高气压电离室的设计研究

第２７卷　第６期　２　Ｏ　Ｏ　６　核动力工程　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｂ１．２７．ＮＯ．６　Ｄｅｃ．２　０　０　６　年ｌ２月　文章编号：０２５８．０９２６（２００６）０６．０　１　０３．０４　高气压电离室的设计研究　刘春雨　，韩伟实　，李建平　，任怡昌　，刘曙东２，万国庆　（Ｉ．哈尔滨工程大学。Ｉ５０００１；２．中国科学院高能物理研究所。北京．１０００４９；３．中国计量科学研究院。北京．１０００１３）　摘要：本文没计了一种高气压氩气电离室。在设计中，以ＭＣＮＰ和ＥＧＳｎｒｃ程序的计算结果作为指导选　取高气压电离室工作气体及壁材。通过分析电离室的壁厚、直径和工作气体压力等因素对电离室性能的影响，　找出合适的参数。实验标定的结果表明：该电离室的能量响应性能良好。　关键词：电离室；ＭＣＮＰ；ＥＧＳｎｒｃ；能量响应　中图分类号：ＴＬ８１１　．１　文献标识码：Ａ　１前言　电离室的能量响应是影响电离室灵敏度的　重要因素，它主要受电离室壁材及工作气体等因　素的影响。　在一般的电离室设计中，工作气体及壁材的　选取通常通过查阅相关气体及材料的能量响应曲　线来确定。如果没有相关图表，则需要通过实验　确定相关曲线。为克服这一设计上的缺点，本文　以核物理数值计算软件ＭＣＮＰ和ＥＧＳｎｒｃ程序作　为指导，模拟不同气体及壁材的能量响应情况，　从中选取适合环境＾ｙ辐射场的工作气体及壁材；　模拟不同的电离室壁材厚度、直径和工作气体压　力等因素对探头性能的影响，确定合适的参数。　用ＭＣＮＰ程序建立电离室模型，进行仿真，结果　说明电离室的能量响应性能较好。比较通过模拟　得出的电离室整体能量响应曲线与通过单能ｘ射　线实验对研制成的样机作出的能量响应曲线，两　者较为相似。　球形电离室因其角响应好、室壁所受应力均　匀而被采用。　为了模拟气体的能量响应，在ＭＣＮＰ中建立　一个半径为ｌ５　ｃｍ的面源，面源产生不同能级的　单能　射线，通过这些射线对一个半径为１２．５　ｃｍ　的球形空间照射，球形空间中充ｌ　ＭＰａ的气体（图　ｌ　。　单能．Ｙ射线　／被照射＼，，，—、、、　　面源　＼、气体／＼　／　　图１气体能量响应模型　Ｆｉｇ．１　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｇａｓ　考虑到环境辐射场的特点，本文主要模拟了　ｌ　１０００　ｋｅＶ能级的单能＾ｙ射线。　图２是氩气、空气、氮气以及氩气．氮气混合　气体的能量响应模拟结果。从图２可以看出，氩　气、氩气．氮气混合气体在低能量＾ｙ射线照射下电　２高气压电离室的工作气体选择　本文通过ＭＣＮＰ程序模拟、比较不同气体在　＾ｙ射线辐照下的性能。ＭＣＮＰ程序不能完全模拟　整个电离室的电离输出过程，只能得出在一定的　＾ｙ射线辐照下该种气体所产生的电子数，从而判　断该气体的能量响应特性。本文主要对氩气、空　气、氮气以及氩气．氮气的混合气体进行比较。　子产出较高，在较高能量＾ｙ射线照射下电子产出　较平稳；空气、氮气在低能量＾ｙ射线照射下电子　产出有一个陡峭的下降过程，在较高能量＾ｙ射线　照射下电子产出较平稳。比较这几种气体的能量　响应性能，纯氩气和氩气．氮气混合气体的能量响　应较好。从图２还可以看出，在２００　ｋｅＶ以上纯　氩气的电子产出在０．３５～０．４之间，而氩气．氮气混　收稿日期：２００６￣６．１５；修回日期：２００６—１０－３０　维普资讯 http://www.cqvip.com

核动力工程　ＶＯ１．２７．ＮＯ．６．２００６　雾　兰　一ｉ孑ｊ　；：　…一。～一一。。　：　　射线能量／ｋｅＶ　图２工作气体能量响应图　Ｆｉｇ．２　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｇａｓ　合气体的电子产出只有０．２０￣０．３５，同等条件下两　者的电子产出相差较大。如果选用电子产出小的　气体，探测器所产生的电流就比较小，不利于后　续电路的电流检测。因此，选取纯氩气作为电离　室的工作气体。　３室壁材料选择　本文主要对不锈钢、铝合金及铜合金进行性　能的比较。　（１）对　射线的阻挡：图３是用ＥＧＳｎｒｃ程序　对以上３种材料进行仿真得出的曲线。从图３可　以看出，３种材料中，铝合金对　射线的阻挡最　弱，这是因为铝的质量数比较小，它与　射线作　用的几率相对较小；不锈钢和铜合金对　射线的　阻挡相对较强。因此，铝作为电离室的壁材较好，　不锈钢次之。　霞　衄　厚度／ｍｍ　图３材料对．ｙ射线的阻挡　Ｆｉｇ．３　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｇａｍｍａ　Ｒａｙ　（２）材料的力学性能：电离室需要充入高气压　的氩气，壁材应能承受大载荷。这就需要选取　值较大的材料。不锈钢的　值为２０５ＭＰａ，铝为　５０ＭＰａ，铜为７０ＭＰａ｛　１，在这３种材料中，不锈　钢的力学性能最好，铜次之。　另外，这３种材料中，不锈钢的防腐性最强，　铜合金次之，而铝合金最差。对于加工性能，由　于要做成球形，需要冲压。这几种材料中，不锈　钢的冲压最好，铜次之，铝则较难加工。　综上所述，虽然铝合金对　射线的阻挡最　弱，但它的强度太小，耐腐蚀性差。不锈钢的综　合性能是这几种材料中最好的。因此，选择不锈　钢作为壁材。　４壁厚、充气气压及直径的确定　电离室的壁厚会影响探测器的性能。如果壁　太厚，对　射线的阻挡太大，进入探测器内的　射线强度减弱，产生的电流过小，不利于电信号　的探测。如果壁太薄，则需降低所充气体的气压　或减小探测器直径，这两者都将导致探测器与　射线作用的几率变低，使产生的电流变小，对探　测器很不利。为了选定合适的厚度，本文建立了　模型（图４），模拟壁厚与电离室产生的电流之间的　关系。　通过改变不锈钢壳的厚度，得出厚度从　１．１￣２．３　ｍｍ之间产生电子的情况（图５）。　１ＭｅＶ单能．ｙ射线　——————————————　——————————————　不锈钢壳　图４厚度与电流关系模型　Ｆｉｇ．４　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ＶＳ．Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　厚度／ｍｍ　图５不锈钢壁厚与电流关系图　Ｆｉｇ．５　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ＶＳ．Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ　Ｗ　ｌ　从图５可见，壁厚１．６￣１．９ｍｍ之间的电子产　出出现一个峰值。这是因为随着壁厚的增加，　射线与壁作用的几率也增加，产生的电子进入电　离室的腔室，使气体电离的份额加大。而厚度增　加到一定值后，产生的电子无法穿越壁室，电子　的产出就降下来了。壁厚确定在１．６－－１．９ｍｍ之间　维普资讯 http://www.cqvip.com

刘春雨等：高气压电离室的设计研究　ｌＯ５　是最好的。　高压电离室充气气压一般在２～３　ＭＰａ之间。　为便于携带，直径在２００～３００　ｍｍ。　最终确定电离室的壁厚为１．８　ｍｍ，压力为　２．５ＭＰａ，直径为２５０　ｍｍ。　５电离室的整体能量响应性能　为了解电离室的性能，按选定的参数对电离　室的整体建模，并用ＭＣＮＰ程序进行模拟（图６）。　由图６可见，电离室的能量响应在ｌ５０　ｋｅＶ　以下范围内较高，在２００　ｋｅＶ附近有少量降低，　在大于２００　ｋｅＶ的能谱上响应比较平直，电离室　的能量响应性能良好。从图６还可看出，整个电　离室的电子产出较高，能够保证电离室有较好的　灵敏度。　Ｏ．６　孥０．５　圈０．３　母０．２　Ｏ．１　Ｏ　２ｏｏ　４００　６０ｏ　８００　１Ｏ０ｏ　ｌ２００　射线能ｍ／ｋｅＹ　图６电离室能量响应模拟图　Ｆｉｇ．６　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒ　６探测器的标定　按上述结构参数设计的球形电离室，直径为　２５０　ｍｍ，壁厚为１．８ｍｍ，内充２．５ＭＰａ纯氩气。　电离室的能响实验是在中国计量科学研究　院完成的课题“环境Ｙ辐射空气吸收剂量率检定　标准’’中进行的。用　。Ｃｏ、　Ｃｓ、　２６Ｒａ、　Ａｍ　４　种放射源进行标定的结果见表１，用单能ｘ射线　标定的结果见图７。　由图７、表１可见，该电离室在５０　ｋｅＶ～　目　１　射线能量／ｋｅＶ　图７电离室能量响应图　Ｆｉｇ．７　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒ　表Ｉ放射源标定结果　辐射源　“’Ｃｏ　Ｉｊ　Ｃｓ　：　。Ｒａ　ｌ！　Ａｍ　校准因子　０．１４３５　Ｏ．１３０３　Ｏ．１２７４　Ｉ　Ｏ、１２３１　能量归一值　１．１Ｏｌ　Ｉ＿ＯＯ　０．９７７　ｌ　０、９４５　与　Ｃｓ的偏差　ｌＯ．１％　一２．２％Ｉ　一５．５％　１．２５ＭｅＶ的能量范围内有较平坦的能量响应　根　据理论推算，该电离室的能量响应范围可达５０　ｋｅＶ～３　ＭｅＶ。　７结论　在电离室的设计中，通过使用ＭＣＮＰ和　ＥＧＳｎｒｃ程序对探测器的各种参数进行模拟，确定　了高气压电离室的形状、工作气体、壁材料、壁　厚、气压及直径大小。用ＭＣＮＰ程序建立了各参　数确定后的电离室模型，并进行了仿真，得出的　电离室能量响应曲线较好。通过实验，对研制成　的样机进行能量响应曲线分析，结果表明此电离　室在５０　ｋｅＶ～３　ＭｅＶ的能量范围内有较平坦的能　量响应。　参考文献：　【ｌ】邹振戊．五金手册【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２０００　年．　（下转第ｌｌ２页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌｌ２　核动力一Ｉ：程　Ｖｏ１．２７．Ｎ０．６．２００６　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｒａｄｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｐｉｌｏｔ　ＨＴＲ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　Ｑｕ　Ｊｉｎｇ—ｙｕａｎ，ＣＡＯ　Ｊｉａｎ—ｚｈｕ，ＬＩ　Ｈｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｙｕａｎ—ｚｈｏｎｇ，ＦＡＮＧ　Ｄｏｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＮｕｃｌｅａｒ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｒｅｓｕｌｓｔ　ｏｆ　ａ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒａｄｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｍｐａｃｔ　Ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｐｉｌｏｔ　ＨＴＲ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ．Ｔｈｅｙ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｖｅｎｔｏｒｖ　ｏｆ　ｒａｄｉｏ—ｎｕｃｌｉｄｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｃｏｒｅ，ｒｅｌｅａｓｅ　ｏｆ　ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｎｔｏ　ｈｅ　ａｔｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｏｕｔｉｎｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ。ｓｏｕｒｃｅ　ｔｅｒｍ　ｏｆ　ｒｅｌｅａｓｅ　ａｎｄ　ｔＪ１ｅ　ｒｅ—　ｓｕｉｔｉｎｇ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｏｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｖｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　ａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｓ　ｔｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｓｅｓｓｍｅｎｔａ　ｈａｖｅ　ｓｈｏｗｎ　ｈａｔｔ　ｈｅ　ｔｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｏｓｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｂｙ　ｈｅ　ｇｅｎｅｒｔａｌ　ｐｕｂｌｉｃ　ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｉｙ　ｔｒｅｌｅａｓｅ　ｕｎｄｅｒ　ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｆａｒ　ｂｅｌｏｗ　ｔｈｅ　ｄｏｓｅ　ｌｉｍｉｔ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ｉｎ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｖｅｎｔ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｉｓ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｆｌｙ　ｌｏｗｅｒ　ｈａｎ　ｔｈｅ　ｔｇｅｎｅｒｉｃ　ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌｓ　ｆｏｒ　ｔａｋｉｎｇ　ｓｈｅｌ—　ｔｅｒｉｎｇ．　．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｄｕｌａｒ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｇａｓ—ｃｏｏｌｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ，Ｐｉｌｏｔ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌｎｔ，Ｓｏｕｒａｃｅ　ｔｅｒｍ，Ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　作者简介：　曲静原（１９５６～），　男，研究员，博士。１９９１年毕业于德国卡尔斯鲁厄大学机械工程系，现从事核安全与辐射防护　研究。　曹建主（１９６６～），　男，副研究员，硕士。１９９０年毕业于清华大学核能技术设计研究院，现从事核安全与辐射防护　研究。　李红（１９６８～），女，副研究员，硕士。１９９４年毕业于清华大学环境工程系，现从事辐射防护和环境评价研究。　（责任编辑：刘胜吾）　（上接第１０５页）　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒ　ＬＩＵ　Ｃｈｕｎ．ｙｕ　，ＨＡＮ　Ｗｅｉ．ｓｈｉ　．，ＬＩ　Ｊｉａｎ．ｐｉｎｇｌＲＥＮ　Ｙｉ．ｃｈａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｓｈｕ．ｄｏｎｇ　，ＷＡＮ　Ｇｕｏ．ｑｉｎｇ　，（１．Ｈａ￣ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ，１５０００１，Ｃｈｉｔｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｕｔｔｅ　ｏｆＨｉｇｈ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００４９，Ｃｈｉｎａ　３．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｓｔｉｎｕｔｔｅ　ｏｆＭｅｔｒｏｌｏｇｙ　Ｐ＝Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００１３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ａｒｇｏｎ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒ．Ｔｈｅ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｇａｓ　ｎｄ　ａｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｓｔ　ｏｆ　ｈｅ　ＭＣＮＰ　ｔｐｒｏｇｒａｒｎ　ｎｄ　ｔａｈｅ　ＥＧＳｎｒｃ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｆｉｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｒｅ　ａｇａｉｎｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｒｅｃｔ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆａｃｔｏｒｓ。ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｉｃｋ．　ｌｆｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ，ｄｉｍｅｔａｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｇａｓ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｏｎｉｚａ．　ｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆｔｈｅ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉＳ　ｆａｉｒｌｙ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ＷＯｒｄＳ：Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ，ＭＣＮＰ，ＥＧＳｎｒｃ，Ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　作者简介：　刘春雨（１９７６一），男，讲师。２００４年毕业于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业，获硕士学位。现主要从事辐射防　护方面的研究。　韩伟实（１９４９一），男，教授，博士生导师。１９９１年毕业于哈尔滨船舶工程学院核动力装置专业，获硕士学位。现　主要从事核动力设备研究。　李建平（１９３６一），男，研究员。１９６０年毕业于前苏联列宁格勒大学物理系原子核物理专业。现主要从事辐射防护方　面的研究。　（责任编辑：尚作燕）