高压气体电离室时间响应速度的研究

高压气体电离室已成功应用在集装箱数字辐射成像检测系统中，随着检测速度的提高，对电离室的时间响应速度也要求要越来越快，否则就会使得相邻采集信号之间产生干扰，影响检测图像的清晰度。电离室的时间响应速度主要是由离子收集时间决定的，因此需要研究测量离子漂移速度的方法。在查阅的外文文献中给出的测量离子漂移速度的方法和实验数据都是在比较低的气压下测量的，在高气压情况下如何测量离子漂移速度还没有查到相关文献报道。本课题提出了用旋转准直器将X射线源转变成周期变化的射线脉冲信号，让射线脉冲在电离室内产生大量离子脉冲信号，通过变积分时间测量离子电流脉冲的信号收集过程，再通过数据分析处理得到离子的漂移速度和收集时间。通过研究测量高压气体电离室中离子漂移速度，这对优化电离室结构设计、确定电离室的时间响应速度都具有非常重要的基础研究意义。

研究高气压条件下气体电离室的时间响应速度主要是测量离子在电极间的漂移时间，在本基金项目研究中，巧妙设计了实验测量方法：提出了与国外在低气压条件下测量离子漂移时间截然不同的测量方法，而低气压条件下的测量方法并不适合高气压条件下测量。将X光机均匀输出的射线通过旋转快门和准直器转化为交替输出的射线脉冲，通过研究电离室信号电流在射线脉冲交替变化时的变化过程来测量离子漂移时间。在理论上分析了信号电流的变化过程，提出了匀速采样测量和步进积分测量两种测量方法，分别通过二次和三次线性拟合分析处理两种方式测量的数据。对于匀速采样测量数据进行二次拟合，一次项系数和二次项系数之比为漂移时间的-2倍；对于步进积分采样测量数据进行三次拟合，二次项系数和三次项系数之比为漂移时间的-3倍。分别设计了旋转快门、准直器、不同极间距离的薄窗气体阵列电离室以及数据采集系统，搭建了实验测量系统，采用两种测量方法获得了实验数据，分别进行了数据拟合分析处理，得出了相近的实验测量结果。.通过仔细分析信号电流变化过程，发现电子电流信号不明显。当采用脉冲X光机测量电离室电流信号时，发现刚充气的电离室电子电流信号幅度高脉冲窄，经过一周后，电子电流信号幅度明显降低，脉冲宽度变宽。通过仔细分析和实验发现电离室内部绝缘材料聚四氟乙烯具有吸附电离室内部工作气体的现象，其吸附氙气平衡时间长达一周，而且电子脉冲的变化过程与此吸附过程相关。设计实验对比研究了陶瓷材料与聚四氟乙烯材料，发现陶瓷材料具有更好的性能，吸附气体少且达到平衡时间短。通过实验分析提出了此现象的解释：在电子漂移过程中与聚四氟乙烯材料吸附的氙气碰撞形成负氙离子，从而改变了电子脉冲形状和漂移时间。因此在电离室设计时要选择好电极间绝缘材料，尽量减少其在电极间大面积使用。实验研究了积分放大器的设计参数和电离室自身电容对电离室时间响应速度测量的影响，发现电离室的自身电容和放大器输入端保护电阻的时间常数直接影响信号的变化过程，因此提出本项目研究用放大器参数的设计要求。.通过基金项目研究，设计了新结构气体探测器，采用陶瓷印刷电路板为电极材料，采用金属槽为电极的固定支撑，不使用聚四氟乙烯绝缘材料。新结构气体探测器的电流脉冲形状不再随着时间而改变，气体吸附平衡时间明显缩短为1天，气体吸附量减少了70%。此种结构的气体电离室的抗振性能比原来集装箱检测系统用的电离室明显提高。