电离室的测量和影响因素

（一）电离室工作的基本原理

电离室是最早应用的电离辐射探测器，已有100多年的历史，至今仍被广泛应用。电离室测量吸收剂量的基本过程是，由测量电离辐射在与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量，通过计算得出吸收剂量。

1.自由空气电离室

自由空气电离室是根据照射量的定义设计的一种仪器。它主要由两个相互平行的平板型电极构成，极间相互绝缘并分别连接到电源高压的正负端，电极间充有空气。电离室的一个极板与高压源的正端或负端相连；另一极板与静电计输入端相连，构成收集极。以收集极确定边界的两个电极间（存在电场）的区域即为电离室的灵敏体积。在灵敏体积外的电极称为保护极，它使灵敏体积边缘处的电场保持均匀，并同时使绝缘子的漏电流不流经测量回路，减少对被测信号的影响。当电离辐射如X（γ）射线射入电离室时，通过与其中的空气介质相互作用，产生次级电子，这些电子在其运动径迹上使空气的原子电离，产生一系列正负离子对。灵敏体积内是电子平衡区，在那里的电场作用下，电子、正离子分别向两极漂移，引起相应极板的感应电荷量发生变化，从而在外接电路中形成电离电流。在电子平衡条件下，测量到的电荷理论上应为次级电子所产生的全部电离电荷量。

2.指形电离室

标准型电离室的体积庞大，应用技术复杂。当X、γ光子能量较高时，建立电子平衡的空气厚度较大，因此不能用作现场测量仪器。指形电离室就是根据自由空气电离室的原理，为现场使用而设计的，又称实用型电离室。

将收集电极外的空气进行压缩，如图7-3A，假定空气外壳的半径等于电离辐射在空气中产生的次级电子的最大射程，满足进入气腔中的电子数与离开的相等，则既能满足电子平衡条件，同时又可以大幅度缩小电离室的体积。此条件下的电离室可认为与自由空气电离室具有相同的功能。将图7-3A中的空气外壳压缩，可形成7-3B所示的固态的空气等效外壳。所谓空气等效就是该种物质的有效原子序数与空气有效原子序数相等。由于固体空气等效材料的密度远大于自由空气密度，该种材料中达到电子平衡的厚度可远小于自由空气厚度。例如，对100～250kV的X射线，其空气等效壁的厚度约为1mm，就可达到电子平衡。

图7-3　指形电离室结构示意图

根据上述设想而制成的指形电离室如图7-3C所示。在电离室的内壁涂有一层导电材料，形成一个电极；另一个电极位于中心作收集极，用较低原子序数材料（如石墨或铝）制成。空气腔产生的电离电荷，是由室壁中的次级电子所产生的。为使指形电离室与自由空气电离室具有相同的效应，它的室壁应与空气外壳等效，即在指形电离室壁中产生的次级电子数和能谱与在空气中产生的一样。指形电离室壁的制作材料一般选用石墨、酚醛树脂和塑料等，它们的有效原子序数略小于空气的有效原子序数。比如空气的有效原子序数是=7.78，而石墨是=7.67。所以用作室壁的材料（如石墨这种室壁材料）在空气腔中产生的电离电荷也会略小于自由空气电离室。为此，选用有效原子序数略大的材料制成中心收集极，并注意其几何尺寸和在空腔中的位置，可以部分补偿室壁材料的不完全空气等效。

3.电离室的工作特性

为了保证电离室测量的精度，除定期（每年一次）将其和静电计送国家标准实验室校准外，在实际使用中，还应了解电离室本身具有的特性并按照测量要求给予必要的修正。

（1）电离室的方向性

电离室结构决定其具有角度依赖性。电离室灵敏度会受到电离辐射入射方向的影响。电离室的角度依赖性直接影响电离室的灵敏体积，同时指形电离室的灵敏度还与中心电极和室壁厚度和均匀性等因素有关。正确的使用方法是，平行板电离室应使其前表面垂直于射线束的中心轴，指形电离室应使其主轴线与射线束入射方向垂直。

（2）电离室的饱和效应

X（γ）射线进入电离室并电离空气产生正、负离子。如果在室壁和收集极之间加上电压形成电场会使离子定向移动，并被收集电极收集形成电流。如果电压较低，室内离子会因热运动由密度大处向密度小处产生扩散运动；同时，正、负离子在达到收集极前可能相遇复合成原子或分子而损失一部分由电离辐射产生的离子对数，从而表现为较小电流值。工作电压越低，正、负离子的复合与扩散作用显得越突出。当加大电压时，电流值逐渐增大，最后达到某一饱和值。这种状态是产生的离子被全部收集的状态。此时的电离电流称为饱和电离电流，它与电极电压无关。因此，应用电离室测量时要在饱和状态下进行。

但是在实际应用过程中，饱和状态的电离室收集极电流并非恒值，而是随工作电压增加而有一定的增加，这主要是由于边缘效应的影响。当工作电压改变时，电离室灵敏体积会有微小改变，正、负离子的复合并不能完全消除，以及绝缘材料的漏电流等，都是造成饱和区电流变化的重要原因。饱和区的电离室工作电压宽度及其电流变化是衡量电离室饱和特性的主要技术指标。

（3）电离室的杆效应

在辐射场中，因为电离室的金属杆、绝缘体和电缆会在电场中产生微弱的电流，叠加在电离室的信号电流中，形成电离室杆的泄漏，这一效应称为杆效应。

影响杆效应的主要因素是杆效应与X（γ）射线能量的依赖性。X（γ）射线能量越大，杆效应越明显。而对电子束，杆效应的影响不甚明确。另一特点是，电离室受照范围较小时，杆效应影响较大，而当受照长度增大到超过10cm时，杆效应对系统影响不明显。(www.xing528.com)

杆效应主要影响电离室的灵敏度。一般情况下其影响较小（＜1.0%），但也有的电离室会高达10%，因此，在实际应用中应尽力避免并给予校正。

（4）电离室的复合效应

如上所述，电离室即使工作在饱和区，也存在正、负离子复合效应的影响，并随辐射类型和辐射强度（注量率）变化，这种影响可用收集效应表示。收集效应为电离室收集的离子对数与由电离辐射产生的离子对数之比。显然，收集效应值越大，电离室的复合效应越小。复合效应的校正，通常采用称为双电压的实验方法。

具体做法是，对相同的辐射场，电离室分别加两种不同的工作电压V1和V2，其中V1为常规工作电压，并且V1与V2的比值要大于或等于3，得到不同工作电压时的收集电荷数Q1和Q2，然后利用国际原子能机构（IAEA）技术报告丛书第277号中所推荐的二次多项式计算得出复合较正因子PS。

PS=a0+a1（Q1/Q2）+a2（Q2/Q1）2

式中a1为实验拟合系数。

实验证实电离室的复合效应依赖于电离室的几何尺寸、工作电压的选择和正负离子产生的速率。对医用加速器的脉冲式辐射，特别是脉冲扫描式辐射，复合效应的校正尤为重要；但对连续式电离辐射，如放射性核素产生的γ射线，复合效应非常小。

（5）电离室的极化效应

对给定的电离辐射，电离室收集的电离电荷会因收集极工作电压极性的改变而变化，这种变化现象称为极化效应。当电离室正常工作在饱和区时，引起极化效应的主要原因是：①对于指形电离室，由于电离室的电极结构的形式，造成空间电荷的分布依赖于电离室收集极的极性。因为正、负离子的迁移率不同，造成收集效率的差异。这一差异可以通过提高收集极电压而减少，但并不能最终消除。②由高能光子产生的高能次级电子，如康普顿电子可形成康普顿电流，这也会因收集极不同的极性增加或减少信号电流。可通过变换电离室工作电压的极性，将不同极性电压测量结果的平均值，视为真实电离电流的方法来消除这一误差。③电离室灵敏体积以外收集到的电流，也会引起极化效应。电离室的极化效应对电子束测量的影响要高于对光子测量的影响，并随电子束能量的减小而增加。与杆效应一样，可以通过电离室的设计和辅助电路削弱电离室的极化效应。

（6）环境因素对工作特性的影响

非密封型电离室在现场使用时，室腔中的空气质量随环境温度和气压变化而改变，直接影响电离室的测量灵敏度，校正系数与温度和气压的关系为：

式中T为电离室在国家实验室校准时的温度，一般为20℃；t为现场测量时温度；P为现场测量时的气压，以毫巴为单位。

电离室工作环境中空气相对湿度的影响一般比较小。如电离室校准时的相对湿度为50%，若现场测量时的相对湿度在20%～70%范围内，不需要对电离室的灵敏度作相对湿度的校正。

综上所述，电离室有其固有的一些特性，为保证吸收剂量测量的精度，除对其正确使用外，在选择时也应该注意其相关的技术指标。

（二）特殊电离室

指形电离室不适合测量表面剂量，对于高能光子束，为了测量在建成区内的剂量，探测器必须很薄并保证穿过灵敏体积时没有剂量梯度；另外，电离室受照射野的影响不明显。一些特殊电离室，如外推电离室和平行板电离室可达到上述要求。

外推电离室实际上是一个空腔体积可以改变的平行板电离室，早先是为测量X（γ）射线吸收剂量设计的，现在更多地用来测定电子束的吸收剂量。通过测量以电极间距离作为函数的单位体积内的电流，然后利用外推空腔体积无限小时（电极间距离为零）来估计表面剂量。