高气压充氙电离室中的氙离子漂移速度测量及漂移特性研究

At present, gas-pressurized ionization chambers which have been most early employed in radiation detection, are still extensively used in many fields such as research，security check, medical treatment and etc. The output signals of the chambers are mainly arose by the drift process of the ions and electrons generated during ionization driven by the electrostatic force in the electric field. Thus, the rules and mechanisms of the generation, transportation and transformation of the ions and electrons in the gas are the basic issues in the research of ionization chamber. High-pressure gas is often adopted to fill the chambers in order to improve detection efficiency and sensitivity. However, the drift characteristic of ions is also affected by the pressure of the gas. With the raising of the gas pressure, the ions drift velocity drops and the time response characteristic becomes poor. Research on ions drift characteristic in high-pressure gas is not wide and deep enough at home and abroad. In this project, we study the xenon ions drift characteristic in high-pressure xenon ionization chamber which is widely used. A new approach of experimental measurement is suggested. A pulsed X-ray producer is employed as the radiation source. The drift velocity of xenon ions in high-pressure xenon can be measured by analyzing the output voltage of chambers and drift characteristic will be studied according to the results of the experiments. This study has very important significance for a better understanding of ions' transport property and for further improvement of the time response of the gas-pressurized ionization chambers.

气体电离室是最早用于测量电离辐射的一种探测器，目前仍广泛应用于科研、安检、医疗等领域。气体电离室借助电离产生的离子、电子在电场作用下的漂移运动产生输出信号。离子、电子在气体中的产生、运动、转化的规律与机制是气体电离室研究中的基础问题。为提高探测效率及灵敏度，电离室往往充高压气体。但是，气体压力的提高也会影响离子的漂移特性，随着气体压力的提高，离子漂移速度会变慢，使得电离室时间响应特性变差。目前，国内外对高气压条件下离子漂移特性的研究还不是很广泛和深入。为此，本项目拟针对常用的高气压充氙电离室，研究氙离子在高压氙气中的漂移特性。采用一种新的实验测量方法，以脉冲X射线机作为射线源，通过分析实验电离室的输出电压信号来测量氙离子在高气压氙气中的漂移速度，并据此研究其漂移特性。此项研究对于更深入理解和掌握气体电离室中离子的输运特性、提高电离室时间响应性能等都具有十分重要的意义。

气体电离室借助电离产生的离子、电子在电场作用下的漂移运动产生输出信号。为提高探测效率及灵敏度，电离室往往充高压气体。但是，气体压力的提高也会影响离子的漂移特性，随着气体压力的提高，离子漂移速度会变慢，使得电离室时间响应特性变差。目前，国内外对高气压条件下离子漂移特性的研究还不是很广泛和深入。为此，本项目拟针对常用的高气压充氙电离室，研究氙离子在高压氙气中的漂移特性。采用一种新的实验测量方法，以脉冲X射线机作为射线源，通过分析实验电离室的输出电压信号来测量氙离子在高气压氙气中的漂移速度，并据此研究其漂移特性。此项研究对于更深入理解和掌握气体电离室中离子的输运特性、提高电离室时间响应性能等都具有十分重要的意义。 .本项目搭建了一个能够在线测量离子漂移速度的实验平台，并研制了一个专门用于测量高压氙气中氙离子漂移特性的多路实验电离室。本项目测量了该实验电离室在不同气压（3～33atm）和相同气压不同电压（1000～3000V）下的时间响应特性和离子收集时间，通过对测量数据的分析研究，得到如下结论：在所测气压范围内，离子迁移率随气压增高逐渐变小，其变小的趋势随气压增高而变平缓，在气压超过9 atm时趋于稳定。在气压3atm时，测得离子迁移率为0.79 cm2V-1s-1，而随着气压的增高，离子迁移率逐渐减小到0.58-0.62cm2V-1s-1范围内。在较低气压（3~7atm）下本项目测得的离子迁移率结果与文献调研的现有实验结果（1atm气压下离子迁移率分布在0.617-0.79 cm2V-1s-1）相近，而更高气压下的测量结果则与之有一定偏差，说明低气压条件下的离子迁移率在高压充气电离室中并不适用。这一点在高压充气电离室的设计过程中需要特别注意。当气压不变时，离子漂移速度和极板电压基本呈线性关系，离子迁移率与极板电压无关。.本项目还研究了不同电场分布条件下的电离室内离子的漂移特性，并利用电场仿真软件ElecNet对实验电离室内部的电场分布进行了仿真，分析了电场分布对离子漂移特性的影响规律。实验与仿真结果表明，电场分布不均匀会影响电离室内离子的漂移特性，改善电离室内电场分布的均匀性有助于提高电离室探测器的时间响应性能。