高壓氣體電離室時間回響速度的研究

《高壓氣體電離室時間回響速度的研究》是依託清華大學，由王立強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高壓氣體電離室時間回響速度的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王立強
• 項目類別：面上項目

項目摘要

高壓氣體電離室已成功套用在貨櫃數字輻射成像檢測系統中，隨著檢測速度的提高，對電離室的時間回響速度也要求要越來越快，否則就會使得相鄰採集信號之間產生干擾，影響檢測圖像的清晰度。電離室的時間回響速度主要是由離子收集時間決定的，因此需要研究測量離子漂移速度的方法。在查閱的外文文獻中給出的測量離子漂移速度的方法和實驗數據都是在比較低的氣壓下測量的，在高氣壓情況下如何測量離子漂移速度還沒有查到相關文獻報導。本課題提出了用旋轉準直器將X射線源轉變成周期變化的射線脈衝信號，讓射線脈衝在電離室內產生大量離子脈衝信號，通過變積分時間測量離子電流脈衝的信號收集過程，再通過數據分析處理得到離子的漂移速度和收集時間。通過研究測量高壓氣體電離室中離子漂移速度，這對最佳化電離室結構設計、確定電離室的時間回響速度都具有非常重要的基礎研究意義。

結題摘要

研究高氣壓條件下氣體電離室的時間回響速度主要是測量離子在電極間的漂移時間，在本基金項目研究中，巧妙設計了實驗測量方法：提出了與國外在低氣壓條件下測量離子漂移時間截然不同的測量方法，而低氣壓條件下的測量方法並不適合高氣壓條件下測量。將X光機均勻輸出的射線通過旋轉快門和準直器轉化為交替輸出的射線脈衝，通過研究電離室信號電流在射線脈衝交替變化時的變化過程來測量離子漂移時間。在理論上分析了信號電流的變化過程，提出了勻速採樣測量和步進積分測量兩種測量方法，分別通過二次和三次線性擬合分析處理兩種方式測量的數據。對於勻速採樣測量數據進行二次擬合，一次項係數和二次項係數之比為漂移時間的-2倍；對於步進積分採樣測量數據進行三次擬合，二次項係數和三次項係數之比為漂移時間的-3倍。分別設計了旋轉快門、準直器、不同極間距離的薄窗氣體陣列電離室以及數據採集系統，搭建了實驗測量系統，採用兩種測量方法獲得了實驗數據，分別進行了數據擬合分析處理，得出了相近的實驗測量結果。 通過仔細分析信號電流變化過程，發現電子電流信號不明顯。當採用脈衝X光機測量電離室電流信號時，發現剛充氣的電離室電子電流信號幅度高脈衝窄，經過一周后，電子電流信號幅度明顯降低，脈衝寬度變寬。通過仔細分析和實驗發現電離室內部絕緣材料聚四氟乙烯具有吸附電離室內部工作氣體的現象，其吸附氙氣平衡時間長達一周，而且電子脈衝的變化過程與此吸附過程相關。設計實驗對比研究了陶瓷材料與聚四氟乙烯材料，發現陶瓷材料具有更好的性能，吸附氣體少且達到平衡時間短。通過實驗分析提出了此現象的解釋：在電子漂移過程中與聚四氟乙烯材料吸附的氙氣碰撞形成負氙離子，從而改變了電子脈衝形狀和漂移時間。因此在電離室設計時要選擇好電極間絕緣材料，儘量減少其在電極間大面積使用。實驗研究了積分放大器的設計參數和電離室自身電容對電離室時間回響速度測量的影響，發現電離室的自身電容和放大器輸入端保護電阻的時間常數直接影響信號的變化過程，因此提出本項目研究用放大器參數的設計要求。 通過基金項目研究，設計了新結構氣體探測器，採用陶瓷印刷電路板為電極材料，採用金屬槽為電極的固定支撐，不使用聚四氟乙烯絕緣材料。新結構氣體探測器的電流脈衝形狀不再隨著時間而改變，氣體吸附平衡時間明顯縮短為1天，氣體吸附量減少了70%。此種結構的氣體電離室的抗振性能比原來貨櫃檢測系統用的電離室明顯提高。