CN108459342A - 一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室及制造方法，该抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室包括电离室探头，所述电离室探头包括外壳、蜂窝屏蔽栅网、金属管、绝缘子及法兰。所述外壳为圆柱状，与法兰连接共同起到密封电离室的作用。本发明通过充入高压气体，使得气体电离室的探测效率成倍增长；通过充入氙离子吸附气体，降低电子与正离子的复合概率；通过加入屏蔽栅电极，将辐射光子电离产生的正离子信号屏蔽掉，从而大大提高电离室计数率；通过设计蜂窝屏蔽栅网结构加大了电离室的抗噪声震动能力，提高输出信号的稳定性，从而提升电离室的能量分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测器领域，具体涉及一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室及制造方法。
背景技术
核技术的快速发展使得核安全监控变得尤为重要，现有核安全监测设备大多使用固体探测器如闪烁体探测器和半导体探测器，极少使用气体探测器。虽然气体探测器对于辐照探测具有其独有的一些优势，比如抗辐照性能强，能量分辨率不受温度影响，结构简单易用，制作以及造价相对便宜等。但是，气体探测器很少用于安全监测的主要原因包括以下几点：1)大部分气体探测器探测效率低，2)每秒光子计数率低，3)γ射线能谱能量分辨率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室及制造方法，有效解决了气体探测器探测效率低、光子计数率低以及γ射线能谱分辨率低的问题，提高了γ射线能谱能量分辨率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于：
一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，包括电离室探头，所述电离室探头包括外壳、蜂窝屏蔽栅网、金属管、绝缘子及法兰。
所述外壳为圆柱状，底部通过预留凹槽固定底部的绝缘子；所述底部的绝缘子连接金属管及蜂窝屏蔽栅网的下端；所述金属管位于蜂窝屏蔽栅网的内圈且与蜂窝屏蔽栅网及外壳同轴；所述金属管及蜂窝屏蔽栅网的上端连接顶部的绝缘子；所述顶部的绝缘子与外壳之间连接有法兰，所述法兰用于密封电离室。
进一步的，所述法兰上设置有馈通件A)和馈通件B，所述馈通件A的一端与蜂窝屏蔽栅网连接，所述馈通件B的一端与外壳连接；所述顶部的绝缘子上设置有电极A和电极B，所述电极A的一端固定在底部的绝缘子上，所述电极B的一端连接金属管。由于电离室各电极之间的电压差高达上万伏，使用馈通件可满足电离室各电极之间的绝缘性能；所述电极A用于作为参考零电位，所述电极B用于传导电离室金属阳极管上产生的电流信号。
进一步的，所述法兰上还设置有充气阀门及法兰垫片；所述充气阀门可用于将电离室内部抽至超高真空状态，约为10-3pa左右；另外可通过充气阀向电离室内部充入50大气压的电离气体；所述法兰垫片可提升电离室的气密性，提高电离室使用寿命。
进一步的，所述电离室探头的内部用于充入氙离子吸附气体。
进一步的，所述外壳使用不锈钢材料，所述金属管使用钛金属材料，所述绝缘子使用陶瓷材料，所述馈通件使用陶瓷材料。
进一步的，所述外壳的厚度为3mm，直径为100mm，长度为255mm。
进一步的，所述蜂窝屏蔽栅网的厚度为0.3mm，直径为36.76mm，长度为220mm。
一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，装配所述电离室探头；
步骤S2，对所述电离室探头进行抽真空与充气实验，并完成至少40倍大气压以及24小时以上的承压安全实验；
步骤S3，根据蒙特卡罗方法模拟计算的结果，给所述高气压蜂窝屏栅电离室各电极加上高压测试高气压蜂窝屏栅电离室输出信号；
步骤S4，将所述电离室探头及所有电子学设备整体封装于绝缘材料与封装外壳中。
进一步的，所述步骤S1包括：
步骤S11，对所述外壳、法兰及蜂窝屏蔽栅网进行抛光、打磨及打孔；
步骤S12，将两个电极分别连接在顶部的绝缘子上，将电极A的一端固定在所述底部的绝缘子上，在所述金属管上打一小孔，将电极B的一端与所述金属管进行连接；
步骤S13，将所述蜂窝屏蔽栅网固定在两个绝缘子之间；
步骤S14，将上端的绝缘子、两个馈通件、充气阀门及法兰垫片与所述法兰连接，并清洗所述法兰；
步骤S15，将所述法兰与外壳进行连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1)本发明通过向气体电离室内充入高气压氙离子吸附气体，大大提高了气体电离室的探测效率，降低了电离室内部电子复合概率，从而提高气体电离室的最高探测限以及电离室能量分辨率；
2)本发明通过设计电离室蜂窝屏蔽栅网结构，提升了电离室屏蔽栅网的抗震动能力，使得电离室内部电场稳定，电离电子在电离室内部漂移过程平稳，电离室阳极输出信号波动减小，提高屏栅电离室能量分辨率；
3)本发明通过设计电离室蜂窝屏蔽栅网结构，将外部射线在电离室内电离产生的正离子信号屏蔽掉，从而使得电离室获得的脉冲信号几乎全部由电离电子贡献。又由于电子在电离室内的漂移速度比正离子在电离室内的漂移速度大三个数量级以上，所以单个电离室脉冲信号的收集时间也同样能够缩短三个数量级，从而大大提高了电离室探测器的计数率；
4)本发明通过设计电离室蜂窝屏蔽栅网结构，使得电离室获得的脉冲信号几乎全部由电离电子贡献。由于避免了正离子信号的影响，使电离室电流信号在收集过程中的统计误差降低，电离室探测能谱的能量分辨率也因此提升；
5)本发明使用法兰连接的方式，方便屏栅电离室的拆卸，易于对屏栅电离室内部结构进行优化调整；与此同时，电离室在使用年限维护时更加简单高效。
附图说明
图1为本发明电离室探头结构示意图；
图2为氙离子吸附气体工作原理图；
图3为外壳厚度对不同能量γ射线吸收率；
图4为高气压蜂窝屏栅电离室内部工作原理图；
图5为高气压蜂窝屏栅电离室内电离区能量沉积份额随栅极-阴极距离的变化；
图6为高气压蜂窝屏栅电离室内部汤森系数随电场强度的变化；
图7为高气压蜂窝屏栅电离室内部电场强度分布图；
图8为高气压蜂窝屏栅电离室沿径向电场强度分布图；
图9为本发明抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室的制造方法流程图；
图10为装配电离室探头的具体流程图。
附图标记：1、外壳；2、蜂窝屏蔽栅网；3、金属管；4、绝缘子；5、法兰；6、馈通件A；7、馈通件B；8、电极A；9、电极B。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，包括电离室探头，电离室探头包括外壳1、蜂窝屏蔽栅网2、金属管3、绝缘子4和法兰5。
电离室探头的外壳1为凸形圆柱状壳体，作为高压电极，即电离室阴极；蜂窝屏蔽栅网2位于外壳1的内部，与外壳同轴，作为栅极；金属管3位于蜂窝屏蔽栅网2的内部，与外壳1和蜂窝屏蔽栅网2同轴，作为收集级，即电离室阳极。电离室探头的金属管3和蜂窝屏蔽栅网2同时固定在上下两端绝缘子4上，然后将上端绝缘子4与法兰5连接，法兰5用于密封电离室。同时，将两个馈通件同样固定在法兰5上，其中馈通件A6的一端与蜂窝屏蔽栅网2连接，馈通件B7的一端和电离室的外壳连1接；顶部的绝缘子4上设置有电极A8和电极B9，电极A8的一端固定在底部绝缘子4上，电极B9的一端连接金属管3。在法兰5的内侧设置法兰垫片。另外，电离室探头还设置有一充气阀门，连接在法兰5上。外壳1内用于充入氙气与氢气的混合气体，环境辐射中的γ射线入射到电离室内，使混合气体电离产生电子，电子漂移过程中，作为阳极的金属管上会产生感应电流，并通过电极B9进行输出。
电离室探头的外壳1使用的材料为304不锈钢材料，直径为100mm，长度为255mm，厚度为3mm，密度7.8g/cm3。蜂窝屏蔽栅网2直径为36.75mm，长度为220mm厚度为0.3mm，网间距5mm，密度7.8g/cm3。金属管3直径为10mm，长度为200mm，厚度为1mm，密度4.51g/cm3。
电离室的工作原理如下：
当环境辐射中的γ射线入射到电离室时，他们与外壳1及外壳1内部充入的高气压混合气体相互作用产生次级电子，使混合气体电离。电离产生的电子离子对在外加电场的作用下分别向阳极和阴极漂移。由于静电感应，在电离室的两个电极上会有感应电荷产生。由于蜂窝屏蔽栅网2的存在，正离子在漂移过程中无法在金属管3上产生感生电荷，所以金属管3上产生的电流信号只与γ射线电离产生的电子个数有关。另一方面，γ射线在混合气体中产生的电子离子对又与入射γ射线的能量成正比，所以电离室收集电极上产生的电流信号与入射γ射线的能量成正比，电子学系统通过测量电离后的产生的电流即可间接完成电离辐射能量的测量。
为提高电离能量分辨率，向电离室内部充入氙离子吸附气体，γ射线进入高压气体电离室引起电离室内部混合气体电离后，电子在探测器内部电场的作用下向阳极运动。电子在运动过程中会发生漂移、扩散、复合、吸附。复合指电子与氙离子复合形成中性分子；吸附指电子被中性气体分子俘获形成负离子。这两种效应都将减少阳极收集到的电子数量，引起能量测量的偏差。现有的高压气体电离室都采用氙气与氢气的混合气体，并且尽量减少负电性气体(如O2、N2)，以降低电子的吸附效应。本发明在高压氙气体中加入氙离子吸附气体，通过减少γ射线电离产生的氙离子降低电子与正离子的复合概率。
以乙醇为例，由于乙醇的电离电位比氙低，氙离子在向阴级运动时容易夺走乙醇分子中的电子还原成氙原子。乙醇离子则释放出一个能量较小的光子，这些光子又被乙醇分子强烈吸收。这样就完成了氙离子向乙醇离子的置换过程。而乙醇离子与电子的复合概率低于氙离子，从而降低了电子复合效应。氙离子吸附的反应过程参考图2。电子复合效应的降低将减少阳极收集到的电荷数量波动，提升探测器的能量分辨率。
为提高电离能量分辨率，本发明设计了蜂窝屏蔽栅网2结构，蜂窝屏蔽栅网2能有效提高电离室漂移区电场的均匀性，使电子在电离室漂移区的漂移过程更加稳定，从而使得阳极输出脉冲信号的涨落降低，提高屏栅电离室的能量分辨率。另外，蜂窝屏蔽栅网2的共振效应是高气压屏栅电离室抗振动噪声性能差的主要原因。当探测器发生振动时，电离室漂移区厚度随震动发生变化，影响电子在电离室漂移的时间，降低了电离室的能量分辨率。蜂窝状屏蔽栅网2抗震动能力相比于普通屏蔽栅网大大提高，当探测器发生振动时，漂移区厚度变化极小，探测器能量分辨率相对稳定。这一新型结构可以解决现有高压屏栅电离室抗振动噪声性能差的缺点。
为提高电离室探测效率，需加大电离室内部混合气体气压。但是加大电离室内部混合气体气压的同时，电离室的外壳1的厚度也会随之变厚。由于外壳1对γ射线的阻止本领相对气体来说要强得多，因此对于电离室探测器的能量探测下限的选取与电离室的外壳1的厚度有密切的联系，此时需要引入蒙特卡罗方法研究电离室探测器的能量探测下线与电离室的外壳1壁厚的关系。蒙卡模拟计算0.5mm，1mm，3mm的厚度不锈钢材料对不同能量γ射线吸收率。参阅附图3，根据蒙卡模拟结果选取不锈钢厚度为3mm，电离室探测器的探测下限约为50keV。
高压气体电离室要求外壳1具备优良的耐压与密封性能。其结构与工艺必须保证密封壳的耐压强度大于工作气体压强的1.5倍，而总泄露率则应小到使工作寿命期间因漏气而导致的电离室性能变化不超出允许范围。下式为承受内压的薄壁压力容器圆筒计算公式：
其中P为薄壁所受压，D为压力容器的直径，δ为薄壁厚度，σ为材料许用拉应力，为平均焊缝系数；
预设高气压电离室内部气压高达5MPa(等量50倍大气压强度)，乘上安全系数1.5后压力P为7.5MPa，不锈钢外壳1壁厚δ为3mm，304不锈钢材料常温下的许用拉硬力σ为137MPa，不锈钢外壳1采用氩弧焊工艺，取平均焊缝系数σ为0.95，通过上述公式计算得圆筒的直径D为101.12mm。由于圆筒直径减小可相对加大高气压电离室的承压限度，设计高气压蜂窝屏栅电离室灵敏体积为2L，取圆筒半径为50mm进行计算，则电离室的长度为254.8mm，即不锈钢外壳1长度为254.8mm。由于圆筒半径相对缩小，则不锈钢外壳1可稍许加长，设计不锈钢外壳1长度为255mm。
参考图4，入射γ射线到电离室内部后，会在不锈钢外壳1即电离室阴极和蜂窝屏蔽栅网2即电离室的栅极之间的电离区域与高气压混合气体发生电离，产生电子离子对。为了尽可能加大电离室对于γ射线的探测效率，则应该加大电离室区域，也就是附图4中的R值。但是这一数值无法超过电离室阴极与阳极之间的距离D，因为电离电子需通过电离室栅极进入到漂移区，电子在漂移区内漂移时才会在电离室阳极上产生感应电流。为了确定电离室电离区的大小，也就是附图4中的R值，此时需要引入蒙特卡罗方法对电离室探测器内部相对探测效率进行模拟计算。
运用蒙卡程序对高气压电离室进行建模设计。取长度为255mm，直径为100mm区域的圆柱形区域A设计为高气压电离室内部，在该区域内填充50倍大气压强度的氙气与氢气的混合气体。取长度为261mm，直径为106mm区域的圆柱形区域B，在A和B两个区域内部填充不锈钢材料。在外圆柱表面设置一个各向同性的放射性电源进行模拟计算。取放射源γ射线的能量为50-3000keV之间，计算电离室内部径向分布所沉积的γ射线份额。参考附图4和附图5，可知随着栅极-阴极之间距离R的增加，电离室电离区沉积能量份额逐渐上升；另外，随着γ射线入射能量的增强，电离室电离区沉积能量份额趋于稳定。取模拟最大入射γ射线能量3000keV进行分析，要求电离室电离区能量沉积份额为90％，则相应的栅极-阴极距离R为3.162cm。由于电离室外壳直径为100mm，则高气压蜂窝屏栅电离室内蜂窝屏蔽栅网2的直径为36.76mm。
电离室阴极与栅极之间漂移区的电场应该在合理的范围内，这不仅可以防止电子的附着和复合，而且可以保证电离室工作点电离区。为了防止电子被栅极丝俘获，阳极和栅极之间的电场与阴极和栅极之间电场的比值必须大于临界值Zc。
其中ρ＝2πr/ξ，r为栅极丝的半径即金属蜂窝屏蔽栅网的厚度，ξ为屏蔽栅网的网间距；取r为0.5mm，ξ为5mm进行计算，可以得到栅极-阴极之间的电场与栅极-阴极之间电场的比值临界值为4.36。
此外，由于电离室内部存在电场，γ射线在电离室内部电离产生的电子会在电场的作用下加速向电离室阳极漂移。当电子加速获得的能量足够再次电离气体分子从而产生新的电子离子对时，电离室内部就会发生电子雪崩效应。为了保证电离室获得较高的能量分辨率，应尽量避免电离室内部发生电子雪崩效应。以下公式为，在雪崩放大的过程中，电子数成指数增长：
n＝n0eαx
上式中，n为雪崩后的电子数，n0为雪崩前电子个数，α为气体汤森系数，x为电子漂移距离。其中气体汤森系数随电离室内部电场强度变化，为避免电离室内部发生电子雪崩效应，应该使得汤森系数足够小。参考附图6，可知，汤森系数在电场强度小于17000V/cm时，几乎等于零，所以高气压蜂窝屏栅电离室内部电场强度需小于17000V/cm。
基于以上原因，需设计高气压蜂窝屏栅电离室各电极电压，设计高气压电离室的外壳1电压为-10000V，蜂窝屏蔽栅网2的电压为-8000V，金属管3作为电离室阳极，由于需要输出电流信号，设计电压为0V。通过有限元分析软件Ansys进行电场电离室内部电场模拟，参考附图7和附图8为所述参数下电离室内部电场强度图。从图中可以看出高气压电离室内部栅极-阴极之间的电场强度约为8000V/cm，栅极-阴极之间的电场强度值约为1000V/cm，两者比值约等于8，大于临界值4.36。
综上所述，本发明设计出抗辐照圆柱形高气压蜂窝屏栅电离室，并通过蒙特卡罗方法以及工程应用学计算电离室各部件设计参数，合理优化电离室内建电场，使高气压蜂窝屏栅电离室工作在最好条件下。
如图9所示，为本发明的一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室的制造方法的流程图。该制造方法包括如下步骤；
步骤S1，装配高气压蜂窝屏栅电离室；
步骤S2，对高气压蜂窝屏栅电离室探头进行抽真空与充气试验。由于空气中负电性气体的存在，抽真空时，电离室内部真空度约为10-3Pa。之后，为电离室内部充入95％氙气与5％氢气的混合气体(混合气体中加入少量乙醇气体)，至50倍大气压条件下，完成24小时以上的承压安全测试。
步骤S3，根据蒙特卡罗方法模拟计算的结果，对高气压蜂窝屏栅电离室各电极电压进行耐压测试，保证各电极之间流过电流小于1fA；
步骤S4，将所述高气压蜂窝屏栅电离室探头用有机绝缘材料封装，另外将整个探头及所有电子学设备整体屏蔽在封装外壳中。
如图10所示，为装配高气压蜂窝屏栅电离室探头的具体流程图，步骤S1包括以下步骤:
步骤S11，对所述不锈钢外壳、金属法兰、金属蜂窝屏蔽栅网进行抛光、打磨、及打孔；
步骤S12，将两个金属电极分别焊接在所述陶瓷缘子内，在金属管上打一小孔，将其中一根电极的一端与所述金属管进行焊接；
步骤S13，将所述金属蜂窝屏蔽栅网通过插入的形式固定在两个陶瓷绝缘子上；
步骤S14，将上端的陶瓷绝缘子、两个陶瓷馈通件、充气阀门、法兰垫片与所述法兰连接，并清洗焊接后的所述法兰；
步骤S15，将所述法兰与所述外壳通过螺丝与螺母进行连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，包括电离室探头，其特征在于，所述电离室探头包括外壳(1)、蜂窝屏蔽栅网(2)、金属管(3)、绝缘子(4)及法兰(5)；所述外壳(1)为圆柱状，底部通过预留凹槽固定底部的绝缘子(4)；所述底部的绝缘子(4)连接金属管(3)及蜂窝屏蔽栅网(2)的下端；所述金属管(3)位于蜂窝屏蔽栅网(2)的内圈且与蜂窝屏蔽栅网(2)及外壳(1)同轴；所述金属管(3)及蜂窝屏蔽栅网(2)的上端连接顶部的绝缘子(4)；所述顶部的绝缘子(4)与外壳之间连接有法兰(5)，所述法兰(5)用于密封电离室。
2.根据权利要求1所述的一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，其特征在于，所述法兰(5)上设置有馈通件A(6)和馈通件B(7)，所述馈通件A(6)的一端与蜂窝屏蔽栅网(2)连接，所述馈通件B(7)的一端与外壳(1)连接；所述顶部的绝缘子(4)上设置有电极A(8)和电极B(9)，所述电极A(8)的一端固定在底部的绝缘子(4)上，所述电极B(9)的一端连接金属管(3)。
3.根据权利要求2所述的一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，其特征在于，所述法兰(5)上还设置有充气阀门及法兰垫片。
4.根据权利要求3所述的一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，其特征在于，所述电离室探头的内部用于充入氙离子吸附气体。
5.根据权利要求4所述的一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，其特征在于，所述外壳(1)使用不锈钢材料，所述金属管(3)使用钛金属材料，所述绝缘子(4)使用陶瓷材料，所述馈通件使用陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的一种抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室，其特征在于，所述外壳(1)的厚度为3mm，直径为100mm，长度为255mm。
7.根据权利要求6所述的高气压蜂窝屏栅电离室，其特征在于，所述蜂窝屏蔽栅网(2)的厚度为0.3mm，直径为36.76mm，长度为220mm。
8.一种权利要求1-7任一项所述的抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，装配所述电离室探头；
步骤S2，对所述电离室探头进行抽真空与充气实验，并完成至少40倍大气压以及24小时以上的承压安全实验；
步骤S3，根据蒙特卡罗方法模拟计算的结果，给所述高气压蜂窝屏栅电离室各电极加上高压测试高气压蜂窝屏栅电离室输出信号；
步骤S4，将所述电离室探头及所有电子学设备整体封装于绝缘材料与封装外壳中。
9.根据权利要求8所述的一种制造抗辐照高气压蜂窝屏栅电离室的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，对所述外壳(1)、法兰(5)及蜂窝屏蔽栅网(2)进行抛光、打磨及打孔；
步骤S12，将两个电极分别连接在顶部的绝缘子(4)上，将电极A(8)的一端固定在所述底部的绝缘子(4)上，在所述金属管(3)上打一小孔，将电极B(9)的一端与所述金属管(3)进行连接；
步骤S13，将所述蜂窝屏蔽栅网(2)固定在两个绝缘子(4)之间；
步骤S14，将上端的绝缘子(4)、两个馈通件、充气阀门及法兰垫片与所述法兰(5)连接，并清洗所述法兰(5)；
步骤S15，将所述法兰与外壳进行连接。
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