外推电离室关键参数测量方法的研究

杭仲斌，田丽霞，宋明哲，王红玉，刘川凤，唐伟伟

（1.东华理工大学，江西 南昌 330013; 2.中国原子能科学研究院 计量校准与技术重点实验室，北京 102488）

0 引 言

随着核能的不断发展和核技术的广泛应用，在核燃料的加工和处理、反应堆核岛的检修、核医学等工作过程中，会产生大量的β辐射，如果只监测强贯穿性辐射而忽略了弱贯穿性辐射，很可能损伤工作人员的皮肤或产生更严重的损伤。在这些场所，β射线的监测必不可少，所以β射线相关剂量仪器的量值传递至关重要。

β参考辐射场剂量测量所使用的仪器为外推电离室[1]。外推电离室由两个平行的电极、入射窗和可移动收集极组成，通过调整尾部的千分尺来改变极板间距。入射窗作为高压极由导电材料制成，要求足够薄以不过分衰减β辐射，同时又需要足够厚以不会被收集极静电吸引而变形。收集极周围有保护极，保证收集极与高压极之间电场均匀。外推电离室的主要参数为漏电流、饱和曲线、离子收集效率、外推曲线以及电离室零点和有效收集面积[2]。

漏电流、饱和曲线和离子收集效率是外推电离室能否正常工作的重要性能参数，然而很多相关文献中并没有提及。而有效收集面积和外推曲线斜率是推算外推电离室吸收剂量率的重要参数。所以，采用科学的实验方法来确定这5个参数的值是必要的。实验中，使用测量电荷的方法确定电离电流值，这样可以很大程度上减少测量误差。本次研究可以为外推电离室的关键性能参数测量提供一定的参考。

在国际上，IAEA和IEC等组织针对外推电离室制定了相关参数要求；在国内，相关标准如GJB 2217A—2018《β剂量参考辐射检定规程》也对外推电离室相关参数提出要求。测量外推电离室的相关参数并与国际和国内标准对比，确定电离室是否满足正常测量的要求十分重要。

选用PTW23392型外推电离室、BSS-2型β射线次级标准装置和KEITHLEY 6517B型静电计，利用静电计对外推电离室内到达收集极的离子信号进行收集[3]。通过实验测量结合理论计算得出外推电离室的部分关键参数，为β射线相关剂量仪器的量值传递提供支持，可以更好地解决β射线在各大领域中的量值传递问题。

1 实验装置结构

1.1 外推电离室

实验所用的电离室为PTW23392型外推电离室。其主要部件的几何结构如图1所示，主要性能参数如表1所示。性能参数来自PTW23392型外推电离室说明书。

图1 PTW23392型外推电离室主要部件几何结构

表1 PTW23392型外推电离室主要性能参数

实验中，温度、湿度、气压均为实时记录，确保其数值在适用范围内且变化幅度对实验结果的影响可以忽略不计。

1.2 β射线次级标准装置

实验所用的β射线次级标准装置是isotrak公司的BSS-2装置。这套装置的优点是：辐照程序由个人电脑控制；电脑存储有关辐照源的校正数据；操作简单，安全。该套装置配套的β放射源为90Sr/90Y、85Kr和147Pm，这些放射源的初始剂量率由PTW测量，可直接溯源到组织中的辐射剂量的初级标准。表2为β放射源的主要参数。

表2 β放射源的主要参数

由于147Pm放射源的剂量率值较小，导致测量时间过长，所以本次实验使用的是剂量率较大的90Sr/90Y和85Kr放射源。

1.3 静电计

实验所用的静电计为KEITHLEY 6517B型静电计，可以直读并保存电流、电压、电荷等数据；可以直接给电离室加高压。使用静电计前，开机后按照要求将其预热8 h。使用之前，先使用标准β源检验整个电流测量系统，检验其稳定性。经检验，此静电计性能稳定。在实验过程中，该静电计连续供电，直至实验结束。

2 参数测定

2.1 漏电流

漏电流是指电离室在没有被照射的状态下存在的电流[4]。由于测量几何条件的影响或空间辐射的存在，致使外推电离室中产生漏电流，根据IEC 60731建议[5]，在10 min的辐照后5 s内，泄漏电流应降至辐照期间测得的电离电流的±0.5%。

经过测试，测得当电离室调整到最小极板间距时（0.5 mm），在辐照条件下产生的电离电流为44 pA，根据上述建议，得出漏电流应不能超过22 fA。

因为漏电流是一个相对不稳定的值，所以可以通过一段时间的累积电荷来得到这段时间内的平均电流。实验中，对极板间距调整为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm时加相应的高压，测量相等时间Δt 内的电荷量ΔQ，测量时间统一定为120 s，测量10次，根据下式得出对应的电流。对10组数取平均值，结果如图2所示。

图2 不同极板间距下漏电流的范围

根据图可知，在极板间距为0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm时，外推电离室的漏电范围为0.2～2.2 fA，远远小于最小极板间距下的22 fA，满足IEC 60731建议。

2.2 饱和曲线

通过测量电离室的饱和曲线，可以确定电离室的正常工作电压区域[6]和帮助计算离子收集效率[7]。

根据气体探测器应在不同的工作区域工作可知[8]，外推电离室应在饱和区内工作。工作在该区域的探测器，由复合损失所引起粒子对的减少带来的影响最小。由于该区域内产生的离子对被全部收集，所以电离电流大小决定于单位时间内产生的电离电荷数[9]。因此，测量电离室响应随着电压的变化对外推电离室非常重要。

使用90Sr/90Y和85Kr放射源（带展平过滤），分别在极间距为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm下进行测量，得出在两个放射源下外推电离室的饱和曲线，如图3～图4所示。

图3 90Sr/90Y放射源的饱和曲线

图4 85Kr放射源的饱和曲线

根据图以及文献[10-11]可以确认，此外推电离室电离电流是随电压的增加呈线性增加，然后缓慢增长，随后达到恒定值，最后在一个电压的范围内保持稳定。这个稳定的区域。被称之为饱和区，这种曲线被称之为饱和曲线，或者是坪曲线。

在极板间距为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm时，工作电压取5 V、10 V、15 V、20 V、25 V是在饱和区域之内的。且同一放射源下，极板间距越大，电离电流越大。同一极板间距下，剂量率值较大85Kr源下的电离电流比剂量率值较小的90Sr/90Y源下的电离电流大。

2.3 离子收集效率

电离室的离子收集效率是衡量电离室性能的一个重要指标。电离室工作原理是收集射线产生的初始离子对，形成电离电流。

离子收集效率由下式得出：

表3 两种极性下90Sr/90Y和85Kr的离子收集效率

2.4 电离室零点和有效收集面积

电离室零点位置和有效收集面积作为外推电离室最基础的设备参数，无论是在实际实验或者利用软件模拟电离室的时候，都需要知道这两个量的精确值。

根据ISO 6980—2:2004[12]，可以通过电压阶跃法来实现电离室零点位置和有效面积的测量。根据文件要求，测量时实验室温度变化控制在0.1 ℃以内。

带有保护环的平行板圆盘电极的电容由下式给出：

式中：εa——空气的介电常数（电容率），8.859 78×10-2pF·cm-1；

a——收集电极几何面积，cm2；

l——电离室极板间距，cm。

根据式（3）可以得出：

又因为：

图5 外推电离室极板间距与等效电容倒数的关系图

2.5 外推曲线

W——在空气中产生一个离子对所需要的平均能量；

e——基本电荷；

a——收集极有效收集面积；

ρ0——在温度为20 ℃和气压为101.325 kPa下的空气密度；

Kbr——β源韧致辐射的修正因子；

Kba——组织与收集极保护环材料作为散射体方面差别的修正因子；

Kra——射线束径向不均匀的修正因子；

Kwi——入射窗对于β射线的散射和阻止方面的修正因子；

B——外推曲线的斜率。

外推电离室的优点是可以改变极板间距，当电离室的电极逐渐接近而电极间距离逐渐缩短，其体积和电离电流也将减小。根据这一特性，可以得出外推曲线。所获得的曲线由不同的测量值组成，极板间距取值为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm，测量时间为132 s。对每个腔室深度得电离电流进行6次测量，并取平均值。

图6显示了90Sr/90Y和85Kr这两个放射源（带展平过滤）下的外推曲线。在两种情况下都能得到线性关系，且拟合度均高于0.998。其中90Sr/90Y放射源下外推电离室的外推曲线斜率为0.164 5，85Kr放射源下外推电离室的外推曲线斜率0.415 2。当实验室湿度为45%时，根据式（6）可以计算出，90Sr/90Y和85Kr在距参考点30 cm处带展平过滤时的吸收剂量率分别是26.99 mSv/h和68.13 mSv/h，已知初始吸收剂量率和半衰期，得出约定真值为29.14 mSv/h和 68.96 mSv/h，相对误差为 7.3%和1.2%。由于计算中仍有不确定项的修正因子未考虑，此误差范围可以接受。

图6 在90Sr/90Y和85Kr放射源下产生的β射线的外推曲线

3 结束语

实验中，采用的均是电荷法测量电流值，这样避免了由于电流波动和人为读数所引起的误差，又进行多次测量使得实验结果更加可靠。实验测量外推电离室漏电流、饱和曲线、离子收集效率、外推曲线和电离室零点位置和有效收集面积5个关键参数。其中，漏电流、饱和曲线和离子收集效率是外推电离室工作前必要的准备工作，然而很多文献中并没有提及。有效收集面积和外推曲线斜率是推算电离室吸收剂量率的重要参数，通过实验得出有效收集面积和外推曲线斜率值，得到90Sr/90Y和85Kr吸收剂量率分别为26.99 mSv/h和68.13 mSv/h，与约定真值相对误差在8%以内。实验得出结论，PTW23393型外推电离室关键参数满足β辐射吸收剂量测量的基本要求。实验存在不足之处，由于时间问题，实验未测量147Pm下外推电离室的各项参数。