電離室

所謂電離室即工作在飽和區(qū)的氣體探測(cè)器，因而飽和區(qū)又稱電離室區(qū)。如果選擇了適當(dāng)?shù)臉O化電壓，復(fù)合效應(yīng)便可忽略，也沒(méi)有碰撞放大產(chǎn)生，此時(shí)可認(rèn)為射線產(chǎn)生的初始離子對(duì)恰好全部被收集，形成電離電流。該電離電流正比于，因而正比于射線強(qiáng)度。加速器的監(jiān)測(cè)探測(cè)器一般均采用電離室。標(biāo)準(zhǔn)劑量計(jì)也用電離室作為測(cè)量元件。電離室的電流可以用一臺(tái)靈敏度很高的靜電計(jì)測(cè)量。

不難看出，電離室主要由收集極和高壓極組成，收集極和高壓極之間是氣體。與其他氣體探測(cè)器不同的是，電離室一般以一個(gè)大氣壓左右的空氣為靈敏體積，該部分可以與外界完全連通，也可以處于封閉狀態(tài)。其周圍是由導(dǎo)電的空氣等效材料或組織等效材料構(gòu)成的電極，中心是收集電極，二極間加一定的極化電壓形成電場(chǎng)。為了使收集到的電離離子全部形成電離電流，減少漏電損失，在收集極和高壓極之間需要增加保護(hù)極。

當(dāng)X射線、γ射線照射電離室，光子與電離室材料發(fā)生相互作用，主要在電離室室壁產(chǎn)生次級(jí)電子。次級(jí)電子使電離室內(nèi)的空氣電離，電離離子在電場(chǎng)的作用下向收集極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)收集極的離子被收集，形成電離電流信號(hào)輸出給測(cè)量單元。

電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射總稱，其種類很多，高速帶電粒子有α粒子、β粒子、質(zhì)子，不帶電粒子有種子以及X射線、γ射線。

α射線是一種帶電粒子流，由于帶電，它所到之處很容易引起電離。α射線有很強(qiáng)的電離本領(lǐng)，這種性質(zhì)既可利用。也帶來(lái)一定破壞處，對(duì)人體內(nèi)組織破壞能力較大。由于其質(zhì)量較大，穿透能力差，在空氣中的射程只有及厘米，只要一張紙或健康的皮膚就能擋住。

β射線也是一種高速帶電粒子，其電離本領(lǐng)比α射線小得多，但穿透本領(lǐng)比α射線大，但與X、γ射線比β射線的射程短，很容易被鋁箔、有機(jī)玻璃等材料吸收。

X射線和γ射線的性質(zhì)大致相同，是不帶電波長(zhǎng)短的電磁波，因此把他們統(tǒng)稱為光子。兩者的穿透力較強(qiáng)，要特別注意意外照射防護(hù)。

電離輻射存在于自然界，但人工輻射已遍及各個(gè)領(lǐng)域，專門從事生產(chǎn)、使用及研究電離輻射工作的，稱為放射工作人員。與放射有關(guān)的職業(yè)有：

核工業(yè)系統(tǒng)的和原料勘探、開采、冶煉與精加工，核燃料及反應(yīng)堆的生產(chǎn)、使用及研究；農(nóng)業(yè)的照射培育新品種，蔬菜水果保險(xiǎn)，糧食貯存；醫(yī)藥的X射線透視、照相診斷、放射性核素對(duì)人體臟器測(cè)定，對(duì)腫瘤的照射治療等；工業(yè)部門的各種加速器、射線發(fā)生器及電子顯微鏡、電子速焊機(jī)、彩電顯像管、高壓電子管等。

電離室是最早的核輻射探測(cè)器。也是一種探測(cè)電離輻射的氣體探測(cè)器。氣體探測(cè)器的原理是，當(dāng)探測(cè)器受到射線照射時(shí)，射線與氣體中的分子作用，產(chǎn)生由一個(gè)電子和一個(gè)正離子組成的離子對(duì)。這些離子向周圍區(qū)域自由擴(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程中，電子和正離子可以復(fù)合重新形成中性分子。但是，若在構(gòu)成氣體探測(cè)器的收集極和高壓極上加直流的極化電壓V，形成電場(chǎng)，那么電子和正離子就會(huì)分別被拉向正負(fù)兩極，并被收集。隨著極化電壓V逐漸增加，氣體探測(cè)器的工作狀態(tài)就會(huì)從復(fù)合區(qū)、飽和區(qū)、正比區(qū)、有限正比區(qū)、蓋革區(qū)(G - M區(qū))一直變化到連續(xù)放電區(qū)。

電離室的分類極為復(fù)雜，下面是一些比較常見分類的舉例。

電離室按照測(cè)量劑量率或劑量大小

1）治療水平電離室，靈敏體積約在0.01毫升至5.0 毫升之間，測(cè)量的劑量率范圍在1 mGy/min至10 Gy/min；

2）診斷水平電離室，靈敏體積約在5毫升至500毫升之間，測(cè)量的劑量率范圍在0.1 mGy/min至10 Gy/min，但劑量只有0.1 mGy至0.1Gy；

3）防護(hù)水平電離室，靈敏體積約在，30毫升至3升之間，測(cè)量的劑量率范圍在0.1 μGy/h至1 Gy/h；

4）環(huán)境水平電離室，靈敏體積約在3升至100升之間，為了減小體積，常采取氣體加壓設(shè)計(jì)，測(cè)量的劑量率范圍在1μGy/h至10μGy/h；

電離室按照測(cè)量對(duì)象

1）α電離室、β電離室、或α、β電離室，電離室的部分壁非常薄，是的α、β粒子或其次級(jí)電子可以穿過(guò)，到達(dá)靈敏體積。有時(shí)也設(shè)計(jì)成將α、β源直接置入電離室內(nèi)部的形式；

2）γ電離室電離室壁通常有一定厚度，從而降低對(duì)α、β粒子的響應(yīng)；

3）中子電離室用于中子劑量測(cè)量，常設(shè)計(jì)成雙電離室的形式。其基本原理是石墨電離室主要對(duì)光子響應(yīng)，對(duì)中子基本無(wú)響應(yīng)，而塑料電離室則對(duì)光子和中子都響應(yīng)，計(jì)算二個(gè)電離室響應(yīng)之差便是中子劑量；

4）電子束電離室，專門用于加速器電子束測(cè)量的平行平板電離室；

5）布喇格峰電離室，設(shè)計(jì)用于測(cè)量重離子射束的布喇格峰的電離室。

電離室按照電離室的形狀

1）殼電離室：電離室的測(cè)量體積在0.1cm³至1.0 cm³之間，由裝在支持桿上硬的外電極包圍。測(cè)量體積通常圍繞支持桿的軸對(duì)稱，使用時(shí)對(duì)稱軸垂直于輻射束的軸線。殼電離室有二類，即指（套）型電離室和球型電離室。指（套）型電離室外電極為硬的圓柱形狀，一端封閉，另一端裝在支持桿上。球型電離室的外電極是硬的球形壁裝在支持桿上。

2）平行板電離室：電離室的測(cè)量體積在0.01cm³至0.5 cm³之間，由二平行電極包圍。使用時(shí)二平行電極面垂直于輻射束的軸線。

3）通氣電離室：電離室的結(jié)構(gòu)使得測(cè)量體積內(nèi)的空氣可與大氣自由交換。因此需要對(duì)空氣密度變化的影響做修正。

4）密封電離室：電離室的結(jié)構(gòu)限制測(cè)量體積內(nèi)的空氣與大氣之間的通路，充分保證電離室的響應(yīng)與環(huán)境條件變化在制造廠指明的時(shí)間期間內(nèi)無(wú)關(guān)。

5）無(wú)保護(hù)電離室：電離室的電纜中圍繞中心信號(hào)導(dǎo)體的保護(hù)導(dǎo)體終止在電纜中，不延伸進(jìn)入電離室裝置的桿或體內(nèi)。

6）部分保護(hù)電離室：電離室的電纜中圍繞中心信號(hào)導(dǎo)體的保護(hù)導(dǎo)體延伸進(jìn)入電離室裝置的桿或體內(nèi)，但不進(jìn)入電離室的空氣中。

7）保護(hù)電離室：電離室裝置的桿或體的保護(hù)導(dǎo)體與保護(hù)電極連接，保護(hù)電極與電離室內(nèi)空氣接觸。

電離室按照測(cè)量理論

1）石墨空腔電離室；

2）絕對(duì)測(cè)量自由空氣電離室。

電離室靈敏度

一般說(shuō)來(lái)，電離室的靈敏度取決于電離室內(nèi)的空氣質(zhì)量。由于電離室內(nèi)的氣壓近似為一個(gè)大氣壓，那么，也可以說(shuō)其靈敏度正比于空氣體積，因而這個(gè)體積又稱“靈敏體積”。隨著電離室體積增大，靈敏度增高。

電離室能量響應(yīng)

如上所述，電離室的響應(yīng)(靈敏度)正比于空氣比釋動(dòng)能率(照射量率)，而不受其他影響，例如不應(yīng)隨能量的變化而變化，不應(yīng)隨溫度的變化而變化等。但是由于電離室本身不能完全由空氣制作，不能完全等同于空氣，當(dāng)輻射的能量改變后，電離室的響應(yīng)(靈敏度)也隨之改變，這種特性稱之為能量響應(yīng)。

對(duì)于劑量測(cè)量的電離室，能量響應(yīng)是極為重要的性能參數(shù)，而對(duì)于劑量監(jiān)測(cè)的電離室雖然也關(guān)心能量響應(yīng)，但不是非常重要。

電離室電子平衡

在加速器輻射和空氣的相互作用中，加速器的光子不能直接引起電離，而是通過(guò)光電吸收、康普頓散射和電子對(duì)生成作用損失能量，產(chǎn)生次級(jí)電子。加速器的初級(jí)電子雖然引起電離，但是引起空氣電離的主要還是次級(jí)電子。加速器光子或初級(jí)電子在與物質(zhì)的作用中首先產(chǎn)生次級(jí)電子，而作為電離室，進(jìn)入電離室空氣空腔的次級(jí)電子主要在電離室的壁中產(chǎn)生的。由于壁的材料的密度比空氣大得多，產(chǎn)生的電子也多，因此隨著壁厚的增加，進(jìn)入電離室空氣靈敏體積的次級(jí)電子增加，當(dāng)電離室壁厚增加到一定程度，電離室壁對(duì)次級(jí)電子的阻擋作用開始明顯，并最終使得進(jìn)入靈敏體積的次級(jí)電子和逃出靈敏體積的次級(jí)電子相等，我們便稱這種狀態(tài)為“電子平衡”，或稱“電子建成”。廣義的說(shuō)，所謂電子平衡，是指進(jìn)入測(cè)量體積元的次級(jí)電子能量等于離開該體積元的次級(jí)電子能量。當(dāng)射線的能量高時(shí)，次級(jí)電子的能量也高，穿透的材料厚度增大，達(dá)到電子平衡的厚度也增大。

一般來(lái)說(shuō)，只要包圍收集體積空氣的材料的厚度大于次級(jí)電子最大射程，電子平衡條件就可基本滿足。我們稍微詳細(xì)點(diǎn)分析。

對(duì)于常用的或輻射，要達(dá)到帶電粒子平衡，所需的介質(zhì)厚度為其產(chǎn)生的次級(jí)電子射程。表1給出某些X射線在水中的減弱系數(shù)與次級(jí)電子的射程。

表1．X射線在水中的減弱系數(shù)與次級(jí)電子射程

電離室復(fù)合損失

如前所述，如果選擇了適當(dāng)?shù)臉O化電壓，復(fù)合效應(yīng)便可忽略。但是復(fù)合損失不僅與極化電壓有關(guān)，還與電離室靈敏體積中空氣的電離密度有關(guān)，即與劑量率有關(guān)。由于離子復(fù)合，空腔內(nèi)的電荷收集效率不高，需用修正因子。

如果詳細(xì)研究，電離室的復(fù)合效應(yīng)與其形狀、收集電壓、以及輻射產(chǎn)生電荷的速度有關(guān)。當(dāng)測(cè)量加速器時(shí)，輻射是脈沖式的，脈沖瞬間的輻射劑量率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其平均劑量率，復(fù)合修正因子變得相當(dāng)重要。對(duì)于連續(xù)輻照(γ射線束)復(fù)合效應(yīng)一般非常小。為了檢驗(yàn)電離室的復(fù)合損失，可以將極化電壓減低到正常值的0.5倍，如果電流值大于正常極化電壓的99.5%，問(wèn)題不大；如果電流值僅為正常極化電壓的99.0%，須要認(rèn)真對(duì)待；如果更小，則必須采取措施。

但是電離室的體積越大，對(duì)周圍的擾動(dòng)越大，影響輻射場(chǎng)的測(cè)量。而輻射場(chǎng)的測(cè)量中，擾動(dòng)的影響是很難定量確定。因此用于放射治療輻射場(chǎng)測(cè)量的電離室體積不能太大，通常小于1cm。

雖然電離室可以單獨(dú)?；?，但較多情況下電離室和其測(cè)量單元作為一個(gè)整體校準(zhǔn)。 2100433B

電離室(ionization chamber)分脈沖電離室和電流電離室兩類。脈沖電離室以脈沖形式記錄單個(gè)粒子入射時(shí)造成的電離效應(yīng)，用于測(cè)量樣品的相對(duì)活度和射線能量。這方面的應(yīng)用已基本上被半導(dǎo)體探測(cè)器所代替。電流電離室記錄一段時(shí)間進(jìn)入電離室內(nèi)的大量粒子所產(chǎn)生的總平均電離電流，反映總電離效應(yīng)，用于測(cè)量X、γ、β射線或中子的通量、劑量等。經(jīng)過(guò)標(biāo)定的電流電離室也可測(cè)量放射性活度。選擇適當(dāng)厚度的等效材料作為電極，可以測(cè)量吸收劑量和照射量。由于簡(jiǎn)單可靠，在監(jiān)測(cè)場(chǎng)合常用。袖珍累計(jì)電離室也用作個(gè)人劑量筆。

坪特性曲線（plateau curve)

氣體電離型探測(cè)器主要包括電離室、正比計(jì)數(shù)器和蓋革——彌勒計(jì)數(shù)管（G-M計(jì)數(shù)管）。后兩種主要用于計(jì)數(shù)。脈沖電離室用于計(jì)數(shù)；電流電離室用于劑量測(cè)量。