电离辐射计量学的微电流测量系统研究

论文摘要

电离辐射计量是研究电离辐射计量单位和测量的一门学科,也是将电离辐射与物质相互作用应用到各个领域的充分体现。其内容非常广泛,涉及核物理、辐射防护、生物医学、计量学、环境工程学和临床医学等领域。微弱电流作为射线与物质相互作用的最重要的表现方式之一,也是电离辐射计量中研究射线基本物理量的重要手段。本文依托中国计量科学研究院课题:X射线辐射场的测量与研究和低能X射线空气比释动能绝对测量方法的研究,并在参加亚太地区低能X射线空气比释动能关键比对的背景下完成的。通过工程设计与实验分析,分别建立了基于Townsend补偿法和高精度静电计的微电流测量系统。系统的建立将成为我国低能X射线空气比释动能基准的重要组成部分,为低能X射线空气比释动能国际比对提供不可或缺技术支持。系统可以应用于电离辐射计量中γ射线、剂量活度测量、放射性核素领域电离电流测量,并对于量值传递和仪器仪表的检定与校准有着非常重要的推广价值。本文研究的是电离辐射计量学的微电流测量系统,微电流是射线与物质相互作用产物,也是使用电离室探测射线的主要物理量,在电离辐射领域有重要的作用。文章从辐射测量技术基础知识出发,依次介绍了探测X射线电离电流的基本原理和方法,实验中产生电离电流的X射线标准辐射场装置,微电流测量的方案和实际的工程设计,最后经过物理实验对不同的测量系统进行测试对比,并做出了相应评价。在探测X射线电离电流的基本原理和方法中主要介绍了电离电流产生过程,以及在电离辐射领域探测电离电流的方法,并且详细介绍了使用高阻法、漂移法和汤森补偿法测量微电流的原理和特点。低能X射线标准辐射装置是国家计量基准器具和国家计量标准器具重要的组部分,也是进行微电流测量所不可或缺的重要条件。辐射场性能的测量和研究对于国家基准实现空气比释动能量值复现、国际比对和量值传递具有十分重要的意义。产生电离电流的X射线标准辐射装置主要包括光机系统、自动过滤装置、定位和监测系统、控制软件等。低能X射线辐射野均匀性也是影响电离电流测量精度的重要因素之一。辐射野均匀度太差,势必会增大测量的不确定度,为了准确测量微电流的值,进而实现低能X射线国家基准量值复现和实现X射线测量仪器和仪表量值溯源,规定光源焦点距参考面(电离室前表面)的距离为1000mm辐射野的直径大于10cm。分别使用胶片剂量计、二维矩阵探测器和平板电离室三种不同的方法对低能辐射场进行了研究,取得了较好的实验结果。影响电离电流测量精度的因素有很多,主要因素之一是系统的泄露电流。文章分析了漏电流的来源和为减少漏电所采用的处理方式。针对低能X射线电离电流产生的原理和特点,分别建立了基于汤森补偿法(自动、半自动、手动)和Keithley 6517高精度静电计、PTW UNIDOS剂量仪的微电流测量系统。汤森补偿法微弱电流测量系统主要包括以下几个部分:电流补偿电路、电压反馈、反馈补偿、测控单元等。系统硬件部分由电压源表、静电计、高精度数字万用表、精密电容和精密定时器等组成。系统软件基于LabVIEW可图形化编程,开发了集仪器控制、数据采集和处理、存储于一身的多功能测控软件。Keithley 6517高精度静电计系统也是利用LabVIEW编写可实时显示、存储电离电荷和电流值的测控软件。系统建立后,进行了初步的性能测试,实验结果表明,系统具有很好的重复性和短期稳定性。文章最后使用此次亚太地区低能X射线空气比释动能关键比对用的传递电离室AE1340C对设计的系统进行性能测试,并在建立的CCRI推荐的国际比对用的5个辐射质规范条件下,测量距离光管焦斑1000mm处参考平面上电离电流的大小。着重介绍汤森补偿系统和6517静电计系统电流、电荷档的测量结果,并对可能存在的偏差进行分析。最后对几套系统的适应场合做了简单的评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 课题依托
• 1.5 预期研究成果
• 第2章 X 射线电离电流测量技术概况
• 2.1 X 射线的发现
• 2.2 X 射线与物质的相互作用
• 2.3 辐射测量技术
• 2.3.1 辐射剂量计
• 2.3.2 辐射探测器电子学工作方式
• 2.4 微电流测量方法概况
• 2.4.1 微电流定义
• 2.4.2 高阻法
• 2.4.3 漂移法
• 2.4.4 汤森补偿法
• 第3章 低能X 射线辐射场的建立
• 3.1 低能X 射线标准辐射装置
• 3.1.1 X 射线光机系统
• 3.1.2 X 射线辐射源自动过滤装置
• 3.1.3 定位装置和监测系统
• 3.2 低能X 射线辐射野均匀性测量
• 3.2.1 矩阵探测器
• 3.2.2 胶片剂量计
• 3.2.3 平板电离室
• 3.2.4 小结
• 第4章 微弱电离电流的测量
• 4.1 X 射线电离电流的产生
• 4.2 汤森（TOWNSEND）零位补偿系统
• 4.2.1 补偿原理
• 4.2.2 影响因素
• 4.2.3 全自动汤森补偿测量系统的实现与测试
• 4.2.4 手动和半自动汤森补偿测量系统的实现与测试
• 4.3 微电流相对测量系统
• 4.3.1 高精度静电计测量系统
• 4.3.2 UNIDOS 剂量计测量系统
• 4.4 小结
• 第5章 测量系统的评价和展望
• 5.1 汤森补偿系统测量
• 5.2 6517 静电计系统测量
• 5.3 结果对比及评价
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果