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Kr、Xe高压气体电离室时间特性研究

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第４０卷增刊　

２００６年９月　原子能科　

Ａｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　学　技　术　

ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４０，Ｓｕｐｐ１．　

Ｓｅｐ．２００６　

Ｋｒ、Ｘｅ　．－．＿Ｉ－　口　同　压气体电离室时间特性研究　

谈春明，邬海峰，卿上玉，王立强　

（清华大学核能与新能源技术研究院，北京　１０００８４）　

摘要：对充氪、氙气体的高压电离室的时间响应特性进行理论分析和推导，分别对这２种气体及其混合　

气体电离室在射线入射后的脉冲上升时间进行测量。测量结果与理论计算值吻合。由此验证了此类电　

离室响应时间可达到１０　ｍｓ以下，满足成像要求。　关键词：充气电离室；时间响应；氪气；氙气　中图分类号：ＴＩ　８１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００　６９３１（２００６）ＳＯ一０１３９—０３　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｔｉｍｅ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　

ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｇａｓ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒ　ｏｆ　Ｋｒｙｐｔｏｎ　ａｎｄ　Ｘｅｎｏｎ　

ＴＡＮ　Ｃｈｕｎ—ｍｉｎｇ，ＷＵ　Ｈａｉ—ｆｅｎｇ，ＱＩＮＧ　Ｓｈａｎｇ—ｙｕ，ＷＡＮＧ　Ｌｉ—ｑｉａｎｇ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｋｒ　ａｎｄ　Ｘｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇａｓ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｉｎ—　

ｂｅｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｐｕｌｓｅ　ｒｉｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｆｏｒ　

ｔｈｒｅｅ　ｇａｓ—ｆｉｌｌｅｄ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒｓ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｅｑｕａｌ　ｔｏ　

ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ．Ｔｈｅ　ｒｉｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１０　ｍｓ　ｆｏｒ　ｔｈｉＳ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　

ａｃｈｉｅｖｅｄ，ＳＯ　ｔｈｉｓ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ—ｆｉｌｌｅｄ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ；ｔｉｍｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｋｒｙｐｔｏｎ；ｘｅｎｏｎ　

高压充气电离室型阵列探测器应用于集装　

箱检测已获得了成功＿ｊ］。与加速器Ｘ射线源　

相比，　。Ｃｏ源７成像系统的检测射线强度较　

低，以至对电离室气体的探测灵敏度要求更高。　

在惰性气体中，Ｋｒ、Ｘｅ原子序数大，其能量阻　

止本领较高。一般充入几十个大气压Ｋｒ或Ｘｅ　

的电离室可有较好的灵敏度和饱和特性。这类　

电离室的时间特性，即从射线入射进电离室灵　

敏体积到输出电流达到最大值的响应时间可由　

实验测量。由于气体的正离子漂移速度远小于　电子漂移速度，正离子的漂移对响应时间起决　

定作用。　

１理论分析与计算　

实验用电离室的电极为平行板状，极　

离ｄ为２　ｍｍ，极间电压在１　０００　Ｖ以下。　

得响应时间，可采用简化模型＿２　进行推导　

体中离子迁移率可表示为：　

＋一　。　

其中：　为离子迁移率、Ｍ为离子质量、ｅ　

收稿日期：２００６—０５—３１；修回日期：２００６—０７—０１　作者简介：谈春明（１９７３一），男，湖北鄂卅１人，高级工程师，博士，核技术应用专业　间距　

为求　

虚　

（１）　

为基　维普资讯 http://www.cqvip.com １４０　原子能科学技术　第４Ｏ卷　

本电荷、　。为单位气压下离子的自由程、　为乱　

运动平均速度。　

由式（１），通过查获惰性气体Ａｒ的正离子　

迁移率可估算Ｋｒ和Ｘｅ的相应值。对惰性气　

体可作如下假设：　

１）气体原子半径与质量数立方根Ａ　。成　

正比，由于惰性气体在实验条件下可近似为理　

想气体，则　。与Ａ　成反比；　

２）气体原子平均动能为３ｋＴ／２，忌为玻尔　

兹曼常数，Ｔ为绝对温度，当温度相同时，其动　

量Ｍ　正比于Ａ　。　

在上述假设条件下，Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ　３种气体的　

正离子迁移率反比于Ａ　邝・Ａ“　。由此可得：　

Ｘ一　０　（２）　ａ４Ｇ－￣　

这样，已知Ａｒ的离子迁移率　，由式（２）　

可得到Ｋｒ或Ｘｅ的相应值　。　

另外，有：　

㈦　

ｔ　一　（４）　

式中：／，Ｌ　为漂移速度。电场强度Ｅ、气压　相　

同时，响应时间ｔ　正比于Ａ　邝，有：　

。／Ａ¨　。ｌ　）　（５）　

查得Ａｒ的正离子迁移率为１．３７　ｃｍ　・　

ｓ－。・Ｖ＿¨。设极间电压为１　０００　Ｖ，气压为４８　

个标准大气压。已知ｄ为２　ｍｍ。算得“　为　

１４２．７　ｃｍ／ｓ，ｔ　为１．４０　ｍｓ。对于Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ，　

原子质量数分别为３９．９４、８３．８０、ｌ３１．３０。由　

此可得出，充Ｋｒ气时，ｔ　约为３．３２　ｍｓ；充Ｘｅ　

气时，ｔ　约为５．６１　ｍｓ。　２实验装置与结果　

实验装置如图１所示，扇面８等分，共　

４组，开启和遮挡交替旋转。１．８５×１０“Ｂｑ　

”Ａｍ源的检测射线经准直器和旋转的扇叶后　

进入电离室的灵敏体积，产生的电流信号由前　

放放大后输入至示波器。由于扇叶旋转时一开　

一闭，在示波器上产生交替上升、下降的脉冲信　

号。扇叶转速可调，最大为ｌ　３８０　ｒ・ｍｉｎ，开　

启和关闭时间相等，最小为５．４　ｍｓ，实验调为　

２Ｏ　ｍｓ左右时可观测到合适的脉冲波形。理想　

情况下，信号上升下降时间相等，且代表电离室　

中正离子从收集极到负的高压极漂移所花费的　

时间。分别对充４８个标准大气压下的Ｋｒ气、　

Ｘｅ气及Ｋｒ和Ｘｅ的混合气体（分子个数中Ｋｒ　

占８０　、Ｘｅ占２０　）测量其时间特性，所得结　

果列于表１。　

＼Ｉ，口　ｍ，Ｏ　百，Ｉ、　ｌ　Ｉ　

源　准直器　扇１１　ｒ　电离室Ｉｊ｛『置放大器示波器　

图１实验装置示意图　

Ｆｉｇ．１　Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　

由表１中数据可以看出，当电离室极间电　

压较大时，响应时间可在１０　ｍｓ以下。Ｋｒ与　

Ｘｅ混合气体的响应时间处在两者之间，因为所　

充氪气比例更大，其结果也靠近充氪气的情况。　

对ｔ　一１／　采用拟合公式ｔ　一ｂ・１　０００／Ｖ４－ｎ　

进行拟合，３种气体条件下的拟合参数分别为：　

充Ｋｒ气时，ｎ一０．８７，６—２．６０，ｒ一０．９９８；充Ｘｅ　

气时，ｎ一０．６１，６—４．８１，ｒ一０．９９７；充混合气体　

时，ａ一０．７２，ｂ一２．７９，ｒ一０．９９４。拟合参数ｒ为　

表ｌ　３种气体中的电压与响应时间ｔ　关系　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｒｉｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｔ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｇａｓ　

２００　

４００　

６００　

８００　

１

　Ｏ００　维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊　谈春明等：Ｋｒ、Ｘｅ高压气体电离室时间特性研究　１４１　

相关系数，其数值接近１则拟合结果接近于直　

线。ａ是电压　趋向无穷大时对应的响应时间　

ｔ　，代表扇叶边线扫过射线束的时间，其大小受　

准直器线宽和扇叶转速的影响。实验中，准直　

器线宽为１　ｃｍ，扇叶半径为４０　ｃｍ，弧长３０　ｃｍ，　

实验条件下脉冲顶宽为１５～３０　ｍｓ，对时间的　

影响为０．５～１．０　ｍｓ。此值为拟合结果中截距　

ａ值的大小。　

根据拟合结果，极间电压取１　０００　Ｖ时，　

Ｋｒ、Ｘｅ的相应时间分别为３．４７、５．４２　ｍｓ。从　

示波器上读取的时间值误差为±１　ｍｓ，拟合后　

上述结果的误差为±０．５　ｍｓ，这一结果与实验　

前估计值相符合。　

３　结论　

Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ　３种气体原子结构相似，它们经　

辐射电离产生的正离子在电场作用下遵循相同　

的规律。经简单推导，可从Ａｒ的气体漂移特　

性得到Ｋｒ和Ｘｅ的相应值。特别的，在较高压　力（５０标准大气压左右）下，这种关系依然存　

在，其气体中正离子的漂移运动仍然能用文中　

的近似公式推导。理论和实验表明，采用充　

Ｋｒ、Ｘｅ或其混合气体的高压气体电离室，其响　

应时间都不难做到１０　ｍｓ以下。这对于数字辐　

射成像用阵列探测器已可适用。考虑到Ｋｒ、Ｘｅ　

电离室探测灵敏度的显著提高，这类电离室的　

应用前景将十分广阔。　

参考文献：　

［１］安继刚，邬海峰，卿上玉．大型客体ｘ或　辐射　

成像阵列探测器的研制［Ｊ］．清华大学学报（自然　科学版），１９９４，３４（３）：５６—６２．　

ＡＮ　Ｊｉｇａｎｇ，ＷＵ　Ｈａｉｆｅｎｇ，ＱＩＮＧ　Ｓｈａｎｇｙｕ．Ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｘ　ｏｒ　ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ　ａｒ—　

ｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｆｏｒ　ｌａｒｇｅ　ｏｂｊｅｃｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　

Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），　

１　９９４，３４（３）：５６—６２（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［２］安继刚．电离辐射探测器［Ｍ］．北京：原子能出　

版社，１９９５：６７—６９．

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2.1-冉绍尔效应

2.1-冉绍尔效应

实验 冉绍尔—汤森德效应

一、引言

1921年德国物理学家冉绍尔（C. Ramsaüer）在研究低能电子的平均自由程时发现：在惰性气体中，当电子能量降到几个电子伏时，气体原子核电子弹性碰撞的散射截面Q（它与平均自由程成反比）迅速减小；当电子能量约为1电子伏时，Q出现极小值，而且接近零。如果继续减小电子能量，则Q迅速增大，这说明弹性散射截面与电子能量密切相关。

1922年英国物理学家汤森德（. Townsend）把电子能量进一步降低，用另外的方法研究随电子速度变化的情况，亦发现类似的现象。随后，冉绍尔用实验证实了汤森德的结果。后来，把气体原子的弹性散射截面在低能区与碰撞电子能量密切相关的现象称为冉绍尔—汤森德效应。 冉绍尔—汤森德效应在当时无法解释，因为经典的气体分子运动把电子看作质点，把气体原子看作刚性小球，它们之间碰撞的散射截面仅决定于原子的尺寸，而与电子的运动速度无关。只有德布罗意波粒二象性假设和量子力学建立后，这种效应才得到圆满的理论解释。因此，冉绍尔—汤森德效应称为量子力学理论极好的实验佐证。

图1是Xe，Kr，Ar三种惰性气体的冉绍尔曲线。因为电子速度与加速电压V的平方根成正比，故横坐标用V表示，纵坐标为散射截面Q，采用原子单位。由此可见，结构相近的物质，其冉绍尔曲线的形状相似。

二、实验目的

1. 通过测量氙原子与低能电子的弹性散射几率，考察弹性散射截面与电子能量的关系，了解有关原子势场的信息。

2. 学习研究低能电子与气体弹性散射所采用的实验方法。

三、实验原理 1. 冉绍尔—汤森德效应的理论描述

在量子力学中，碰撞现象也称为散射现象。离子的碰撞过程有弹性碰撞和非弹性碰撞两大类。

在弹性碰撞过程中，粒子A以波矢k（mE2k）沿Z方向入射到靶粒子B（即散射中心）上，受B粒子作用偏离原方向而散射，散射程度可用总散射截面Q表示。

讨论粒子受中心力场弹性散射的情况。取散射中心为坐标原点；设入射粒子与散射中心之间的相互作用势能为U(r)。当r→∞时，U

超高压输电线路局部放电检测技术研究

超高压输电线路局部放电检测技术研究

超高压输电线路局部放电检测技术研究

随着经济的发展和人口的增长，电力需求不断增加。超高压输电线路的建设成为解决能源供给问题的重要措施。然而，随着超高压输电线路的不断推广，局部放电问题日益突出，给电网安全带来巨大风险。因此，超高压输电线路局部放电检测技术研究显得尤为重要。

1. 物理原理

局部放电是指介质中存在着电极间气体间隙，当电场强度超过气体击穿场强度时，空气等物质中的电离层激发放电现象。超高压输电线路中出现局部放电问题，是随着电压上升，介质受到电场强度伏时会发生自身的气体电离现象，形成放电。

2. 检测手段

传统的检测方法是基于人工观察，如敲击声和气体中的异味等现象，但这种方法的可靠性较低，且需人力资源过于庞大。近年来，随着科技进步，多种方便有效的局部放电检测技术被引入超高压输电线路：

（1） 无损检测法：利用高频信号探头或电磁式传感器进行电场、电流、电压等参数的检测，从而判断是否存在局部放电问题。

（2） 光学检测法：利用激光光源、CCD摄像仪等设备，实现图像化检测。

（3） 声学检测法：利用接收装置收集局部放电产生的声学信号，从而判断是否存在问题。

3. 技术优势

超高压输电线路局部放电检测技术随着技术的发展，已经取得了诸多进展，具备以下优势： （1） 检测效率高：相对传统的人工检测方式，无损检测法、光学检测法、声学检测法等技术均具有快速、准确、自动化、多功能的特点。

（2） 检测精度高：利用高精度的传感器设备和高分辨率的图像采集系统，可以实现难以观察到的小尺度缺陷的检测。

（3） 技术成熟度高：多数国家和地区均已建立了完善的超高压输电线路局部放电检测技术标准和规范体系，技术成熟度较高。

4. 发展趋势

超高压输电线路局部放电检测技术的发展趋势主要体现在以下几方面：

（1） 多种技术相结合：将多种局部放电检测技术有机结合，加强设备的准确性和稳定性，提高检测效率和精度。

（2） 工程实践应用：开展超高压输电线路局部放电检测技术的工程实践应用，通过实际检测，总结经验，不断完善技术标准和规范体系。

高真空电离规

高真空电离规

1 高真空电离规（High Vacuum Ionization Gauge）是一种用于测量真空度的仪器，常用于实验室、工业和科研领域中。

高真空电离规的工作原理是利用气体在高真空条件下的电离现象。它由一个电离室和一个电子收集极组成。当气体分子进入电离室时，通过加热丝或电子束等方法将其中的气体分子电离产生正离子和自由电子。正离子受到电场力的作用被吸引至电子收集极，而自由电子则被加速并引起电流流动。

通过测量电离室中的电流大小，可以推断出气体分子的密度和真空度。一般来说，气体分子的密度与电流呈正相关关系。因此，当电流增大时，说明真空度较低；反之，当电流减小时，说明真空度较高。

高真空电离规具有灵敏度高、测量范围广、响应时间快等优点。然而，它也存在一些局限性，比如对于不同气体的响应不同，需要校准修正；同时，在极低真空条件下可能无法提供准确的测量结果。

总之，高真空电离规是一种常用于测量真空度的仪器，通过测量电离室中的电流来推断气体分子的密度和真空度。它在科研、工业和实验室等领域中具有重要的应用价值。

电离室的概念及其工作原理

电离室的概念及其工作原理

电离室的概念及其⼯作原理

电离室的概念及其⼯作原理

严循东 2022年2⽉11⽇

电离室是⼀种探测电离辐射的⽓体探测器。

⽓体探测器的原理是，当探测器受到射线照射时，射线与⽓体中的分⼦作⽤，产⽣由⼀个电⼦和⼀个正离⼦组成的离⼦

对。这些离⼦向周围区域⾃由扩散。扩散过程中，电⼦和正离⼦可以复合重新形成中性分⼦。但是，若在构成⽓体探测器的收

集极和⾼压极上加直流的极化电压V，形成电场，那么电⼦和正离⼦就会分别被拉向正负两极，并被收集。随着极化电压V逐

渐增加，⽓体探测器的⼯作状态就会从复合区、饱和区、正⽐区、有限正⽐区、盖⾰区(G - M区)⼀直变化到连续放电区。

所谓电离室即⼯作在饱和区的⽓体探测器，因⽽饱和区⼜称电离室区。在该区内，如果选择了适当的极化电压，复合效应

便可忽略，也没有碰撞放⼤产⽣，此时可认为射线产⽣的初始离⼦对N0恰好全部被收集，形成电离电流。该电离电流正⽐

于N0，因⽽正⽐于射线强度。加速器的监测探测器⼀般均采⽤电离室。标准剂量计也⽤电离室作为测量元件。电离室的电流

可以⽤⼀台灵敏度很⾼的静电计测量。

不难看出，电离室主要由收集极和⾼压极组成，收集极和⾼压极之间是⽓体。与其他⽓体探测器不同的是，电离室⼀般以

⼀个⼤⽓压左右的空⽓为灵敏体积，该部分可以与外界完全连通，也可以处于封闭状态。其周围是由导电的空⽓等效材料或组

织等效材料构成的电极，中⼼是收集电极，⼆极间加⼀定的极化电压形成电场。为了使收集到的电离离⼦全部形成电离电流，

减少漏电损失，在收集极和⾼压极之间需要增加保护极。

当X射线、γ射线照射电离室，光⼦与电离室材料发⽣相互作⽤，主要在电离室室壁产⽣次级电⼦。次级电⼦使电离室内

的空⽓电离，电离离⼦在电场的作⽤下向收集极运动，到达收集极的离⼦被收集，形成电离电流信号输出给测量单元。