外推電離室關鍵參數測量方法的研究

杭仲斌，田麗霞，宋明哲，王紅玉，劉川鳳，唐偉偉

（1.東華理工大學，江西 南昌 330013; 2.中國原子能科學研究院 計量校準與技術重點實驗室，北京 102488）

0 引 言

隨著核能的不斷發展和核技術的廣泛應用，在核燃料的加工和處理、反應堆核島的檢修、核醫學等工作過程中，會產生大量的β輻射，如果只監測強貫穿性輻射而忽略了弱貫穿性輻射，很可能損傷工作人員的皮膚或產生更嚴重的損傷。在這些場所，β射線的監測必不可少，所以β射線相關劑量儀器的量值傳遞至關重要。

β參考輻射場劑量測量所使用的儀器為外推電離室[1]。外推電離室由兩個平行的電極、入射窗和可移動收集極組成，通過調整尾部的千分尺來改變極板間距。入射窗作為高壓極由導電材料制成，要求足夠薄以不過分衰減β輻射，同時又需要足夠厚以不會被收集極靜電吸引而變形。收集極周圍有保護極，保證收集極與高壓極之間電場均勻。外推電離室的主要參數為漏電流、飽和曲線、離子收集效率、外推曲線以及電離室零點和有效收集面積[2]。

漏電流、飽和曲線和離子收集效率是外推電離室能否正常工作的重要性能參數，然而很多相關文獻中并沒有提及。而有效收集面積和外推曲線斜率是推算外推電離室吸收劑量率的重要參數。所以，采用科學的實驗方法來確定這5個參數的值是必要的。實驗中，使用測量電荷的方法確定電離電流值，這樣可以很大程度上減少測量誤差。本次研究可以為外推電離室的關鍵性能參數測量提供一定的參考。

在國際上，IAEA和IEC等組織針對外推電離室制定了相關參數要求；在國內，相關標準如GJB 2217A—2018《β劑量參考輻射檢定規程》也對外推電離室相關參數提出要求。測量外推電離室的相關參數并與國際和國內標準對比，確定電離室是否滿足正常測量的要求十分重要。

選用PTW23392型外推電離室、BSS-2型β射線次級標準裝置和KEITHLEY 6517B型靜電計，利用靜電計對外推電離室內到達收集極的離子信號進行收集[3]。通過實驗測量結合理論計算得出外推電離室的部分關鍵參數，為β射線相關劑量儀器的量值傳遞提供支持，可以更好地解決β射線在各大領域中的量值傳遞問題。

1 實驗裝置結構

1.1 外推電離室

實驗所用的電離室為PTW23392型外推電離室。其主要部件的幾何結構如圖1所示，主要性能參數如表1所示。性能參數來自PTW23392型外推電離室說明書。

圖1 PTW23392型外推電離室主要部件幾何結構

表1 PTW23392型外推電離室主要性能參數

實驗中，溫度、濕度、氣壓均為實時記錄，確保其數值在適用范圍內且變化幅度對實驗結果的影響可以忽略不計。

1.2 β射線次級標準裝置

實驗所用的β射線次級標準裝置是isotrak公司的BSS-2裝置。這套裝置的優點是：輻照程序由個人電腦控制；電腦存儲有關輻照源的校正數據；操作簡單，安全。該套裝置配套的β放射源為90Sr/90Y、85Kr和147Pm，這些放射源的初始劑量率由PTW測量，可直接溯源到組織中的輻射劑量的初級標準。表2為β放射源的主要參數。

表2 β放射源的主要參數

由于147Pm放射源的劑量率值較小，導致測量時間過長，所以本次實驗使用的是劑量率較大的90Sr/90Y和85Kr放射源。

1.3 靜電計

實驗所用的靜電計為KEITHLEY 6517B型靜電計，可以直讀并保存電流、電壓、電荷等數據；可以直接給電離室加高壓。使用靜電計前，開機后按照要求將其預熱8 h。使用之前，先使用標準β源檢驗整個電流測量系統，檢驗其穩定性。經檢驗，此靜電計性能穩定。在實驗過程中，該靜電計連續供電，直至實驗結束。

2 參數測定

2.1 漏電流

漏電流是指電離室在沒有被照射的狀態下存在的電流[4]。由于測量幾何條件的影響或空間輻射的存在，致使外推電離室中產生漏電流，根據IEC 60731建議[5]，在10 min的輻照后5 s內，泄漏電流應降至輻照期間測得的電離電流的±0.5%。

經過測試，測得當電離室調整到最小極板間距時（0.5 mm），在輻照條件下產生的電離電流為44 pA，根據上述建議，得出漏電流應不能超過22 fA。

因為漏電流是一個相對不穩定的值，所以可以通過一段時間的累積電荷來得到這段時間內的平均電流。實驗中，對極板間距調整為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm時加相應的高壓，測量相等時間Δt 內的電荷量ΔQ，測量時間統一定為120 s，測量10次，根據下式得出對應的電流。對10組數取平均值，結果如圖2所示。

圖2 不同極板間距下漏電流的范圍

根據圖可知，在極板間距為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm時，外推電離室的漏電范圍為0.2～2.2 fA，遠遠小于最小極板間距下的22 fA，滿足IEC 60731建議。

2.2 飽和曲線

通過測量電離室的飽和曲線，可以確定電離室的正常工作電壓區域[6]和幫助計算離子收集效率[7]。

根據氣體探測器應在不同的工作區域工作可知[8]，外推電離室應在飽和區內工作。工作在該區域的探測器，由復合損失所引起粒子對的減少帶來的影響最小。由于該區域內產生的離子對被全部收集，所以電離電流大小決定于單位時間內產生的電離電荷數[9]。因此，測量電離室響應隨著電壓的變化對外推電離室非常重要。

使用90Sr/90Y和85Kr放射源（帶展平過濾），分別在極間距為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm下進行測量，得出在兩個放射源下外推電離室的飽和曲線，如圖3～圖4所示。

圖3 90Sr/90Y放射源的飽和曲線

圖4 85Kr放射源的飽和曲線

根據圖以及文獻[10-11]可以確認，此外推電離室電離電流是隨電壓的增加呈線性增加，然后緩慢增長，隨后達到恒定值，最后在一個電壓的范圍內保持穩定。這個穩定的區域。被稱之為飽和區，這種曲線被稱之為飽和曲線，或者是坪曲線。

在極板間距為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm時，工作電壓取5 V、10 V、15 V、20 V、25 V是在飽和區域之內的。且同一放射源下，極板間距越大，電離電流越大。同一極板間距下，劑量率值較大85Kr源下的電離電流比劑量率值較小的90Sr/90Y源下的電離電流大。

2.3 離子收集效率

電離室的離子收集效率是衡量電離室性能的一個重要指標。電離室工作原理是收集射線產生的初始離子對，形成電離電流。

離子收集效率由下式得出：

表3 兩種極性下90Sr/90Y和85Kr的離子收集效率

2.4 電離室零點和有效收集面積

電離室零點位置和有效收集面積作為外推電離室最基礎的設備參數，無論是在實際實驗或者利用軟件模擬電離室的時候，都需要知道這兩個量的精確值。

根據ISO 6980—2:2004[12]，可以通過電壓階躍法來實現電離室零點位置和有效面積的測量。根據文件要求，測量時實驗室溫度變化控制在0.1 ℃以內。

帶有保護環的平行板圓盤電極的電容由下式給出：

式中：εa——空氣的介電常數（電容率），8.859 78×10-2pF·cm-1；

a——收集電極幾何面積，cm2；

l——電離室極板間距，cm。

根據式（3）可以得出：

又因為：

圖5 外推電離室極板間距與等效電容倒數的關系圖

2.5 外推曲線

W——在空氣中產生一個離子對所需要的平均能量；

e——基本電荷；

a——收集極有效收集面積；

ρ0——在溫度為20 ℃和氣壓為101.325 kPa下的空氣密度；

Kbr——β源韌致輻射的修正因子；

Kba——組織與收集極保護環材料作為散射體方面差別的修正因子；

Kra——射線束徑向不均勻的修正因子；

Kwi——入射窗對于β射線的散射和阻止方面的修正因子；

B——外推曲線的斜率。

外推電離室的優點是可以改變極板間距，當電離室的電極逐漸接近而電極間距離逐漸縮短，其體積和電離電流也將減小。根據這一特性，可以得出外推曲線。所獲得的曲線由不同的測量值組成，極板間距取值為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm，測量時間為132 s。對每個腔室深度得電離電流進行6次測量，并取平均值。

圖6顯示了90Sr/90Y和85Kr這兩個放射源（帶展平過濾）下的外推曲線。在兩種情況下都能得到線性關系，且擬合度均高于0.998。其中90Sr/90Y放射源下外推電離室的外推曲線斜率為0.164 5，85Kr放射源下外推電離室的外推曲線斜率0.415 2。當實驗室濕度為45%時，根據式（6）可以計算出，90Sr/90Y和85Kr在距參考點30 cm處帶展平過濾時的吸收劑量率分別是26.99 mSv/h和68.13 mSv/h，已知初始吸收劑量率和半衰期，得出約定真值為29.14 mSv/h和 68.96 mSv/h，相對誤差為 7.3%和1.2%。由于計算中仍有不確定項的修正因子未考慮，此誤差范圍可以接受。

圖6 在90Sr/90Y和85Kr放射源下產生的β射線的外推曲線

3 結束語

實驗中，采用的均是電荷法測量電流值，這樣避免了由于電流波動和人為讀數所引起的誤差，又進行多次測量使得實驗結果更加可靠。實驗測量外推電離室漏電流、飽和曲線、離子收集效率、外推曲線和電離室零點位置和有效收集面積5個關鍵參數。其中，漏電流、飽和曲線和離子收集效率是外推電離室工作前必要的準備工作，然而很多文獻中并沒有提及。有效收集面積和外推曲線斜率是推算電離室吸收劑量率的重要參數，通過實驗得出有效收集面積和外推曲線斜率值，得到90Sr/90Y和85Kr吸收劑量率分別為26.99 mSv/h和68.13 mSv/h，與約定真值相對誤差在8%以內。實驗得出結論，PTW23393型外推電離室關鍵參數滿足β輻射吸收劑量測量的基本要求。實驗存在不足之處，由于時間問題，實驗未測量147Pm下外推電離室的各項參數。