4πγ电离室标准装置

4πγ电离室标准装置

1．概述

本方案由中国计量科学研究院提供。

在放射性活度测量领域，由于 ４πγ电离室具有长期稳定性好、测量范围大等优点，被各国计量研究机构用来建立放射性活度标准，用以保存和传递 γ 核素的绝对测量结果。

本项目投标的标准装置4πγ电离室活度测量标准装置主要由辐射探测器、电离电流测量电路和标准参考源三部分所组成。辐射探测器采用井型结构的4πγ电离室，电离电流测量电路采用基于Townsend平衡法的补偿电路进行微弱电流测量；集成CZT探测器和数字多道实现能谱测量，在准确测量活度的同时进行放射性杂质含量分析，实现对被测样品核素活度与核纯度的同时测量。标准参考源一般采用半衰期长，物理化学性能稳定的放射性核素。

 电离室采用5cm厚的铅屏蔽，不仅可以降低宇宙射线的辐射本底，更重要的是防止散射条件的变化引起电离效率改变。待侧样品为放射性物质水溶液形态，选择规格化的玻璃安瓿瓶作为包装，减少低能辐射的自吸收影响

4πγ高压电离室活度测量系统采用了密封的空腔结构，无需进行空气密度的修正，具有更高的稳定性；系统的建立可实现：γ辐射核素活度测量的参考系统，随时用于对测量结果进行核对；实施活度计及现场仪表的量值传递；对稀释、制样方法或进行重要核参数（如半衰期T1/2等）的精密测量。

 

2. 配置

4πγ电离室活度测量标准装置的详细配置如下表所示：

序号	产品名称	制造商	产地	单位	数量	备注
1	低能电离室探测器	中国计量院	中国	套	1
2	中高能电离室探测器	中国计量院	中国	套	1	内置CZT能谱探测器
3	高压电源	中国计量院	中国	个	1
4	机柜式电流测量系统	中国计量院	中国	套	1	静电计测量系统
5	便携式电流测量系统	中国计量院	中国	套	1	集成数字多道
6	电离室屏蔽铅室	中国计量院	中国	台	2
7	控制系统及软件	中国计量院	中国	套	1
8	测控主机	中国计量院	中国	套	1
9	主控机柜	中国计量院	中国	套	1
10	预装测控软件的笔记本电脑	ThinkPad	中国	台	1	适配便携式的测控软件
11	Cs-137监督源（500μCi）	中国计量院	中国	枚	2

3. 技术参数

3.1、4πγ电离室探测器

由于电离室具有独特的稳定性，采用积分电离室作为系统的探测器。积分电离室被设计为4π立体角的井型几何结构，如图1所示。

图1   4πγ井型电离室结构图

井型电离室物理参数如下：

电离室壁材料为碳钢，内腔井壁厚0.5 mm，井管直径25mm，收集电极为铝。空腔的灵敏体积约为5.2升，内充2Mpa的高纯氮气，饱和电压500V。

位置依赖性：轴向50mm或径向5mm区域，电离电流相对变化≤0.8%；

活度测量扩展不确定度（k=2）≤2.5%。4πγ电离室的设计通过降低电离测量随轴向和径向位置相对变化、提高电流测量重复性和稳定性、降低本底电流测量涨落等影响活度测量的不确定度来源因素，实现对典型核素活度测量扩展不确定度（k=2）≤2.5%。

图2为电离室的高压坪曲线，表明在衡辐射条件下，电离电流随极化电压的升高而急剧增大，在60伏左右达到坪区，最后达到饱和。这时饱和电流不随极化电压的升高而变化。一般选定的电离室高压极化电压为-500伏，这个极化电压在一定的活度范围内可确保电荷完全收集。

图2 电离室的高压坪特性图

 

3.1.1、低能电离室探测器

• 类型： 铝合金、薄壁、深井、高压
• 尺寸：约 370mm（高）×65mm（直径）
• 工作气体/气压： 氮气/2MPa 
• 测量范围: 10⁴ Bq to 10⁹ Bq (对于99mTc)
• 活度单位 Bq或Ci
• 出厂单位 pA或nA
• 能量范围 25keV~3MeV，（可测I-125核素）
• 线性： ≤±1.8%，线性技术指标优于国家标准GBT 10256和检定规程JJG 377-2019中对标准级4πγ电离室中规定的线性指标要求。

 

 

3.1.2、中高能电离室探测器

• 类型： 铝合金、薄壁、深井、高压
• 尺寸： 约370mm（高）×65mm（直径）
• 工作气体/气压： 氮气/2MPa 
• 测量范围: 10⁴ Bq to 10¹⁰ Bq (对于99mTc)
• 活度单位 Bq或Ci
• 出厂单位 pA或nA
• 能量范围 46keV~7MeV，（可测Pb-210核素）
• 线性： ≤±1.8%，线性技术指标优于国家标准GBT 10256和检定规程JJG 377-2019中对标准级4πγ电离室中规定的线性指标要求。

 

3.2、高压电源

高压电源主要用于提供探测器偏压。电源参数：

• 可选桌面式和模块内置两种高压电源，根据装置的安装条件选取。
• 通过前面板开关启动/关闭高压通道
• 可提供正极性或负极性
• SHV 同轴输出连接器
• 高压调节范围：50 V 到 1.5 kV

 

3.3、电流测量系统

采用Townsend平衡法，其主要工作原理是电离电流对积分电容充电，使MOS静电计的输入端和电容正端电压上升，将这个信号反相后反馈到补偿电路，再通过反馈对电容负端进行充电补偿，对积分电容的充电电荷进行适时的平衡，利用平衡的电荷计算平均电离电流。一般整个测量过程中要保持MOS静电计的输入端电位为零，这样可以使由器件的绝缘性导致的漏电降到最小。在整个补偿过程可分为若干个小补偿。电离电流不断给积分电容充电，当电容正端电压每上升一个△V，就在电容负端补偿△V，直至总补偿电压达到合适的值。补偿过程结束的一个必要条件是电容正端电压与开始补偿时电压一致。Townsend平衡法测量原理图如图3所示。

图3  Townsend平衡法测量原理图

此补偿电路的好处是：被测电流仅取决于电容C，补偿电压V和时间t，这3个量的测量都比较容易获得好的偏差和稳定度，并且在测量过程中电容正端保持在0电位左右，使得输入对地的漏电接近0。

被测电离电流可由公式1计算

                       （9）

式中，I为电离室平均电离电流；C为补偿电容；V_t为补偿结束时补偿电压；V₀为补偿开始时补偿电压；t为补偿时间。

 

基于Townsend平衡法微电流测量系统的实现：

4πγ电离室电离电流非常微弱，其范围在10^-12～10^-9A之间，典型本底电流在10^-14A的数量级上，这对于电流测量系统要求较高，因此提高微电流测量电路精确度的关键在于减少外界电磁干扰及系统本底电流。并且系统还要求精密积分电容容值稳定。因此设计的基于Townsend平衡原理的自动补偿法电路，采用低噪声电缆和高绝缘端子接口来减小系统的漏电流，并将整个电测量电路放入金属盒中进行电磁屏蔽。经实验测量，系统本底电流小于3×10^-14A。基于Townsend平衡法原理的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。本装置电测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。微电流测量系统方框图如图4。

图4 微电流测量系统方框图

电压反馈和补偿部分主要是由高阻计和远程源表来实现，电路的平衡测量是自动进行的，测量时打开开关，电离电流即开始对积分电容充电，静电计的输入端和电容两端的电位升高，在达到预设的电压阈值时，利用甄别器启动计时器和补偿电路；静电计的输出信号反馈到补偿控制单元，平稳的将静电计输入端和电容两端的点位调整到零。补偿结束后，MOS静电计的输入断和电容两端电位第二次上升，利用甄别器停止计时器和补偿电路。系统结构框图如图5。测量控制软件记录积分电容的容值C，补偿电压V和补偿时间t，就可以按照公式计算出平均电离电流。

图5 系统结构框图

机柜式电流测量系统实现参数：

• 电阻测量可达10¹⁸ Ω
• 电流范围：10^-14 ~ 10^-8A
• 测量分辨率1pA / 100nV
• 最小电流量程输入端压降<20μv

便携式电流测量系统实现参数：

便携式测量系统除了实现电流测量，还能实现能谱测量，性能指标如下：

• 电阻测量可达10¹⁶Ω
• 电流范围：10^-14 ~ 10^-8A
• 测量分辨率10pA / 100nV
• 最小电流量程输入端压降<20μv
• γ能谱测量的探测器类型：CZT
• γ能谱测量的能量分辨率：≤4%（Cs-137）

3.4、电离室屏蔽铅室

电离室采用铅屏蔽，不仅可以降低宇宙射线的辐射本底，更重要的是防止散射条件的变化引起电离效率改变。

铅室参数：

• 铅室屏蔽层厚度：≥5cm
• 本底屏蔽效果：本底电流≤3.5×10^-14A，该本底水平与国际计量局用于放射性核素活度测量和国际比对的国际参考系统电离室（SIR）本底水平相当。

3.5、控制系统及软件

Townsend平衡法测量系统由微电流补偿电路、电压反馈、反馈补偿、测控单元等几部分组成。微电流补偿电路是测量系统的关键部分，4πγ电离室电离电流一般在10^-12 A～10^-9A，因此微电流补偿电路的关键在于减少本底电流及外界电磁干扰，并要求积分电容的容值稳定、温度系数小。因此重新设计了补偿电路，采用双重屏蔽、低噪声电缆、高绝缘接口端子等一系列技术减少漏电流和电磁屏蔽，经实验测量，系统本底电流小于4×10^-14A。

电压反馈和补偿部分采用高阻计和远程源表实现，通过GPIB总线及虚拟仪器技术实现补偿电路的控制，完成积分电压采集和补偿电压输出。测控单元软件部分以基于虚拟仪器技术的LabVIEW作为开发工具，整个测控软件分为用户管理、仪器参数设置、补偿设置、数据处理、测量系统质量控制等多个模块。软件测试工作界面如图6所示：

测控软件包括用户管理、仪器参数设置、补偿设置、数据处理、测量系统质量控制和核素杂质分析等多个功能模块。

图6 测量软件工作界面

补偿控制功能：平衡点的确定、补偿增益的选择以及结束补偿条件判断等。错误的平衡点或补偿增益会得到偏差较大的结果，甚至导致补偿过程无法完成。同时增加了本底自动扣除、γ能谱测量等功能。

 

3.6、测控主机

图7 测量主机

• 测控主机参数：
• 产品类型：工控电脑
• 产品型号：IPC-610-L
• 品牌：研华科技
• 支持ATX 母板或 多达15槽的PICMG无源底板
• 抗冲击磁盘驱动器托架可支持3个5.25" 和1个3.5"磁盘驱动器
• 独特的固定压条设计带有橡胶垫脚，可以防止卡受到冲击或振动造成的损坏
• 电源和HDD活动性通知，改善系统性能
• 前部可访问空气过滤器，方便系统维护
• 可锁前门，防止未经许可的访问
• 灵活的机械设计，支持300 W单PS/2和冗余ATX电源

3.7、主控机柜

用于安装高压电源、电流测量系统、控制系统和测控主机。

机柜参数：

• 品牌:跃图机柜
• 型号:AD6642
• 类型:网络机柜
• 尺寸:≤600mm*600mm*1500mm
• 材 质:SPCC优质冷扎钢板制作
• 立 柱:2.0
• 防护等级:IP20
• 表面处理:脱脂酸洗磷化 静电喷塑
• 产品用途:安装交换机路由器、配线架
• 工控机、等网络设备
• 产品标:符合ANSI/EIARS-310-D、IEC297-2.
• DIN4149;PART1DIN41494;PART7.
• GB/T3047.2-92标准;兼容ETSI标准

 

3.8、预装测控软件的笔记本电脑

• 测控软件部分C++语言开发，整个测控软件分为用户管理、仪器参数设置、补偿设置、数据处理、测量系统质量控制等多个模块。
• 品牌笔记本电脑，Windows操作系统，配置不低于i7处理器、16G内存、512G固态硬盘
• 与便携式电流测量系统配套使用。

 

3.9、监督源

• 采用Cs-137监督源，活度500μCi。附校准证书