专利名称：使用低电压优化的离子室检测高能量辐射的方法
技术领域：
本发明总体涉及高能量辐射监测和检测；更具体地，本发明涉及一种用于检测高能量辐射的离子室。
背景技术：
高能量电离辐射的检测器用于各种应用。这种检测器例如包括离子室、正比计数器、盖革-弥勒计数器和闪烁计数器。在这些检测器中，离子室通常在中子检测器中使用。 图1显示了用于中子检测的基本系统，所述基本系统包括靶室13、离子室14和电子设备。 快中子12由中子源11产生。这些快中子12与氢核在靶室13中相互作用，直到所述快中子的速度被降低到靶标的平均热速度为止。热(慢)中子从靶标13散射到离子室14。在典型的中子检测器中，离子室14填充有可以与热中子相互作用以产生离子的气体(例如，He-3)。当He-3原子吸收(俘获)热中子时，核反应发生，并且最终产物为快速移动的氚(HD和质子。这些快速移动的粒子移动通过气体，从而电离剩余的He-3原子中的一些原子并因此产生相等数量的正离子和负离子。当在离子室14中的电极15、16上施加电压时，在电极之间的空间中产生电场。离子响应所述电场移动，且正离子和负离子沿相反的方向被拉向每一个电极。离子最终在电极15和16处被中和，从而产生与转移到电极的离子的数量成正比的电流。转移到电极的离子的数量取决于所述离子的形成速率，并因此取决于中子通量。因此，通过离子室测量的离子电流可以用于推导中子通量的大小。电离检测器中的气体的离子电流-电压(I-V)特征曲线通常包括称作“饱和区域”或“平稳期(plateau)”的平坦区。图3示出了填充有He_3的离子室的离子I-V特征曲线的实例。如图3所示，在平稳区中，离子电流对施加到电极的电压不敏感。因此，有利的是在该区域内操作检测器，这是因为施加的电压中的任何噪声以最小方式被耦合到离子电流。平稳区的开始和结束时的精确电压取决于具体的室几何结构，但是对于采用He-3的典型的电离检测器来说，平稳期在大约IOV下开始。这些检测器在IOV以下的操作会导致噪声的增加和离子电流的降低，因此这种检测器需要高操作电压(在图3所示的实例中大于10V)。其它(较重)气体要求更高的电压以达到平稳期，通常为400V、600V。然而，通常，电离检测器中所采用的气体在其电流-电压特性中无须具有平稳期。 例如，He-3的相对不足导致使用诸如BF3的气体，BF3被公知为在其I-V特征曲线中不具有平稳期，如图4所示。然而，离子电流随着电压的增加而稳定增加。因此，与He-3电离检测器相比，基于BF3的电离检测器对噪声更加敏感。如与所有公知的电离检测器的情况一样，由电离辐射生成的离子电流非常小(大约I(T12A),从而使得很难准确地确定中子通量。另外，各种电子部件、电缆等中的温度和湿度变化可能会进一步降低测量的精度。在野外条件下情况甚至更糟糕，其中除了不期望的振动源之外，所述野外条件通常包括温度和湿度非常大的变化。此外，泄漏电流的不稳定性可能还会显著地降低重复测量的精度。泄漏电流是通过检测器系统的由于离子转移没有通过离子室14的电流。泄漏电流由于电缆、连接装置、部件中的寄生电流、放大器电路或其它部件的湿度污染、或多种其它因素而产生。因此，泄漏电流取决于高度复杂的温度函数、湿度、部件的老化和许多其它因素。因为离子室中的离子电流大约为10_12A或更小，因此泄漏电流可以为总测量电流的相当大的一部分，并且泄漏电流的任何变化都可能会明显地影响测量的精度。在上述和图1以及图5所示的装置中，离子室(或计数器)被保持在平衡高压 Vtl(即，恒定电压模式)下，使得所述离子室准备好检测高能量辐射的恒定通量(例如，图1 所示的用于检测中子通量的离子室)或高能量辐射的脉冲(例如，用于检测伽马射线的正比计数器或盖革-弥勒计数器)。另外，目前的室在脉冲高压模式下操作，其中在离子室中的电极上施加的电压脉动。即，离子室没有保持在平衡高压下。相反地，这些装置可以使用高压脉冲以监测或测量稳定状态下的中子通量或其它离子生成。仍然需要提供更加可靠并且精确的高能量辐射测量的离子室。
发明内容
一方面，这里公开的实施例涉及一种用于测量高能量辐射通量的方法，所述方法包括以下步骤将低电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过流体与高能量辐射相互作用形成离子；测量与由低电压引起的离子电流有关的离子电流信号；确定泄漏电流；确定增益；根据离子电流信号、增益和泄漏电流确定高能量辐射通量的大小； 以及输出高能量辐射通量的大小结果。另一方面，这里公开的实施例涉及一种用于测量高能量辐射通量的方法，所述方法包括以下步骤将低电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过流体与高能量辐射相互作用形成离子；测量与由低电压引起的离子电流有关的离子电流信号； 在电极上施加为负极性的低电压；测量与由为负极性的低电压引起的离子电流有关的负离子电流信号；根据正离子电流信号和负离子电流信号确定高能量辐射通量的大小；输出高能量辐射通量的大小结果；在电极上施加时变电压，使得离子室传导足够小而不会发生离子传输的电流；以及确定增益。另一方面，这里公开的实施例涉及一种用于测量高能量辐射通量的方法，所述方法包括以下步骤将第一电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过高能量辐射形成带电离子；测量与由第一电压引起的离子电流有关的离子电流信号；通过将第一电压降低到低电压确定最佳电压；测量与由最佳电压引起的离子电流有关的最佳离子电流信号；根据最佳离子电流信号、增益和泄漏电流确定高能量辐射通量的大小；以及输出高能量辐射通量的大小结果。另一方面，这里公开的实施例涉及一种用于测量高能量辐射通量的系统，包括离子室，所述离子室包括可通过高能量辐射通量电离的物质和设置在离子室中的两个电极； 和连接到两个电极的电路，其中所述电路被构造成将低电压提供给两个电极并测量两个电极间的电流，其中所述电路被构造成根据所述电流确定高能量辐射通量的大小。
图1显示中子检测系统；图2是显示离子电流与施加到高电压离子室的电压之间的关系的曲线图3是显示离子电流与施加到填充有He-3气体的高电压离子室的电压之间的关系的曲线图；图4是显示离子电流与施加到填充有BF3气体的高电压离子室的电压之间的关系的曲线图；图5显示了用于离子室的高压操作的电路；图6显示现有技术的填充有BF3并在1000V下操作的离子室的作为时间函数的离子电流的噪声和温度相关性；图7显示了用于根据本发明的一个实施例的离子室的低电压操作的电路；图8是显示根据本发明的一个实施例的离子电流与所施加的电压之间的关系的曲线图；图9显示了根据本发明的一个实施例的作为时间函数的离子电流的噪声和温度相关性；图10显示了根据本发明的一个实施例的在脉冲模式操作中作为时间函数的电压曲线；图11是显示根据本发明的一个实施例的用于检测高能量辐射的多种方法的流程图；图12显示了根据本发明的一个实施例的在脉冲模式操作中作为时间函数的电压曲线图；图13是显示根据本发明的一个实施例的一种用于检测高能量辐射的方法的流程图。
具体实施例方式本发明的实施例涉及用于测量高能量辐射的离子室。这里使用的“高能量辐射”表示中子、X射线、伽马射线、α-粒子和β粒子。为了清楚说明，以下说明使用用于中子检测的离子室作为实例；然而，本发明的实施例不受限于此。根据本发明的一个实施例的用于中子计数的离子室可以在脉冲模式下以低电压操作，和在连续模式下以低电压操作。根据国际电工技术委员会(IEC)，低电压电路为在50-1000V AC或120-1500V DC 的范围内操作的电路，而超低电压电路为在小于50V AC或120V DC的电压下操作的电路。 在本发明中，术语“低电压”被限定为包括可以落入在由IEC定义的“低电压”或“超低电压” 的范围内的电压。例如，在一些实施例中，低电压可以表示小于1000的任何电压，而在一些实施例中，低电压可以表示在大约5V至大约20V的范围内的电压。图1显示了用于中子检测的检测器系统10。如图所示，中子源11生成快中子12， 所述快中子的一小部分散射到靶室13中，所述靶室可以填充有含氢物质。“含氢物质”表示具有氢核的物质。中子源11不是检测器系统10的一部分。快中子12与氢核在靶室13中碰撞。具有类似于中子的质量的质量的氢核在使快中子减速时非常有效。由于与氢核的相互作用，快中子失去动能，并且变成慢(热)中子。热中子被散射到离子室14中。离子室 14典型地填充有气体，所述气体具有可以俘获热中子并在中子俘获之后进行核反应的核。 这种核包括硼(Β-10，例如，BF3)、锂(Li-6)、氦(He-3)、铀-233、铀-235和钚-239。在这些核中，He-3气体的优点在于具有大的热中子横截面(5330靶恩)，因此通常用在离子室中。以下说明使用He-3作为实例。然而，本领域的普通技术人员将认识到本发明的实施例不受限于此。事实上，本发明的实施例可以使用能够进行可以通过感兴趣的高能量辐射产生离子的离子传输的任何气体或其它介质。例如，本发明的一些实施例可以包括不会形成气态化合物的裂变同位素。在这种情况下，离子室14可以包括具有这种裂变物质的流体。要注意的是流体包括气体和液体。如图1所示，典型的离子室14包括两个电极15、16，所述两个电极可以包括一对平行板或任何其它适当的几何结构。通过电子模块17在电极15、16上施加电压。虽然示出了盒状离子室，但是本领域的普通技术人员将认识到可以使用各种结构的离子室。例如， 离子室可以为圆筒，且一个电极设置在所述圆筒的内表面上，而另一个电极放置在圆筒的轴线(中心)处。离子室14中的He-3气体通常用作绝缘体，因此电子模块17在两个电极 15,16之间不能检测到电流(除了小的泄漏电流之外)。当He-3原子吸收(俘获)热中子时，发生如下核反应
IHe + > — \H + \p⑴该核反应产生氚(H-3)和质子。He-3和H_3分别为氦和氢的同位素。该反应还释放大约764keV(即，Q值= 764keV)的能量，因此氚和质子以高动能产生。这些快速移动的粒子移动通过气体，从而电离剩余He-3原子中的一些原子，并因此产生相等数量的正离子和负离子。正离子和负离子用作气体中的电荷载流子，所述气体另外为绝缘体。当在离子室14中的电极15、16上施加电压时，在电极之间的空间中产生电场。离子响应该电场移动，且正离子和负离子在相反的方向上被拉向相对的电极。离子最终在电极15、16处被中和，从而产生与转移到电极的离子的数量成正比的离子电流。可以通过电子模块17测量这种离子电流。该离子电流的大小与转移到电极的离子的数量成正比。转移的离子的数量又与热中子通量成比例。因此，由电子模块17测量的离子电流可以用于推导通过离子室14的热中子通量的大小。理论上，可以使用图1所示的传统的离子室测量任何电流。然而，在实际应用中， 离子电流非常小，大约为微微安培(IO-12A)或更小，从而使得难以获得精确测量。另外，各种电子部件、电缆等中的温度和湿度漂移进一步降低测量的精度。此外，泄漏电流还可能会显著地降低重复测量的精度。泄漏电流为由于离子转移没有通过离子室14而是通过检测器系统的电流。泄漏电流可能由于电缆、连接装置、部件中的寄生电流、放大器电路或其它部件的湿度污染或许多其它因素生成。离子室中生成的正离子和负离子还可以碰撞然后重组以形成中性物质。这种重组抵抗到电极的离子传输，并因此减少离子电流的可测量大小。在没有在电极上施加电压的情况下，没有离子传输，并且正离子和负离子将最终重组。当在电极15、16上施加电压时， 正离子和负离子在相反方向上被拉动。如果在电极15、16上施加的电压较小，则正离子和负离子缓慢移动到电极，从而产生更多的重组。如果在电极15、16上施加的电压较大，则离子快速移动到电极，从而产生较少的重组。因此，施加到离子室的电压对可测量的离子电流的大小具有直接影响。图2显示了作为在用于检测器的填充有诸如He-3的气体的离子室中的两个电极上施加的电压(V)的函数的离子电流(I)。图2显示了在没有施加电势的情况下没有净电
7流。在这种条件下生成的正离子和负离子将由于重组而最终消失。当施加电势增加时，正离子和负离子更加迅速地分离。因此，重组减少，并且离子电流增加。在足够高的电势下， 重组将被减小到无意义的水平。在这种情况下，基本上形成的所有正离子和负离子都被扫掠到电极。增加施加电压不会进一步增加离子电流，这是因为由于中子俘获反应使测量的信号受限于电离过程。这种通常所说的“饱和区”对于被设计成精确地测量通过离子室的电离辐射的通量的离子室中的应用是有利的，这是因为施加电压的波动对测量的电离电流几乎没有影响。因此，在这种“饱和”区中，离子电流的大小与电离速率成正比(与施加电压无关)，所述电离速率进而与中子通量成比例。为了利用这种作用，大多数离子室在高电压下操作以确保装置在饱和区中操作。然而，可以用在用于中子分析器的离子室中的一些气体(例如，BF3)不具有这种饱和平坦区。相反，如图4所示，I-V特征曲线随着电压的增加而连续上升。因此，事先要接受的是这些检测器必须在高电压下操作以最大化电离电流。图5显示了可以用于操作高电压离子室的传统电路32。如图所示，C表示所述室的加上任何并联电容的电容，而Vk表示由于流动通过负载电阻R的离子电流I而产生的横跨负载电阻器的电压降并由关系Vk =顶来确定。在离子室中没有任何电离的情况下，电流 I为零(除了小的泄漏电流之外)，而％大约为0V。当发生电离时，在离子室的板之间发生离子传输，从而产生离子电流I，所述离子电流然后流动通过负载电阻R。如上所述，根据图4所示的I-V特征曲线，施加的高电压产生相对较大的离子电流。然而，这使得离子电流伴随有不可避免的噪声升高，并且当施加电压增加时，这种噪声迅速增长，从而最终控制离子电流信号。噪声的升高由于离子室的电极形成具有电容C(在一些设计中为IOpF)的电容器而产生。公知的是施加到电容器的时变电压将产生等于时变电压乘以电容的电流，即，I = C dV/dt。因此，施加电压中的噪声将产生通过离子室的相应电流噪声，并且这种电流噪声的振幅与电压噪声乘以离子室电容成正比。通常，对于任何电源的电压噪声来说随着输出电压越高越增加。因此，由于离子室电极的电容作用，越高的施加电压产生越大的离子电流噪声。另外，在工业环境中，离子室本身的电容由于电极的振动可能随时间变化，这是因为C与电极之间的距离d成反比(Coc i/d)。因此，即使采用完全稳定的施加电压，离子室的任何振动都可能潜在地产生时变电容，并因此产生与施加电压成比例的基于关系I = dc/ dt V的另外的电流噪声。图6显示填充有BF3气体的在施加电压Vtl = 1000V下操作的电离室在各种温度下的离子电流与时间图。可以清楚地看到信噪比的值最多为28 (对于稳定温度状态)。信噪比这里被限定为平均信号与信号的两倍标准偏差(或噪声振幅)的比值。另外，在温度变化期间，1000V离子室的噪声相对于稳定温度增加大约2个因子。在许多情况下，对于电离电流期望具有高信噪比。本发明的一个实施例涉及一种用于在大约5V至大约20V的范围内的低施加电压 Vtl下操作电离室的方法。图7显示了根据本发明的一个实施例的可以用于操作低电压电离室的电路。低电压源35用于将在大约5V至大约20V范围内的电压Vtl供应给离子室的电极。图8显示了这种填充有BF3的室的I-V特性。
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图9显示了几何结构与用于图6中所示的数据的电离室的几何结构相同的电离室的离子电流与时间图。然而，根据本发明的一个实施例，该室在相对较低的施加电压Vtl = 12V下操作。可以看到的是这种低电压结构产生对其高电压结构的明确改进，从而产生接近 75的信噪比。另外，与高电压结构的情况一样，在快速温度变化期间，信噪比不会降低。根据本发明的一个实施例，图7所示的电路可以包括低电压源35，所述低电压源可以为本领域所公知的任何低电压源电路，并且可以例如在恒定电压模式或脉冲模式下操作。当通过脉冲模式电路实施时，低电压源可以将离子传输电压提供给离子室并持续选定的持续时间(即，电压脉冲)。另外，低电压源电路35可以用于将斜坡电压(或其它形状的电压脉冲)提供给离子室，如随后所述。根据本发明的方法，离子传输电压的大小被优化。首先，确定由施加到离子室电极的离子传输高电压产生的离子传输电流信号。图6示出了由离子传输高电压产生的离子传输电流信号的实例。接下来，将离子传输高电压减小到在离子传输电压的最佳范围内的值。可以通过考虑由离子传输电压产生的离子传输电流信号的大平均值(例如，图6 中的4. 23pA)和与离子传输电流信号相关的小噪声振幅(例如，图6中的0. 075pA)之间的平衡来确定离子传输电压的最佳范围。离子传输信号的平均值以及离子传输信号的噪声振幅为许多变量的复杂函数，所述变量包括但不限于离子室电极几何结构、检测器中所含有的气体的类型、检测器温度、存在于检测器环境中的外部振动、泄漏电流、电子模块的噪声特性等。对于给定环境中的给定检测器，最佳离子传输电压的最小值被确定为以下所述电压，在所述电压以下，平均离子电流传输信号太小而不能被准确确定。同样地，最佳离子传输电压的最大值被确定为产生与离子传输电流信号相关联的噪声振幅的离子传输电压，其中所述离子传输电流信号大到使得不能准确地确定离子传输电流信号。为了减小噪声，不能无限降低离子传输电压，这是因为最终平均离子电流传输信号太小而不能被可靠地测量。同样地，可用的平均离子传输电流不能通过增加离子传输电压而被无限增加，这是因为在高电压下，离子传输电流信号有噪声，从而不利地影响所述电流信号的可靠测量。因此，为了优化离子传输电压，必须考虑低噪声与大的平均离子电流信号之间的平衡。图8显示了根据本发明的一个实施例的填充有BF3的离子室的I-V特征曲线的实例。在该实例中，在大约5V以下的I-V特征曲线的相对陡斜率产生大约5V的最小最佳电压。这是将保证离子电流信号大到足以被准确测量的最小电压。在大约20V(未示出)以上，离子电流信号的噪声振幅开始不利地影响离子电流信号测量的精度。因此，对该实例来说，选择大约20V作为最佳离子传输电压的最大值。因此，在操作中，选择最佳操作电压在大约5V至大约20V的范围内。图9中示出了由12V最佳离子传输电压产生的离子传输电流信号的一个实例，且离子传输电流信号的相应平均值为6. 03pA，而与离子传输电流信号相关联的噪声振幅为0. 04pA。本领域的普通技术人员将认识到最小的最佳电压、最大的最佳电压和最佳离子传输电压的精确值取决于许多变量，例如包括电极设计、操作环境(温度、湿度、振动等)和用在检测器中的具体气体，因此，最小的最佳电压和最大的最佳电压的值不局限于上述的准确值。根据本发明的方法，施加离子传输电压(即，在离子室中的电极上施加的电势)，使所述离子传输电压在选定的持续时间内稳定，然后中止所述离子传输电压，如图10所示。作为时间函数的电压曲线被显示为41，且可以被分割成多个时间段。如图所示，在时间段42中，离子传输电压首先逐渐增加。这种增加的速率由电路的RC时间常数来确定。最终，在时间段43中，电压达到最大值。在时间段43期间，离子室中的在施加电压之前由中子通量形成的离子被拉到电极，从而产生离子电流。然后离子电流可以被检测为横跨负载电阻R的电压信号(Vk)。要注意的是在时间段43期间测量的电压信号(Vk)的大小可以包括来自由中子通量生成的离子电流的电压信号和来自泄漏电流的电压信号。一旦完成离子电流测量(或在选定的持续时间之后)，断开施加到离子室中的电极的电压，从而在时间段44中产生电压衰减。电压最终衰减到零。这种衰减的速率由电路的RC时间常数确定。保持电压断开持续时间段45，在时间段45期间，应该检测不到来自离子传输的信号。在与泄漏电流相对应的时间段45期间可以进行另一个测量。在时间段43和45 中获得的测量之间的差值可以用于推导所需的测量-仅由于离子传输的电流，并因此与通过离子室的中子通量有直接关系。对于每一个测量周期都可以测量泄漏电流，使得泄漏电流基准仅为秒或几分之一秒。温度、湿度和长期漂移影响在更长的时间标度上操作，因此保持测量之间的大致恒定。 因此，这些缓慢变化的影响在差值测量中被消除。因为泄漏电流可以为与离子传输电流相同的数量级，因此从原始测量结果中减去泄漏电流可以显著地提高离子电流测量的重复性和精度。本发明的用于离子传输测量的一些方法被示出为图11中的流程图。上述方法对应于图11中的方法B。方法B包括以下步骤启动离子传输低电压(步骤52)；测量离子电流(步骤53)；切断离子传输低电压(步骤；以及在离子传输低电压被切断之后测量泄漏电流(步骤5 。步骤53和55中获得的测量结果之间的差值然后用于推导由中子通量产生的离子电流(步骤59)。根据本发明的一些实施例，还可以测量和校准电路中的放大器的增益。为此，在时间段46期间，将非常小的电压斜线上升(或其它特征非DC脉冲)应用到离子室。该电压太小而不能驱动离子传输，但是离子室将用作电容器，因此具有小电流。只要离子室的电容不变化(假设几何结构是固定的，并且气体是惰性气体，不可能发生变化)，到放大器的输入将为加上校准电流(所述校准电流是已知的)的泄漏电流(所述泄漏电流如上所述被测量)。因此，所述增益可以被易于计算并调节，使得能够以相同的增益获得要比较的测量结果。可选地，如此获得的增益可以用于校准(调节)离子电流测量结果，使得所述离子电流测量结果在获得两个测量结果之间的差值之前具有相同的增益。该方法在图11中被示出为方法D。方法D包括以下步骤启动离子传输低电压 (步骤52)；测量离子电流(步骤53)；切断离子传输低电压(步骤；测量泄漏电流(步骤阳)；以及测量增益(步骤56)。在步骤56中获得的增益可以用于在信号获取期间或在步骤53和55中进行的由测量结果推导差值测量结果之前控制测量。差值测量结果然后可以用于推导离子电流。本发明的一些实施例使用更简单的方法，该方法不需要测量泄漏电流(S卩，跳过图10中的时间段45)。根据本发明的这种实施例的方法假设当进行测量时，信号放大器的增益在短期内不会变化。通过离子传输低电压被开启的测量(图10中的时间段4 对应于离子传输电流和泄漏电流的总和。通过微小电压斜率(图10中的时间段46)进行的测量对应于校准电流加上泄漏电流。这两个测量结果之间的差值提供了信号电流(离子传输电流)减去(已知的)参考电流。因此，可以从差值测量推导离子传输电流。当信号电流(离子传输电流)的大小等于参考电流的大小时，差值为零，因此增益的任何漂移是不相干的。然而，当在信号的大小与参考电流的大小之间具有相当大的差值时，增益漂移可能会产生误差。因此，这种方法没有上述方法精确。然而，如上所述，如果需要，增益可以从在时间段46期间测量的信号被单独校准并用于提高离子传输测量的精度。与该方法相对应的方法在图11中被示出为方法C。方法C包括以下步骤启动离子传输低电压(步骤52)；测量离子电流(步骤53)；切断离子传输低电压(步骤；以及测量增益(步骤56)。在步骤53和56中获得测量结果之间的差值接着可以用于推导由中子通量产生的离子电流(步骤59)。在上述所有实施例(例如，图11中的方法B、C和D)中，测量离子电流(步骤53)。 另外，基于所使用的方法，可以测量泄漏电流(步骤5 或增益校准电流(步骤56)或者测量泄漏电流和增益校准电流。根据本发明的一些实施例，仅离子电流被测量，并且没有提供对泄漏电流的补偿。该方法被示出为图11中的方法A，方法A包括三个步骤启动离子传输低电压(步骤52)；测量离子电流(步骤53)；以及从步骤53中获得的测量结果推导中子通量(步骤59)。图11中所示的流程图50显示根据本发明的实施例的用于离子传输测量的多个方法。本领域的普通技术人员将认识到在不背离本发明的保护范围的情况下可以进行其它修改。例如，这些方法可以组合使用，并且结果可以交叉检查精度或质量控制。例如，系统的增益的不期望变化可以由方法B和D的结果之间不期望的差异来识别。类似地，泄漏电流的大小可以从由方法C和D获得的结果之间的比较推断出来。为了了解脉冲模式操作的另外的优点，需要考虑系统的反应动力学。作为实例，对于填充有He-3的离子室，在正常情况下，离子室中的大多数气体原子为未电离的He-3。因此，He-3气体的浓度保持基本上恒定，并且由公式(1)，离子生成的速率仅线性依赖于中子通量。如上所述，通过两种独立的机构-离子电流流动(到电极的离子传输)和重组来消耗离子。当在离子室上施加电场时，离子响应电场移动，且正离子和负离子在相反的方向上被拉向相对的电极。离子最终在电极处中和，从而产生离子电流。当电势保持恒定时，离子消耗的速率和离子浓度成线性关系(一阶)。当不施加电场时，离子消耗项由于在电极处的中和而变为零。为了使离子在气体中中和(重组)而不是在电极处中和，所述离子必须与具有相反电荷的离子碰撞。这种碰撞的概率取决于正离子和负离子的浓度。因此，重组反应从属于二阶动力，一阶每一个关于正离子和负离子的浓度。因此，当离子浓度低时，离子重组可忽略，而当离子浓度高时，离子重组将变得有意义。当离子浓度小时，具有一阶动力(即，到电极的电流)的离子消耗项占优势，而具有二阶动力(即，重组)的离子消耗项相对较小。如果连续施加电场(当在恒定电压操作中时)，则离子室达到平衡，其中通过电流流动的离子消耗率说明由中子通量生成的离子的较大的百分数，而通过重组的消耗率相对较小。如果间歇地施加电场(例如，在脉冲模式中)，则上述平衡不会出现。当中止电场时，由于电流发生的离子消耗停止。因为由于中子相互作用进行的离子生成持续，因此离子浓度增加，但是通过重组出现的离子消耗可忽略，并且保持可忽略，直到离子浓度相当大的增加。最终，当通过重组出现的离子消耗等于通过中子通量的离子生成时，将达到平衡，但是这将需要相对较长的时间。当启动离子传输电压时，初始电流将较高(相对于在连续电场的情况下的电流)， 这是因为离子浓度有时间增加。电流越大，越容易测量，并且泄漏电流相对较小。因此，与传统的恒定电流模式可以产生的结果相比较，图11中的简单方法A将产生更加精确的结果。首先，似乎在脉冲模式中可以通过使占空比(施加电场时的时间占总循环时间的百分数)非常小而使离子电流非常大，但是情况不是这样的，理由如下。首先，存在测量离子电流所需的实际最小时间。其次，一些离子将在电压稳定之前通过离子传输被消耗掉。第三，当离子浓度增加时，更多的离子消失而进行重组。最后，由于在测量期间收集的离子的总数减小，因此测量的统计波动增加。因此，优选地选择循环时间和占空比，使得统计不确定度(由于中子生成的物理过程造成)等于测量不确定度(由于电子设备的局限性造成)。 这将允许最小的测量不确定度。以上显示了本发明的当应用到被设计成检测中子的离子室的实施例。然而，如上所述，本发明的实施例不局限于中子检测。相反地，根据本发明的实施例的脉冲模式操作还可应用于被设计成检测诸如伽马射线、X射线、α粒子和β粒子的其它形式的高能量辐射的离子室。例如，来自例如X射线或伽马射线的高能量光子(或电磁波)可以穿过离子室壁 (或窗)并且被气体分子中的电子吸收或与所述电子相互作用(或从所述电子进行康普顿散射)，从而产生高能量电子。产生的高能量电子然后通过与其它气体分子中的电子的冲撞而形成多个离子。最终结果为以与高能量光子(或电磁波)通量成比例的速率生成离子。 一旦生成离子，装置的操作的其它方面与上述相同。根据本发明的另一种方法，离子传输电压为具有交变极性的低电压。正低电压被施加并且被稳定。测量正离子电流。与前述实施例相同，该测量将包括泄漏电流。电压极性则相反并且在负传输低电压下被稳定。离子室中的任何离子在相反的方向上被加速。负离子电流被测量，所述负离子电流包括泄漏电流。泄漏电流主要由于半导体部件的特性而产生。所述泄漏电流不依赖于电压的大小或极性。因此，泄漏电流将加入到在一个阶段中测量的离子电流，并且泄漏电流将从在另一个阶段中的离子电流测量结果中减去近似相等但相反的量。通过计算来自每一个阶段的离子电流测量的平均(即，算术平均)绝对值，测量结果的泄漏电流分量将被消除。最终的值可以仅表示由于离子室中的离子传输而产生的电流。在一些实施例中，可以对每一个测量周期进行平均计算。在这种情况下，泄漏电流基准仅为几分之一秒。另外，温度和长期老化影响以更大标度操作，并且同样地从测量结果中除去。用于交流低电压的电压可以具有本领域所公知的或随后设计的任何形式。例如， 如下所述，图12显示了方形波。方形波概念上简单，并且方形波允许具有少量部件的设计，
1从而最小化渗漏。因为极性反向能够补偿泄漏电流，因此在不背离本发明的保护范围的情况下可以使用诸如正弦波的其它函数。图12显示了根据本发明的一个实施例的低电压的电压曲线61与时间。在第一时间段62中，施加正离子传输低电压，并且电压61上升并在施加电压处稳定。在下一个时间段63中，测量正离子电流。该测量可以包括由于除了离子室中的离子传输之外的情况而产生的泄漏电流。下一个时间段为电压反向时间段64。所施加的低电压的极性被反向，并且电压61 迅速下降并在负电压下稳定。在负离子电流测量时间段65中，再次测量离子电流。与正离子电流测量63—样，负离子电流测量结果将包括泄漏电流。离子传输电流的方向将在相反方向上，但是泄漏电流在与正离子电流测量的方向相同的方向上。可以通过计算正离子电流测量值和负离子电流测量值的绝对值的平均值来消除泄漏电流。另外，如上所述，即使使用交流电压，也可以测量并校准放大器的增益。在一些实施例中，不能对每一个交流周期执行增益测量和校准。代替地，可以以选定的间隔执行增益测量和校准。图13显示根据本发明的一种方法。所述方法可以包括施加正低电压71。这将使得离子室中的离子以相反的电荷朝向电极移动。该方法接下来可以包括测量正离子电流测量72。该测量可以包括泄漏电流。该方法可以包括施加负低电压73。这将使得离子室中任何没有被消耗的离子反向，并使所述离子朝向另一个电极移动。该方法然后可以包括进行负离子电流测量74。该测量还可以包括与存在于正测量的相同极性的泄漏电流。确定通量75可以包括计算泄漏自由离子电流测量值。这可以包括获得正测量和负测量的绝对值的平均值。例如，以下公式显示一种用于根据正测量值(V+)和负测量值 (V")确定泄漏自由离子电流(Vk)的可能计算Vjc =1(2)本领域的技术人员在不背离本发明的保护范围的情况下可以设计其它计算和公式。例如，在一些实施例中，负测量值(V-)可以被反向(即，形成正测量值)并被增加到正测量值(V+)。因为泄漏电流加到一个测量值并从另一个测量值中减去，因此最终值将表示离子电流(Vic)，而不受泄漏电流的影响。本发明的另外的实施例使用低电压谐振方法。使用用于交流电压的选定的频率和 /或振幅，离子室中的仅一小部分离子将在给定时间段内被消耗。例如，通过减小交流电压的振幅，没有到达电极的离子百分比可以增加。这些离子将在一个方向上(例如，在正驱动电压下)加速，并且当极性相反时，这些离子将在相反的方向上(例如，在负驱动电压下) 加速。这些离子将基本上在电极之间往复移动，并且将仅通过重组被消耗。检测器的响应时间将增加离子室在这种谐振模式中达到平衡所需的时间量。然而，因为这在几分之一秒内发生，因此相对于中子测量，这不是重要的问题。因为在这种谐振模式中离子的总数增加， 因此当离子传输电压启动时，对于给定的中子通量的总测量电流也将增加。这将为给定的中子通量提供较高幅度的信号。有利地，本发明的实施例可以用于使用低电压操作提供高能量辐射的更加精确测量的方法和设备，其中与传统的高电压检测器相比，所述低电压操作产生较高的信噪比。另
13外，不需要为系统持续加载高电压，装置不会被快速损坏，并且可以消耗更少的能量。有利地，本发明的实施例还可以用于使用低电压脉冲模式操作提供高能量辐射的更加精确测量的方法和设备，其中与恒定低电压操作相比，所述低电压脉冲模式操作可以产生更强的信号，同时与高电压脉冲模式操作相比具有较高的信噪比。此外，有利地，本发明的实施例可以用于提供使用低电压谐振法的方法和设备。与恒定低电压操作相比，这可以为给定的中子通量提供更高的信号，同时与高电压谐振模式操作相比具有更高的信噪比。有利地，本发明的实施例可以用于提供可以用于从脉冲模式操作推导离子传输电流的方法。另外，这种方法可以易于对泄漏电流校正或校准系统的增益。有利地，本发明的实施例可以用于提供一种提供用于控制质量和/或监测泄漏电流和/或系统增益的简便方法的方法。虽然已经关于有限数量的实施例说明了本发明，但是得益于本发明的本领域的技术人员将认识到可以设计不背离本发明这里所述的保护范围的实施例。因此，本发明的保护范围应该仅仅由所附权利要求限制。
1权利要求
1.一种用于测量高能量辐射通量的方法，包括以下步骤将低电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过所述流体与高能辐射的相互作用形成离子；测量与由所述低电压引起的离子电流有关的离子电流信号； 确定泄漏电流； 确定增益；根据所述离子电流信号、所述增益、和所述泄漏电流确定所述高能量辐射通量的大小；以及输出所述高能量辐射通量的大小的结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低电压小于1000V。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述低电压在大约5V至大约20V的范围内。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述流体具有通过在施加电压的所述范围内增加电压使由所述高能辐射产生的离子的数量增加的特性。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述流体包括选自以下物质中的至少一种 氦-3、锂-6、铀-233、铀-235、钚-239及其化合物。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述流体包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或复合物。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述泄漏电流的步骤包括 降低施加到所述离子室中的所述电极的所述低电压；以及测量由所述泄漏电流引起的所述泄漏离子电流信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述增益的步骤包括在所述电极上施加足够小的时变电压，使得由于所述时变电压不会出现离子传输，但是所述离子室传导小的校准电流。
9.一种用于测量高能量辐射通量的方法，包括以下步骤将低电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过所述流体与高能辐射的相互作用形成离子；测量与由所述低电压引起的离子电流有关的离子电流信号； 在所述电极上施加为负极性的所述低电压；测量与由为负极性的所述低电压引起的离子电流有关的负离子电流信号； 根据正离子电流信号和负离子电流信号确定所述高能量辐射通量的大小； 输出所述高能量辐射通量的大小的结果；在所述电极上施加时变电压，使得所述离子室传导足够小而不会出现离子传输的电流；以及确定增益。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述低电压小于1000V。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述低电压在大约5V至大约20V的范围内。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述正电压和所述负电压作为周期波形被施加，其中所述波形的振幅和频率中的一个或两个被调节，使得所述离子室中的离子被消耗， 所述消耗受到所述离子的重组的控制。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述高能量辐射通量的大小的步骤包括 获得所述正离子电流信号测量值的绝对值和所述负离子电流信号测量值的绝对值的平均值。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流体具有通过在施加电压的所述范围内增加电压使由所述高能量辐射产生的离子的数量增加的特性。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流体包括选自以下物质中的至少一种 氦-3、锂-6、铀-233、铀-235、钚-239及其化合物。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流体包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或复合物。
17.一种用于测量高能量辐射通量的方法，包括以下步骤将第一电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过高能量辐射形成带电离子；测量与由所述第一电压引起的离子电流有关的离子电流信号；通过将所述第一电压降低到低电压确定最佳电压；测量与由所述最佳电压引起的离子电流有关的最佳离子电流信号；根据所述最佳离子电流信号、增益和泄漏电流确定所述高能量辐射通量的大小；以及输出所述高能量辐射通量的大小的结果。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述低电压小于1000V。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述低电压在大约5V至大约20V的范围内。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流体具有通过在施加电压的所述范围内增加电压使由所述高能辐射产生的离子的数量增加的特性。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流体包括选自以下物质中的至少一种 氦-3、锂-6、铀-233、铀-235、钚-239及其化合物。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流体包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或复合物。
23.一种用于测量高能量辐射通量的系统，包括离子室，所述离子室包括能够通过所述高能量辐射通量被电离的物质和设置在所述离子室中的两个电极；和电路，所述电路连接到所述两个电极，其中所述电路被构造成将低电压提供给所述两个电极并且测量所述两个电极间的电流，其中所述电路被构造成根据所述电流确定所述高能量辐射通量的大小。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述低电压小于1000V。
25.根据权利要求M所述的系统，其中，所述低电压在大约5V至大约20V的范围内。
26.根据权利要求M所述的系统，其中，能够电离的所述物质包括流体，所述流体包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或复合物。
全文摘要
本发明公开一种用于测量高能量辐射通量的方法，包括以下步骤将低电压施加到填充有流体的离子室中的电极，所述流体能够通过流体与高能辐射的相互作用形成离子；测量与由低电压引起的离子电流有关的离子电流信号；确定泄漏电流；确定增益；根据离子电流信号、增益和泄漏电流确定高能量辐射通量的大小；以及输出高能量辐射通量的大小结果。
文档编号G01T1/16GK102375152SQ20111022386
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月6日
发明者亚历克斯·库利克, 亚历山大·约瑟夫·叶辛, 尼古拉·巴图林 申请人:思姆菲舍尔科技公司