[科普中国]-电离室

电离室是利用电离辐射的电离效应测量电离辐射的探测器，又称离子室，台湾等地称电离箱。电离室由处于不同电位的电极和其间的介质组成。电离辐射在介质中产生电离离子对，在电场的作用下，正负离子分别向负极和正极漂移，形成电离电流。由于电离电流与辐射的强度成正比，测量该电流即可得到电离辐射的强度。

按照介质的种类，电离室可分为空气电离室、液体电离室和固体电离室等；按照测量方法分为脉冲型电离室和电流型电离室。电离室种类繁多，除了上述分类，还可按照应用、辐射种类、形状、气体种类和压力、测量对象、测量的校准量等分类。如：吸收剂量电离室、电子束电离室、高气压井型电离室、α脉冲电离室、补偿型中子电离室、放射治疗辐射测量用（治疗水平）电离室等。

概念电离室是最早的核辐射探测器。也是一种探测电离辐射的气体探测器。气体探测器的原理是，当探测器受到射线照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对。这些离子向周围区域自由扩散。扩散过程中，电子和正离子可以复合重新形成中性分子。但是，若在构成气体探测器的收集极和高压极上加直流的极化电压V，形成电场，那么电子和正离子就会分别被拉向正负两极，并被收集。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、饱和区、正比区、有限正比区、盖革区(G - M区)一直变化到连续放电区。

分类电离室的分类极为复杂，下面是一些比较常见分类的举例。

按照测量剂量率或剂量大小1）治疗水平电离室，灵敏体积约在0.01毫升至5.0 毫升之间，测量的剂量率范围在1 mGy/min至10 Gy/min；

2）诊断水平电离室，灵敏体积约在5毫升至500毫升之间，测量的剂量率范围在0.1 mGy/min至10 Gy/min，但剂量只有0.1 mGy至0.1Gy；

3）防护水平电离室，灵敏体积约在，30毫升至3升之间，测量的剂量率范围在0.1 μGy/h至1 Gy/h；

4）环境水平电离室，灵敏体积约在3升至100升之间，为了减小体积，常采取气体加压设计，测量的剂量率范围在1μGy/h至10μGy/h；

按照测量对象1）α电离室、β电离室、或α、β电离室，电离室的部分壁非常薄，是的α、β粒子或其次级电子可以穿过，到达灵敏体积。有时也设计成将α、β源直接置入电离室内部的形式；

2）γ电离室电离室壁通常有一定厚度，从而降低对α、β粒子的响应；

3）中子电离室用于中子剂量测量，常设计成双电离室的形式。其基本原理是石墨电离室主要对光子响应，对中子基本无响应，而塑料电离室则对光子和中子都响应，计算二个电离室响应之差便是中子剂量；

4）电子束电离室，专门用于加速器电子束测量的平行平板电离室；

5）布喇格峰电离室，设计用于测量重离子射束的布喇格峰的电离室。

按照电离室的形状1）壳电离室：电离室的测量体积在0.1cm3至1.0 cm3之间，由装在支持杆上硬的外电极包围。测量体积通常围绕支持杆的轴对称，使用时对称轴垂直于辐射束的轴线。壳电离室有二类，即指（套）型电离室和球型电离室。指（套）型电离室外电极为硬的圆柱形状，一端封闭，另一端装在支持杆上。球型电离室的外电极是硬的球形壁装在支持杆上。

2）平行板电离室：电离室的测量体积在0.01cm3至0.5 cm3之间，由二平行电极包围。使用时二平行电极面垂直于辐射束的轴线。

3）通气电离室：电离室的结构使得测量体积内的空气可与大气自由交换。因此需要对空气密度变化的影响做修正。

4）密封电离室：电离室的结构限制测量体积内的空气与大气之间的通路，充分保证电离室的响应与环境条件变化在制造厂指明的时间期间内无关。

5）无保护电离室：电离室的电缆中围绕中心信号导体的保护导体终止在电缆中，不延伸进入电离室装置的杆或体内。

6）部分保护电离室：电离室的电缆中围绕中心信号导体的保护导体延伸进入电离室装置的杆或体内，但不进入电离室的空气中。

7）保护电离室：电离室装置的杆或体的保护导体与保护电极连接，保护电极与电离室内空气接触。

按照测量理论1）石墨空腔电离室；

2）绝对测量自由空气电离室。1

工作原理所谓电离室即工作在饱和区的气体探测器，因而饱和区又称电离室区。如果选择了适当的极化电压，复合效应便可忽略，也没有碰撞放大产生，此时可认为射线产生的初始离子对恰好全部被收集，形成电离电流。该电离电流正比于，因而正比于射线强度。加速器的监测探测器一般均采用电离室。标准剂量计也用电离室作为测量元件。电离室的电流可以用一台灵敏度很高的静电计测量。

不难看出，电离室主要由收集极和高压极组成，收集极和高压极之间是气体。与其他气体探测器不同的是，电离室一般以一个大气压左右的空气为灵敏体积，该部分可以与外界完全连通，也可以处于封闭状态。其周围是由导电的空气等效材料或组织等效材料构成的电极，中心是收集电极，二极间加一定的极化电压形成电场。为了使收集到的电离离子全部形成电离电流，减少漏电损失，在收集极和高压极之间需要增加保护极。

当X射线、γ射线照射电离室，光子与电离室材料发生相互作用，主要在电离室室壁产生次级电子。次级电子使电离室内的空气电离，电离离子在电场的作用下向收集极运动，到达收集极的离子被收集，形成电离电流信号输出给测量单元。1

电离辐射电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多，高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子，不带电粒子有种子以及X射线、γ射线。

α射线是一种带电粒子流，由于带电，它所到之处很容易引起电离。α射线有很强的电离本领，这种性质既可利用。也带来一定破坏处，对人体内组织破坏能力较大。由于其质量较大，穿透能力差，在空气中的射程只有及厘米，只要一张纸或健康的皮肤就能挡住。

β射线也是一种高速带电粒子，其电离本领比α射线小得多，但穿透本领比α射线大，但与X、γ射线比β射线的射程短，很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收。

X射线和γ射线的性质大致相同，是不带电波长短的电磁波，因此把他们统称为光子。两者的穿透力较强，要特别注意意外照射防护。

电离辐射存在于自然界，但人工辐射已遍及各个领域，专门从事生产、使用及研究电离辐射工作的，称为放射工作人员。与放射有关的职业有：

核工业系统的和原料勘探、开采、冶炼与精加工，核燃料及反应堆的生产、使用及研究；农业的照射培育新品种，蔬菜水果保险，粮食贮存；医药的X射线透视、照相诊断、放射性核素对人体脏器测定，对肿瘤的照射治疗等；工业部门的各种加速器、射线发生器及电子显微镜、电子速焊机、彩电显像管、高压电子管等。2

主要性能灵敏度一般说来，电离室的灵敏度取决于电离室内的空气质量。由于电离室内的气压近似为一个大气压，那么，也可以说其灵敏度正比于空气体积，因而这个体积又称“灵敏体积”。随着电离室体积增大，灵敏度增高。

能量响应如上所述，电离室的响应(灵敏度)正比于空气比释动能率(照射量率)，而不受其他影响，例如不应随能量的变化而变化，不应随温度的变化而变化等。但是由于电离室本身不能完全由空气制作，不能完全等同于空气，当辐射的能量改变后，电离室的响应(灵敏度)也随之改变，这种特性称之为能量响应。

对于剂量测量的电离室，能量响应是极为重要的性能参数，而对于剂量监测的电离室虽然也关心能量响应，但不是非常重要。

电子平衡在加速器辐射和空气的相互作用中，加速器的光子不能直接引起电离，而是通过光电吸收、康普顿散射和电子对生成作用损失能量，产生次级电子。加速器的初级电子虽然引起电离，但是引起空气电离的主要还是次级电子。加速器光子或初级电子在与物质的作用中首先产生次级电子，而作为电离室，进入电离室空气空腔的次级电子主要在电离室的壁中产生的。由于壁的材料的密度比空气大得多，产生的电子也多，因此随着壁厚的增加，进入电离室空气灵敏体积的次级电子增加，当电离室壁厚增加到一定程度，电离室壁对次级电子的阻挡作用开始明显，并最终使得进入灵敏体积的次级电子和逃出灵敏体积的次级电子相等，我们便称这种状态为“电子平衡”，或称“电子建成”。广义的说，所谓电子平衡，是指进入测量体积元的次级电子能量等于离开该体积元的次级电子能量。当射线的能量高时，次级电子的能量也高，穿透的材料厚度增大，达到电子平衡的厚度也增大。

一般来说，只要包围收集体积空气的材料的厚度大于次级电子最大射程，电子平衡条件就可基本满足。我们稍微详细点分析。

对于常用的或辐射，要达到带电粒子平衡，所需的介质厚度为其产生的次级电子射程。表1给出某些X射线在水中的减弱系数与次级电子的射程。

表1．X射线在水中的减弱系数与次级电子射程

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复合损失如前所述，如果选择了适当的极化电压，复合效应便可忽略。但是复合损失不仅与极化电压有关，还与电离室灵敏体积中空气的电离密度有关，即与剂量率有关。由于离子复合，空腔内的电荷收集效率不高，需用修正因子。

如果详细研究，电离室的复合效应与其形状、收集电压、以及辐射产生电荷的速度有关。当测量加速器时，辐射是脉冲式的，脉冲瞬间的辐射剂量率远远大于其平均剂量率，复合修正因子变得相当重要。对于连续辐照(γ射线束)复合效应一般非常小。为了检验电离室的复合损失，可以将极化电压减低到正常值的0.5倍，如果电流值大于正常极化电压的99.5%，问题不大；如果电流值仅为正常极化电压的99.0%，须要认真对待；如果更小，则必须采取措施。

但是电离室的体积越大，对周围的扰动越大，影响辐射场的测量。而辐射场的测量中，扰动的影响是很难定量确定。因此用于放射治疗辐射场测量的电离室体积不能太大，通常小于1cm。

虽然电离室可以单独校淮，但较多情况下电离室和其测量单元作为一个整体校准。3

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所