一种用于空气比释动能绝对测量的电离室的制作方法

本发明涉及电离辐射计量的领域，特别涉及一种用于x射线空气比释动能绝对测量的电离室。
背景技术：
：随着科学技术的发展与社会的进步，核科学与技术日益广泛地应用于国计民生中的各个行业。与此同时，核安全与电离辐射安全相伴，对辐射测量范围的拓展和测量准确度的提高提出了更高要求。辐射安全的研究和辐射的应用都离不开电辐射量的计量。需要有各种辐射量单位来表征辐射源的特性，描述辐射场的性质，度量辐射与物质相互作用时能量的传递及受照物体内部的变化程度和规律。照射量就是描述辐射场的量。照射量曾用以表征x、γ射线的强度，x、γ射线的剂量相关运行实用量均是通过空气比释动能作为基础乘以相应转换系数得到的。空气比释动能以及与其相关联的众多实用量是进行辐射防护、辐射环境监测等工作的基础。比释动能作为国际单位制的导出量，专有名词为gy，其量纲为j/kg，icru60号报告对比释动能的定义如下：不带电粒子在dm质量的空气中发生相互作用所释放出来的所有次级电子的初始动能总和detr除以dm。现有校准实验室中均采用自由空气电离室作为空气比释动能的测量装置，用于空气比释动能的绝对测量，并将其作为实验室x射线剂量初级标准。但是，现有的自由空气电离室测量x射线能量最大为250kv，还没有对于超过250kv能量的x射线的测量能力，无法满足现有x射线空气比释动能标准测量能量范围的要求。技术实现要素：针对现有空气比释动能绝对测量装置无法实现对能量范围在250kv～350kv的x射线进行空气比释动能测量的问题，本发明提供一种可用于60～350kv全范围的x射线自由空气电离室。本发明提供一种可用于60～350kv范围内的x射线比释动能绝对测量的电离室，包括：屏蔽外壳；入射光阑，设置在屏蔽外壳的一个侧壁上；出口，设置在屏蔽外壳的与入射光阑相对的另一个侧壁上；高压极，设置在屏蔽外壳内，位于入射光阑与出口的中心点连线的一侧；保护极，设置在屏蔽外壳内，位于入射光阑与出口的中心点连线的与高压极相对的另一侧，与高压极平行，保护极内设置有通孔；收集极，设置于保护极的通孔内，收集极与保护极之间设置有间隙，并且收集极的上表面与保护极的上表面处于同一平面上；保护环，设置在高压极的周缘与保护极的周缘之间，包括多个层叠的保护环单元，将与入射光阑和出口对应的位置设置为可使x射线通过。在一些实施方案中，屏蔽外壳由铅、不锈钢和铝合金制成，入射光阑由钨合金制成，高压极、保护极、收集极和保护环皆由铝合金制成。特别地，屏蔽外壳为包括不锈钢层-铅层-不锈钢层的多层结构，更特别地，设置入射光阑的侧壁包括不锈钢层-铅层-不锈钢层-铝合金层的多层结构。在一些实施方案中，不锈钢层厚度为至少3mm，铅层厚度为至少10mm，铝合金层厚度为至少3mm。在一些实施方案中，屏蔽外壳为长方体，入射光阑和出口为圆形，高压极、保护极和收集极为矩形板，保护极内部的通孔为矩形。在一些实施方案中，入射光阑的直径可以调节，特别地，可以在5-60mm之间调节，例如为10、20或50mm。在一些实施方案中，保护极与收集极之间的间隙为3mm至8mm，特别地，为5mm。在一些实施方案中，保护极和收集极的上表面高度差小于20μm，特别地，小于10μm，和/或保护极和收集极的表面平整度小于10μm，特别地，小于5μm。在一些实施方案中，高压极的表面平整度小于10μm，特别地，小于5μm。在一些实施方案中，保护环的表面平整度小于10μm，特别地，小于5μm。在一些实施方案中，在入射光阑与出口的中心点连线方向上，高压极的尺寸大于600mm，小于720mm，保护极的尺寸大于600mm，小于720mm，收集极的尺寸大于120mm，小于180mm；在垂直于入射光阑与出口的中心点连线且平行于高压极的方向上，高压极的尺寸大于500mm，小于620mm，保护极的尺寸大于500mm，小于620mm，收集极的尺寸大于450mm，小于510mm。在一些实施方案中，高压极的厚度大于80mm，小于120mm，保护极的厚度大于80mm，小于120mm，收集极的厚度大于15mm，小于30mm。在一些实施方案中，高压极与保护极之间的距离大于450mm，小于520mm。在一些实施方案中，衰减长度为400至460mm。在一些实施方案中，高压极、保护极和保护环的外边缘对齐。在一些实施方案中，每个保护环单元为片状环形，保护环单元的环形宽度为10-20mm，保护环单元的高度为10-20mm，相邻保护环单元之间的间距小于2mm。在一些实施方案中，出口的直径为入射光阑的1.5-2.5倍。在一些实施方案中，保护环在与入射光阑和出口对应的位置设置通孔或留出空隙。特别地，在与入射光阑对应的位置设置的通孔的直径或空隙的高度大于入射光阑的直径，在与出口对应的位置设置的通孔的直径或空隙的高度小于出口的直径。本发明能够实现以下有益效果：相比于以往的自由空气电离室，本发明通过电离室中各组件的形状、材料、尺寸以及位置关系的结合，提供了一种能够用于更大的能量测量范围，特别可满足250kv～350kv范围内的x射线空气比释动能绝对测量需求的电离室；由于本发明的自由空气电离室具有更高的加工精度，所引入的不确定度更小，测量更加准确；本发明的自由空气电离室采用可变光阑的设计，可以使测量灵敏体积在一定范围内变化，可以更加灵活地进行空气比释动能的测量定值。利用本发明的自由空气电离室能够对x射线参考辐射场进行现场定值，解决了250kv～350kvx射线空气比释动能的量值需求。附图说明通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本领域技术人员将能够更加全面地理解本发明的其它目的和优点。图1示出了根据本发明一个实施方案的自由空气电离室的结构剖面示意图。图2示出了根据本发明一个实施方案的光阑的结构剖面示意图。图3示出了根据本发明一个实施方案的自由空气电离室的结构立体示意图。图中的附图标记含义如下：1：屏蔽外壳2：入射光阑3：出口4：高压极5：保护极6：收集极7：收集极与保护极之间的间隙8：保护环81：保护环单元9：收集区10：测量体积201：穿透x射线202：测量用x射线203：散射x射线210：不锈钢220：钨合金所有附图仅为示意目的，其中各组件的个数、尺寸等不以任何方式限制本发明的实施方案。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。本发明提供一种可用于60～350kv范围内的x射线比释动能绝对测量的电离室，图1示出根据本发明一个实施方案的自由空气电离室的结构示意图，该电离室包括：屏蔽外壳1；入射光阑2，设置在屏蔽外壳1的一个侧壁上；出口3，设置在屏蔽外壳1的与入射光阑2相对的另一个侧壁上；高压极4，设置在屏蔽外壳1内，位于入射光阑2与出口3的中心点连线的一侧；保护极5，设置在屏蔽外壳1内，位于入射光阑2与出口3的中心点连线的与高压极4相对的另一侧，与高压极4平行，保护极5内设置有通孔；收集极6，设置于保护极5的通孔内，收集极6与保护极5之间设置有间隙7，并且收集极6的上表面与保护极5的上表面处于同一平面上；保护环8，设置在高压极4的周缘与保护极5的周缘之间，包括多个层叠的保护环单元81，将与入射光阑2和出口3对应的位置设置为可使x射线通过。其中，收集极6与高压极4之间形成的空间为收集区9，由高压极4和收集极6形成的电场线确定的该区域内的电场可收集电离粒子，该区域的长度和宽度大致与收集极6的长度和宽度一致。收集区9与进入入射光阑的x射线经过的区域的交集为测量体积10。在本发明中所采用的各组件尺寸、材料等条件下，测量体积10内存在的带电粒子平衡条件使得所测量的电离电流可以与所需的空气比释动能产生对应，从而可用于60～350kv范围内的x射线比释动能绝对测量。在一些实施方案中，屏蔽外壳由铅、不锈钢和铝制成，入射光阑由钨合金制成，高压极、保护极、收集极和保护环由铝合金制成。为了更好地实现屏蔽效果，屏蔽外壳为包括不锈钢层-铅层-不锈钢层的多层结构，由于x射线入射一侧需要更好的屏蔽效果，因此设置入射光阑的侧壁(即x射线由此入射的一侧)包括不锈钢层-铅层-不锈钢层-铝合金层的多层结构。在一些实施方案中，不锈钢层厚度为至少3mm，铅层厚度为至少10mm，铝合金层厚度为至少3mm。在一些实施方案中，不锈钢层厚度为至少5mm，铅层厚度为至少20mm，铝合金层厚度为至少5mm。特别地，设置入射光阑的侧壁包括不锈钢层(5mm)-铅层(30mm)-不锈钢层(5mm)-铝合金层(5mm)，其他侧壁包括不锈钢层(5mm)-铅层(15mm)-不锈钢层(5mm)。在一些实施方案中，屏蔽外壳为长方体。长度方向为x射线通过的路径方向。入射光阑的材质为钨合金，其结构需要高精密度加工，在一些实施方案中，入射光阑为圆形。入射光阑的直径可以设置为可调节的，从而可以使测量灵敏体积在一定范围内变化，可以更加灵活地进行空气比释动能的测量定值。特别地，入射光阑的直径可以在5-60mm之间调节，例如为10、20或50mm。图2示出了根据本发明一个实施方案的光阑的结构示意图，其中在光阑外围及前端均包覆不锈钢材料210，光阑由钨合金220制成。x射线通过光阑时会发生穿透或散射，如穿透x射线201和散射x射线203，而未经穿透或散射的x射线是可用于测量的x射线，如测量用x射线202。自由空气电离室的每个光阑需搭配相应的钨塞(钨合金制成的塞子)，钨塞为实心构造，确保其能完整塞入光阑口，将光阑口完全堵上。设置在与入射光阑相对一侧的出口与入射光阑之间形成可供x射线通过的路径，在一些实施方案中，出口为圆形，特别地，出口的直径为入射光阑的1.5-2.5倍，从而形成一个圆锥状的可供x射线通过的区域。在一些实施方案中，高压极、保护极和收集极均为矩形板。收集极、保护极与高压极共同形成间隔距离为d的平行板电极；在高压极上施加极化电压，而保护极与收集极保持接地(虚地)，从而在电极之间产生电场。间隔距离d根据收集极、保护极与高压极的尺寸而选择，间隔距离d对测量的影响体现在一些修正因子上，虽然从理论上看d越大越好，但是实际情况下，d越大产生的修正因子越大，并且整个仪器的体积和质量也难以保证。在一些实施方案中，高压极与保护极之间的距离大于450mm。一般该间隔距离不超过520mm。在一些实施方案中，高压极与保护极之间的距离为460-500mm，例如为约480mm。收集极设置于保护极内部的通孔内，收集极与保护极之间设置有间隙，并且收集极的上表面与保护极的上表面处于同一平面上。对收集极与保护极的共面性有一定要求，保护极和收集极的上表面高度基本一致，具体地，二者的上表面高度差小于20μm，特别地，小于10μm，更特别地，小于5μm。共面性不好会影响电场的均匀性，电场的均匀性不好会引入修正因子变大。在一些实施方案中，保护极内部的通孔为矩形，收集极也为矩形，保护极与收集极之间保持有恒定的间隙，间隙的宽度为3mm至8mm，特别地，为5mm。间隙的宽度一方面会影响电场的均匀性，间隙越大均匀性越差；另一方面，间隙的宽度会影响收集区的大小，间隙宽度太小，会造成收集极和保护极之间的感应电流增加，这种电流是要避免的。也可将收集极与保护极共同称为收集-保护极。保护环用以减少电场的畸变，设置在高压极的周缘与保护极的周缘之间，包括多个层叠的保护环单元，并且与入射光阑和出口对应的位置被设置为可使x射线通过。在一些实施方案中，每个保护环单元为片状环形，例如，由硬铝合金条状矩形环组成，如图3所示。保护环单元的环形宽度为10-20mm，保护环单元的高度为10-20mm，相邻保护环单元之间的间距小于2mm，特别地，小于1.2mm。为了有利于保持电场均匀性，在一些实施方案中，保护环由至少25个保护环单元组成。特别地，保护环由30个保护环单元组成，每一个保护环单元的环形宽度为15mm，高度为15mm，相邻保护环单元之间的间隙为约1mm。保护环单元的长宽根据高压极和保护极确定，可以分别与高压极和保护极在相应方向上的尺寸一样，从而使得高压极、保护极和保护环的外边缘对齐。在一些实施方案中，保护环在与入射光阑和出口对应的位置设置通孔。特别地，在与入射光阑对应的位置设置的通孔的直径大于入射光阑的直径，在与出口对应的位置设置的通孔的直径小于出口的直径，从而与入射光阑和出口共同形成一个圆锥状的可供x射线通过的区域。在一些实施方案中，保护环在与入射光阑和出口对应的位置留出空隙，例如通过调整保护环单元的厚度、间隙、个数等使得保护环在与入射光阑和出口对应的位置可使x射线通过，如图3所示。特别地，在与入射光阑对应的位置设置的空隙的高度大于入射光阑的直径，在与出口对应的位置设置的空隙的高度小于出口的直径。为了有利于保持电场均匀性，保护环、收集极、保护极、高压极中任一个的表面平整度小于10μm，特别地，小于5μm，更特别地，小于2μm。在一些实施方案中，收集极与保护极的表面平整度小于2μm，收集极与保护极的共面性好于5μm。本发明提供的电离室通过选择各组件的形状、材料、尺寸以及位置关系等，实现了在有限尺寸下即可满足250kv～350kv范围内的x射线空气比释动能绝对测量需求，装置总重量约600kg。在一些实施方案中，在入射光阑与出口的中心点连线方向(以下也称为a轴方向)上，高压极的尺寸大于600mm，小于720mm，保护极的尺寸大于600mm，小于720mm，收集极的尺寸大于120mm，小于180mm；在垂直于入射光阑与出口的中心点连线且平行于高压极的方向(以下也称为b轴方向)上，高压极的尺寸大于500mm，小于620mm，保护极的尺寸大于500mm，小于620mm，收集极的尺寸大于450mm，小于510mm。特别地，高压极在a轴方向上的尺寸大于在b轴方向上的尺寸，保护极在a轴方向上的尺寸大于在b轴方向上的尺寸，收集极在a轴方向上的尺寸小于在b轴方向上的尺寸。在一些实施方案中，在同时垂直于a轴和b轴的方向(以下也称为c轴方向)上，高压极的厚度大于80mm，小于120mm，保护极的厚度大于80mm，小于120mm，收集极的厚度大于15mm，小于30mm。如果极板太厚会因自重产生形变，难以长期保持测量稳定性。光阑前表面所处平面与b轴平行，光阑前表面所处平面与收集极在其b轴方向的中心镜像平面平行，两平面之间的距离也称为空气衰减长度，或衰减长度。在一些实施方案中，衰减长度为400至460mm，特别地，为约430mm。在一些实施方案中，在屏蔽外壳内设置支架，高压极、保护极、收集极和保护环通过固定于该支架而设置在所需位置上。可以使用绝缘材料固定各部件，绝缘材料可以为聚合物粘合剂，电阻率一般高于1012ω/cm，特别地，高于1014ω/cm，例如，可以使用peek(聚醚醚酮，英文名称polyetheretherketone)，其电阻率可达1016ω/cm。peek具有耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、抗辐射等超强的机械性能。在电离室的整个结构中所有绝缘材料均可使用peek。为了实现良好的平整度与共面性，本发明采用数控机械加工技术，通过该技术可以满足本发明对表面平整度的要求，特别地，表面平整度可达μm级别。实施例实施例中的电离室结构如图3所示，屏蔽外壳为长方体，极板均为矩形，采用以下材料制备：光阑：钨铜合金电极板：铝合金6063屏蔽外壳：不锈钢304包铅，光阑所在壁按从电离室外至内包括以下各层：不锈钢层(5mm)-铅层(30mm)-不锈钢层(5mm)-铝合金层(5mm)；其余壁包括以下各层：不锈钢层(5mm)-铅层(15mm)-不锈钢层(5mm)。光阑为圆形，直径可变，表面平整度在0.5μm以内，结构如图2所示。出口为圆形，直径可变，直径为光阑直径的2倍左右。极板与外壳之间通过绝缘材料peek-450g固定。影响自由空气电离室的主要参数包括：入射光阑直径，空气衰减长度，收集-保护极与高压极之间的电极间距d，收集极的几何尺寸等，具体数值如表1所示。光阑直径设计为大于x射线源的直径，为了在自由空气电离室中改变x射线的测量体积，自由空气电离室分别设计3种不同直径尺寸的光阑。表1自由空气电离室的主要参数(mm)装置参数数值光阑直径10、20、50光阑钨合金厚度25极间距离d481收集极a轴尺寸150收集极b轴尺寸480收集极c轴尺寸20保护极a轴尺寸660保护极b轴尺寸560保护极c轴尺寸100收集极与保护极之间的间隙5高压极a轴尺寸660高压极b轴尺寸560高压极c轴尺寸100衰减长度430在自由空气电离室的极板背面通过机械加工掏出框架结构，以增强整体的刚性与稳定性。收集极与保护极由铝合金制成。收集极与保护极的表面平整度均小于2μm，收集极与保护极的共面性好于5μm，即，保护极和收集极的上表面高度相差不超过5μm。收集极通过高绝缘材料固定在保护极内部中央处的矩形通孔内，收集极与保护极的几何结构间互不接触，并且收集极与保护极之间各个平面间的间隙保持在5mm。收集-保护极与高压极通过高绝缘材料固定，保持两者之间的极间距离d。保护极的周缘与高压极的周缘之间均匀布置有保护环，保护环由铝合金制成，表面平整度小于5μm。在本实施例中保护环由30个保护环单元组成，保护环单元为扁条状矩形环，每一个的环形宽度为15mm，高度为15mm，保护环单元之间的间隙为1mm，保护环单元在a轴和b轴的尺寸与保护极和高压极相同。本实施例的电离室可用于60～350kv范围内的x射线比释动能绝对测量。虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。当前第1页12