＯＮＧ　Ｍｉｎ－ｎａ（Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２４１３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｏｆ　ｐｒｏｔｏｎ　ｂｅａｍｓ　ｏｎｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ＨＩ－１３ｔａｎｄｅｍ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ．Ｉｔｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆｒｏｕｔｉｎｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　Ａｕ－Ｓｉ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｈｅｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ　ｏｔｈｅｒ　ｄｏｓｉｍｅｔｒｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ；ｐｒｏｔｏｎ　ｂｅａｍｓ；ｍｏｎｉｔｏｒ

透射电离室常用于在线监测电子直线加速器的输出剂量率或累积剂量［１］，或监测过滤Ｘ射线参考辐射装置中Ｘ射线管的输出量［２－３］，并为后端探测器测量提供监测和控制信号。透射电离室主要针对在介质中质量碰撞阻止本领较小、能损可忽略不计、不影响后端测量的辐射，如Ｘ射线、光子、高能电子束等。另外，透射电离室也被应用于无损探伤电子直线加速器束流监测，是加速器的一重要组成部分。而对于重带电粒子，尤其是低能质子，由于在金膜、有机材料介质中的能损太大，因此，带窗透射电离室在低能质子辐照时不宜作为监测电离室。对于低能质子束辐照，国内往往利用放置于侧向管道的金硅面垒探测系统在线监测束流经散射后的变化情况。但侧向束流监测的前提是束斑的位置和面积保持不变，这样才能保持各位置处的比例关系不变，从而保证侧向监测所得束流大小的变化准确反映出其它位置的束流变化情况。但从实验情况看，质子束斑在ＨＩ－１３串列加速器的束流强度几到几百ｎＡ变化范围内仍不稳定，经常出现位置偏移的情况，且束斑形状即面积也存在一定的变化，致使束流经散射膜散射后由侧向金硅面垒探测系统监测的结果不能反映其他位置的束流变化情况。因此，利用金硅面垒侧向监测束流变化不能为电离室测量结果的准确性提供保障，这也证明了实验过程中对电离室所在位置处的实时束流监测是非常必要的。本工作在实验中自行设计并加工１套基于同向测量的透射电离室，将其置于标准电离室前对质子束流进行在线监测，使其能完全反映质子辐照标准电离室时的束流变化情况，为后端标准电离室的准确测量提供依据。

１　

透射电离室的设计

１．１　

原理

透射电离室就其结构而言，实际是一种平板电离室。当辐射穿过电离室灵敏体积中的气体时，与室内气体分子或原子作用而产生大量电子和正离子，正负粒子在电场作用下，分别向电离室的收集极和高压极运动，到达收集极的离子电荷通过信号电缆送到静电计及数据获取系统，并显示在数据获取系统的面板上。１．２　

结构

本工作设计的透射电离室主要由电极、工作气体和绝缘体３部分组成［４－５］。电极由收集电极和高压电极两部分构成，两极板间充有空气。电极之间用绝缘体隔开，避免漏电流发生。由于电离室工作在饱和区，无气体放大作用，因此，电离室输出信号微弱，故采用性能良好的绝缘体，即绝缘电阻在１０１６Ω以上的有机玻璃材料，其具有较好的耐辐照性能和良好的防潮特性，可保证输出信号的可靠性。电离室的参数为：灵敏体积，０．５３ｃｍ３；极间距，３ｍｍ；收集极直径，１５ｍｍ；极

板材料，金膜；极板质量厚度，５．８ｍｇ／ｃｍ２；绝缘材料，有机玻璃。图１为透射电离室结构示意图。

２　

软件模拟

２．１　

电场模拟

在电离室设计中，灵敏体积区域内的电场均

图１　透射电离室结构Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ

匀性对电离室性能具有重要影响。为检验该透射电离室设计的合理性及极板间电场的均匀性，使用Ａｎｓｏｆｔ磁场分析软件模拟了３００Ｖ电压下两极板间的电场分布情况，图２所示为模拟结果。由图２可知，电离室在两极板间的电势线在电极边缘有一定畸变，但在灵敏区内分布均匀。

图２　电离室的等势线分布Ｆｉｇ．２　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ

２．２　ＳＲＩＭ程序计算低能质子在金膜、有机材料介质中的能损太大，带窗透射电离室一般不宜在低能质子辐照时作为监测电离室。本工作设计的透射电离室用于１０～４０ＭｅＶ质子束流监测，利用ＳＲＩＭ程序，输入质子能量为１０ＭｅＶ，描述透

射电离室各部分几何参数及物理参数，模拟计算１０ＭｅＶ质子穿过电离室后能量损失情况，对５×１０４个粒子进行统计，记录每个粒子的历史过程，得到平均能量损失为２．８０％，小于５％。当能量大于１０ＭｅＶ时，质子穿过透射电离室的能损会更小。因此，当质子束能量在１０ＭｅＶ以上时，透射电离室既可监测前端质子束流，又不影响后端探测器的测量。电场及能损模拟计算结果表明，透射电离室作为监督电离室满足实验要求。

３　

透射电离室性能

鉴于串列加速器上束流难以达到稳定状

６９４原子能科学技术 第４５卷态，直接测量的结果可能不足以说明透射电离室性能，因此，依据国际电工委员会（ＩＥＣ）标准和应用要求［６］，本工作首先在稳态的β参考辐射场中对透射电离室的各项性能进行研究，考察其基本计量学性能是否满足要求，然后在串列加速器上补充验证其漏电、饱和特性、重复性和辐照漏电等各项性能指标［７－８］。３．１　β参考辐射源中透射电离室性能β参考辐射源（９０Ｓｒ－９０　Ｙｒβ源）标称活度为５．４８×１０８　Ｂｑ，窗口直径４ｍｍ。用ＥＪ－３５６型动电容静电计及Ｋｅｉｔｈｌｅｙ　１３８型数字多用表测量透射电离室输出电荷。实验结果如下。１）辐照前漏电β辐射源关闭，电离室在无辐照情况下，测得的漏电流为１．５×１０－１５　Ａ。相当于额定最小有效剂量率产生电离电流的０．０２％，好于次级标准电离室０．５％的要求。２）饱和特性实际电流电离室其饱和区内的电离电流仍随电压升高而略为增大，表现为当工作电压超过起始电压Ｖａ时，电流由零迅速增大；工作电压继续升高时，电流随电压仅略增大，并有一明显坪区，即“饱和区”，在饱和区内有一定的斜率，称“坪斜”（单位为％／Ｖ）。造成坪斜的两个主要原因为：（１）电压升高时，电极边缘的电场增强，使实际的灵敏体积扩大；（２）由于负电性气体杂质的存在，消除负离子和正离子的复合需更强的电场，而饱和区的场强仍不足以消除这类复合，只是随电压的图３　电离室伏－安特性曲线Ｆｉｇ．３　Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｆｏｒ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ增高，复合率可逐渐减小。在稳态β源照射下，测量不同时间电离电流随工作电压的变化曲线，根据测量结果，对得到的最小电流值归一（图３），在电压约－５０Ｖ时开始进入坪区，４次坪斜结果分别为：２００８．１１．２０，０．０８％／Ｖ；２００８．１１．２４－１，０．０７％／Ｖ；２００８．１１．２４－２，０．１０％／Ｖ；２００８．１１．２５，０．０８％／Ｖ。可知，４次伏－安特性曲线测量结果的坪斜均不超过０．１％／Ｖ

。

３）重复性

透射电离室重复性实验在中国原子能科学研究院β参考辐射场中距源２０ｍｍ处进行，连续测量１０次，每次间隔２０ｓ，１０次测量读数分别为：１０．８１×１０－１２、１０．８０×１０－１２、１０．７７×

１０－１２、１０．７９×１０－１２、１０．７８×１０－１２、１０．７９×１０－１２、１０．７７×１０－１２、１０．７６×１０－１２、１０．７７×１０－１２、１０．７３×１０－１２　Ａ，其相对标准差为

０．２１％。

β参考辐射场中的实验结果显示，该透射电离室的测量重复性好于０．５％，满足监测电离室的要求。４）辐照后漏电

在β参考辐射场中照射电离室一段时间，将电压调至－２００Ｖ，关闭快门，在照射停止后的３ｍｉｎ内测量漏电流，测量结果列于表１

。

结果表明，透射电离室辐照后漏电好于０．１％

。

表１　电离室辐照后漏电流测量结果Ｔａｂｌｅ　１　Ｌｅａｋａｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｏｒ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒａｆｔｅｒ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ

测量编号１０１４漏电流／Ａ变差极限／％

１　５．９２　０．５５２　３．４０　０．４６３　３．４０　０．４６４　４．５７　０．６６

注：变差极限是漏电流相对于最小吸收剂量率产生的电离电流的百分率

在稳态的β参考辐射场中对透射电离室的各项性能进行研究，结果表明，其各项基本计量学性能满足电离室要求。３．２　

质子束中透射电离室性能

１）实验装置

北京师范大学ＧＩＣ－４１１７型２×１．７ＭｅＶ

串列加速器，质子能量３ＭｅＶ，束流强度１５ｎＡ；中国原子能科学研究院ＨＩ－１３串列加速器，质子能量１０ＭｅＶ，束流强度１０．８ｎＡ；信号测量系统，Ｋｅｉｔｈｌｅｙ　６４００亚ｆＡ源表连接透

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加速器、重离子束及其应用-近代物理研究所

加速器、重离子束及其应用-近代物理研究所


核 物 理 实 验
裂变现象的发 开始超（铀）重 热核物质性质(状态方程)， 现及应用 元素合成 素105—118合成
人工合成放射 新反应机制(深 超形变核(预言核形状的多样性) 性核素 部非弹，大质量 奇异核结构—晕结构， 新的衰变模 转移)高自旋 式
107号同位素264,265,266Bh的合成
宇宙射线的来源： • 银河宇宙射线－数百MeV-GeV高 能质子α粒子少量重离子； • 太阳宇宙射线－数百MeV高能质 子； • 范· 阿伦辐射带－数MeV的质子
辐射对航天器的危害 • 充放电效应 • 总剂量效应 • 单粒子效应－翻转，锁定，烧毁
高能离子
宇航元器件单粒子效应试验基地
近物所已与几十家航天单位、半导 体厂家、相关研究所和高校开展合作研 究；2010年，单粒子效应试验的束流时 间达770小时，占总供束时间1/6，2010 年用户提出了2500多小时的束流申请。
国防重大专项
利用HIRFL装置为我国 新一代卫星关键器件的选 用提供了重要参考依据。
束流需求
LET≥75 MeV·cm2/mg， >1000小时/年
国内只有HIRFL满足
LET<75 MeV· 2/mg， >1000小时/年 cm
航天—宇宙射线对宇航员的危害
造血系统，生殖系统，神经系统； 细胞变异，致癌作用，诱发白内障， 重离子辐照的地面模拟，找出预防措施！ 重离子辐射生物学研究
重离子束的特点
• • • •
高能量的载体—MeV/nGeV/n； 脉冲窄，可调性好—几纳秒几十纳秒； 重复频率高(10Hz)，重复性好—10-4 整体转换效率高—电能离子能量(感应加速）
可以用于惯性约束聚变！
环境和经济性能的考虑
高能粒子探测技术的研究和应用

高能粒子探测技术的研究和应用

高能粒子探测技术的研究和应用第一章：引言高能粒子探测技术是研究物质结构和性质，了解宇宙起源与演化，探索新物理，新现象的重要手段之一。

本文将从高能粒子探测技术的概述开始，阐述其研究意义和应用前景，然后介绍多种高能粒子探测器的工作原理和特点，最后概述其在天体物理、核物理、粒子物理等领域的应用。

第二章：高能粒子探测技术的概述高能粒子探测技术研究面向的是宇宙中的高能粒子，包括宇宙射线、太阳辐射、暗物质粒子等。

这些粒子因为具有高能量、高强度和复杂的物理性质，是研究宇宙学、粒子物理和核物理等领域的基本对象。

因此，高能粒子探测技术的发展与创新在这些领域中具有十分重要的意义。

高能粒子探测技术主要应用于以下几个方面:1. 研究宇宙射线宇宙射线是从太空飞来的一种高能粒子，其中包括质子、氦离子、碳离子等等。

它们的来源和形成机制、宇宙线的演化历史以及对宇宙的影响是探测技术研究的热点内容。

2. 研究暗物质暗物质粒子是由未知物质构成的宇宙物质，与可见宇宙相互作用微弱，因此难以直接测量。

高能粒子探测器可以探测到暗物质的粒子产生的信号，从而研究暗物质的性质。

3. 研究核物理高能粒子在物质中的相互作用过程中，对原子核产生不同的作用，产生多种次级粒子。

高能粒子探测技术可以从这些次级粒子中获取关于核物理的信息，并用于核物理实验研究。

4. 研究基础粒子物理高能粒子探测器可以探测高能粒子的性质，解决粒子的基本问题。

例如，底夸克的发现、夸克对偶理论、弱相互作用、CP对称性的破坏等目前都是利用高能粒子探测技术进行研究的。

第三章：高能粒子探测器的工作原理和特点1. 电离室电离室是一种可以探测较高能量粒子的探测器，由一个带电极和一个感应电极构成。

高能粒子入射后在电离室中发生电离作用，带电粒子与气体的分子碰撞后释放电子，电离的电子会经过电子准静态场漂移到感应电极上形成一个电荷信号。

通过反演分析电荷信号的时间和形状，可以确定高能粒子的入射位置。

2. 闪烁体探测器闪烁体探测器是利用闪烁效应原理建造的高能粒子探测器。

放射物理学

放射物理学


光子能量在图（a）点释放出次级电子的 损失，即光子的能量转移，以比释动能来 度量；沿径迹（b）的损失，即光子的能 量被介质所吸收，以吸收剂量来度量 从上述论述中可以看出，比释动能和吸收 剂量显然在概念上是两个完全不同的物理 量，前者是 入射光于在作用点（a）处释 放给次级电子的 总动能，后者为次级电 子沿其径迹（b）释放给介质的能量。
半导体剂量仪
半导体剂量仪使用的探测器实际上是一种特殊的 PN型二级管。界面两边很小的PN结区域里形成 静电场和电位差。类似于空气电离室灵敏体积中 的情况，两个导电电极之间存在有绝缘层（PN 型中的阻挡层）。当探测器受到电离辐射照射时， 会产生新的载流子（电子和空穴对），在电场作 用下，它们很快分离并分别被“拉”到正极和负 极，形成脉冲信号。因此有的学者将半导体探测 器 称为“固体电离室
同体积的半导体探测器，要比空气电离室 的灵敏度高18000倍左右。这样的半导体 探头可以做得 非常小(0.3—0.7mm3)，除 常规用于测量剂量梯 度比较大的区域， 如剂量建成区、半影区的剂量分布和用于 小野剂量分布的测量外，近十年来，半导 体探测器越来越被广泛用于患者治疗过程 中的剂量监测
放射物理学有关的名词
射线质（Radiation quality）：电离辐射穿 透物质的本领 放射源（Source）：放射源前表面的中心， X射线靶面中心，电子束出射窗或散射箔 的位置 射野中心轴（Beam axis）：射线束的中 心对称轴，临床上一般用放射源穿过照射 野中心的连线作为射野中心轴
模体（Phantom）：用于模拟射线在人体 组织或器官中因散射和吸收所引起的变化， 即模拟射线与人体组织相互作用的物理过 程。分为标准模体（Standard phantom）， 均匀模体（Homogeneous phantom）， 人体模体（Human phantom）和组织填充 模体（Bolus）
核物理学的发展历程与技术应用

核物理学的发展历程与技术应用

核物理学的发展历程与技术应用林增祥（南京工业大学制药与生命科学学院，江苏南京，210009）摘要：本篇主要阐述了核物理学的概念、发展历程及其应用等，尤其是对核物理学与现代经济的社会的互动关系作了深入的分析。

核物理与核技术是当今世界最有生命力、发展最迅速、影响力最大、成果最多的学科之一。

随着各国政府和科研机构的大力支持和关注，核技术在21世纪将会得到更大的发展。

关键词：核技术应用；核物理；现状；发展趋势一，引言1896年贝克勒尔发现铀的天然放射性,从此诞生了一门新的科学:原子核科学技术。

1919年卢瑟福利用天然α射线轰击各种原子,确立了原子的核结构,随后又首次用人工方法实现了核反应。

但是用天然射线源能够研究的核反应很有限,人们开始寻找一种可以产生具有不同能量的各种粒子束的装置,于是粒子加速器应运而生。

同时,为了探测各种射线和核反应的产物,还需要有辨别粒子种类和能量的探测器及相应的电子学设备。

在研究核物理的过程中人们发现,放射性一方面可能造成人体的伤害,另一方面它也可以在医学,工农业和其它方面有许多应用。

于是相应地,辐射防护技术与射线应用技术也发展起来。

此外,核物理的研究还导致了许多放射性核素的发现。

它们的半衰期长至数千万年,短至不足1秒。

在不同场合下选择适当的放射性核素,可以做示踪剂,测年工具或药物使用。

这就是放射性核素技术(或称为同位素技术)。

上述粒子加速器技术,核探测技术与核电子学,射线和粒子束技术,放射性核素技术等,通常统称为核技术[1]。

概括而言,核技术就是利用放射性现象,物质(包括荷能粒子)和规律探索自然,造福人类的一门学科,其主要内容是研究射线,荷能粒子束和放射性核素的产生,与物质相互作用,探测和各种应用的技术。

核科学与核技术在二十世纪取得了辉煌的成就。

近年来虽然生物、信息等学科成为大家关注的焦点，但核科学仍然保持着旺盛的生命力。

当前核科学与核技术发展的特点是：一方面探索物质深层次结构的努力在放射性核束物理、核天体物理、粒子物理等领域继续深入地发展，另一方面各种核技术，如加速器技术、核探测技术、核分析技术、核成像技术、核辐照技术、新型辐射光源技术、同位素技术、核能技术与核武器技术等均得到了迅速的发展并在农业、人口与健康、能源、环境、信息、材料、国家安全等领域以及生命科学、地球科学、凝聚态物理、考古学等多种学科的基础研究中得到了日益广泛的应用。