專利名稱：使用低電壓優化的離子室檢測高能量輻射的方法
技術領域：
本發明總體涉及高能量輻射監測和檢測；更具體地，本發明涉及一種用于檢測高能量輻射的離子室。
背景技術：
高能量電離輻射的檢測器用于各種應用。這種檢測器例如包括離子室、正比計數器、蓋革-彌勒計數器和閃爍計數器。在這些檢測器中，離子室通常在中子檢測器中使用。 圖1顯示了用于中子檢測的基本系統，所述基本系統包括靶室13、離子室14和電子設備。 快中子12由中子源11產生。這些快中子12與氫核在靶室13中相互作用，直到所述快中子的速度被降低到靶標的平均熱速度為止。熱(慢)中子從靶標13散射到離子室14。在典型的中子檢測器中，離子室14填充有可以與熱中子相互作用以產生離子的氣體(例如，He-3)。當He-3原子吸收(俘獲)熱中子時，核反應發生，并且最終產物為快速移動的氚(HD和質子。這些快速移動的粒子移動通過氣體，從而電離剩余的He-3原子中的一些原子并因此產生相等數量的正離子和負離子。當在離子室14中的電極15、16上施加電壓時，在電極之間的空間中產生電場。離子響應所述電場移動，且正離子和負離子沿相反的方向被拉向每一個電極。離子最終在電極15和16處被中和，從而產生與轉移到電極的離子的數量成正比的電流。轉移到電極的離子的數量取決于所述離子的形成速率，并因此取決于中子通量。因此，通過離子室測量的離子電流可以用于推導中子通量的大小。電離檢測器中的氣體的離子電流-電壓(I-V)特征曲線通常包括稱作“飽和區域”或“平穩期(plateau)”的平坦區。圖3示出了填充有He_3的離子室的離子I-V特征曲線的實例。如圖3所示，在平穩區中，離子電流對施加到電極的電壓不敏感。因此，有利的是在該區域內操作檢測器，這是因為施加的電壓中的任何噪聲以最小方式被耦合到離子電流。平穩區的開始和結束時的精確電壓取決于具體的室幾何結構，但是對于采用He-3的典型的電離檢測器來說，平穩期在大約IOV下開始。這些檢測器在IOV以下的操作會導致噪聲的增加和離子電流的降低，因此這種檢測器需要高操作電壓(在圖3所示的實例中大于10V)。其它(較重)氣體要求更高的電壓以達到平穩期，通常為400V、600V。然而，通常，電離檢測器中所采用的氣體在其電流-電壓特性中無須具有平穩期。 例如，He-3的相對不足導致使用諸如BF3的氣體，BF3被公知為在其I-V特征曲線中不具有平穩期，如圖4所示。然而，離子電流隨著電壓的增加而穩定增加。因此，與He-3電離檢測器相比，基于BF3的電離檢測器對噪聲更加敏感。如與所有公知的電離檢測器的情況一樣，由電離輻射生成的離子電流非常小(大約I(T12A),從而使得很難準確地確定中子通量。另外，各種電子部件、電纜等中的溫度和濕度變化可能會進一步降低測量的精度。在野外條件下情況甚至更糟糕，其中除了不期望的振動源之外，所述野外條件通常包括溫度和濕度非常大的變化。此外，泄漏電流的不穩定性可能還會顯著地降低重復測量的精度。泄漏電流是通過檢測器系統的由于離子轉移沒有通過離子室14的電流。泄漏電流由于電纜、連接裝置、部件中的寄生電流、放大器電路或其它部件的濕度污染、或多種其它因素而產生。因此，泄漏電流取決于高度復雜的溫度函數、濕度、部件的老化和許多其它因素。因為離子室中的離子電流大約為10_12A或更小，因此泄漏電流可以為總測量電流的相當大的一部分，并且泄漏電流的任何變化都可能會明顯地影響測量的精度。在上述和圖1以及圖5所示的裝置中，離子室(或計數器)被保持在平衡高壓 Vtl(即，恒定電壓模式)下，使得所述離子室準備好檢測高能量輻射的恒定通量(例如，圖1 所示的用于檢測中子通量的離子室)或高能量輻射的脈沖(例如，用于檢測伽馬射線的正比計數器或蓋革-彌勒計數器)。另外，目前的室在脈沖高壓模式下操作，其中在離子室中的電極上施加的電壓脈動。即，離子室沒有保持在平衡高壓下。相反地，這些裝置可以使用高壓脈沖以監測或測量穩定狀態下的中子通量或其它離子生成。仍然需要提供更加可靠并且精確的高能量輻射測量的離子室。
發明內容
一方面，這里公開的實施例涉及一種用于測量高能量輻射通量的方法，所述方法包括以下步驟將低電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過流體與高能量輻射相互作用形成離子；測量與由低電壓引起的離子電流有關的離子電流信號；確定泄漏電流；確定增益；根據離子電流信號、增益和泄漏電流確定高能量輻射通量的大小； 以及輸出高能量輻射通量的大小結果。另一方面，這里公開的實施例涉及一種用于測量高能量輻射通量的方法，所述方法包括以下步驟將低電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過流體與高能量輻射相互作用形成離子；測量與由低電壓引起的離子電流有關的離子電流信號； 在電極上施加為負極性的低電壓；測量與由為負極性的低電壓引起的離子電流有關的負離子電流信號；根據正離子電流信號和負離子電流信號確定高能量輻射通量的大小；輸出高能量輻射通量的大小結果；在電極上施加時變電壓，使得離子室傳導足夠小而不會發生離子傳輸的電流；以及確定增益。另一方面，這里公開的實施例涉及一種用于測量高能量輻射通量的方法，所述方法包括以下步驟將第一電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過高能量輻射形成帶電離子；測量與由第一電壓引起的離子電流有關的離子電流信號；通過將第一電壓降低到低電壓確定最佳電壓；測量與由最佳電壓引起的離子電流有關的最佳離子電流信號；根據最佳離子電流信號、增益和泄漏電流確定高能量輻射通量的大小；以及輸出高能量輻射通量的大小結果。另一方面，這里公開的實施例涉及一種用于測量高能量輻射通量的系統，包括離子室，所述離子室包括可通過高能量輻射通量電離的物質和設置在離子室中的兩個電極； 和連接到兩個電極的電路，其中所述電路被構造成將低電壓提供給兩個電極并測量兩個電極間的電流，其中所述電路被構造成根據所述電流確定高能量輻射通量的大小。
圖1顯示中子檢測系統；圖2是顯示離子電流與施加到高電壓離子室的電壓之間的關系的曲線圖3是顯示離子電流與施加到填充有He-3氣體的高電壓離子室的電壓之間的關系的曲線圖；圖4是顯示離子電流與施加到填充有BF3氣體的高電壓離子室的電壓之間的關系的曲線圖；圖5顯示了用于離子室的高壓操作的電路；圖6顯示現有技術的填充有BF3并在1000V下操作的離子室的作為時間函數的離子電流的噪聲和溫度相關性；圖7顯示了用于根據本發明的一個實施例的離子室的低電壓操作的電路；圖8是顯示根據本發明的一個實施例的離子電流與所施加的電壓之間的關系的曲線圖；圖9顯示了根據本發明的一個實施例的作為時間函數的離子電流的噪聲和溫度相關性；圖10顯示了根據本發明的一個實施例的在脈沖模式操作中作為時間函數的電壓曲線；圖11是顯示根據本發明的一個實施例的用于檢測高能量輻射的多種方法的流程圖；圖12顯示了根據本發明的一個實施例的在脈沖模式操作中作為時間函數的電壓曲線圖；圖13是顯示根據本發明的一個實施例的一種用于檢測高能量輻射的方法的流程圖。
具體實施例方式本發明的實施例涉及用于測量高能量輻射的離子室。這里使用的“高能量輻射”表示中子、X射線、伽馬射線、α-粒子和β粒子。為了清楚說明，以下說明使用用于中子檢測的離子室作為實例；然而，本發明的實施例不受限于此。根據本發明的一個實施例的用于中子計數的離子室可以在脈沖模式下以低電壓操作，和在連續模式下以低電壓操作。根據國際電工技術委員會(IEC)，低電壓電路為在50-1000V AC或120-1500V DC 的范圍內操作的電路，而超低電壓電路為在小于50V AC或120V DC的電壓下操作的電路。 在本發明中，術語“低電壓”被限定為包括可以落入在由IEC定義的“低電壓”或“超低電壓” 的范圍內的電壓。例如，在一些實施例中，低電壓可以表示小于1000的任何電壓，而在一些實施例中，低電壓可以表示在大約5V至大約20V的范圍內的電壓。圖1顯示了用于中子檢測的檢測器系統10。如圖所示，中子源11生成快中子12， 所述快中子的一小部分散射到靶室13中，所述靶室可以填充有含氫物質。“含氫物質”表示具有氫核的物質。中子源11不是檢測器系統10的一部分。快中子12與氫核在靶室13中碰撞。具有類似于中子的質量的質量的氫核在使快中子減速時非常有效。由于與氫核的相互作用，快中子失去動能，并且變成慢(熱)中子。熱中子被散射到離子室14中。離子室 14典型地填充有氣體，所述氣體具有可以俘獲熱中子并在中子俘獲之后進行核反應的核。 這種核包括硼(Β-10，例如，BF3)、鋰(Li-6)、氦(He-3)、鈾-233、鈾-235和钚-239。在這些核中，He-3氣體的優點在于具有大的熱中子橫截面(5330靶恩)，因此通常用在離子室中。以下說明使用He-3作為實例。然而，本領域的普通技術人員將認識到本發明的實施例不受限于此。事實上，本發明的實施例可以使用能夠進行可以通過感興趣的高能量輻射產生離子的離子傳輸的任何氣體或其它介質。例如，本發明的一些實施例可以包括不會形成氣態化合物的裂變同位素。在這種情況下，離子室14可以包括具有這種裂變物質的流體。要注意的是流體包括氣體和液體。如圖1所示，典型的離子室14包括兩個電極15、16，所述兩個電極可以包括一對平行板或任何其它適當的幾何結構。通過電子模塊17在電極15、16上施加電壓。雖然示出了盒狀離子室，但是本領域的普通技術人員將認識到可以使用各種結構的離子室。例如， 離子室可以為圓筒，且一個電極設置在所述圓筒的內表面上，而另一個電極放置在圓筒的軸線(中心)處。離子室14中的He-3氣體通常用作絕緣體，因此電子模塊17在兩個電極 15,16之間不能檢測到電流(除了小的泄漏電流之外)。當He-3原子吸收(俘獲)熱中子時，發生如下核反應
IHe + > — \H + \p⑴該核反應產生氚(H-3)和質子。He-3和H_3分別為氦和氫的同位素。該反應還釋放大約764keV(即，Q值= 764keV)的能量，因此氚和質子以高動能產生。這些快速移動的粒子移動通過氣體，從而電離剩余He-3原子中的一些原子，并因此產生相等數量的正離子和負離子。正離子和負離子用作氣體中的電荷載流子，所述氣體另外為絕緣體。當在離子室14中的電極15、16上施加電壓時，在電極之間的空間中產生電場。離子響應該電場移動，且正離子和負離子在相反的方向上被拉向相對的電極。離子最終在電極15、16處被中和，從而產生與轉移到電極的離子的數量成正比的離子電流。可以通過電子模塊17測量這種離子電流。該離子電流的大小與轉移到電極的離子的數量成正比。轉移的離子的數量又與熱中子通量成比例。因此，由電子模塊17測量的離子電流可以用于推導通過離子室14的熱中子通量的大小。理論上，可以使用圖1所示的傳統的離子室測量任何電流。然而，在實際應用中， 離子電流非常小，大約為微微安培(IO-12A)或更小，從而使得難以獲得精確測量。另外，各種電子部件、電纜等中的溫度和濕度漂移進一步降低測量的精度。此外，泄漏電流還可能會顯著地降低重復測量的精度。泄漏電流為由于離子轉移沒有通過離子室14而是通過檢測器系統的電流。泄漏電流可能由于電纜、連接裝置、部件中的寄生電流、放大器電路或其它部件的濕度污染或許多其它因素生成。離子室中生成的正離子和負離子還可以碰撞然后重組以形成中性物質。這種重組抵抗到電極的離子傳輸，并因此減少離子電流的可測量大小。在沒有在電極上施加電壓的情況下，沒有離子傳輸，并且正離子和負離子將最終重組。當在電極15、16上施加電壓時， 正離子和負離子在相反方向上被拉動。如果在電極15、16上施加的電壓較小，則正離子和負離子緩慢移動到電極，從而產生更多的重組。如果在電極15、16上施加的電壓較大，則離子快速移動到電極，從而產生較少的重組。因此，施加到離子室的電壓對可測量的離子電流的大小具有直接影響。圖2顯示了作為在用于檢測器的填充有諸如He-3的氣體的離子室中的兩個電極上施加的電壓(V)的函數的離子電流(I)。圖2顯示了在沒有施加電勢的情況下沒有凈電
7流。在這種條件下生成的正離子和負離子將由于重組而最終消失。當施加電勢增加時，正離子和負離子更加迅速地分離。因此，重組減少，并且離子電流增加。在足夠高的電勢下， 重組將被減小到無意義的水平。在這種情況下，基本上形成的所有正離子和負離子都被掃掠到電極。增加施加電壓不會進一步增加離子電流，這是因為由于中子俘獲反應使測量的信號受限于電離過程。這種通常所說的“飽和區”對于被設計成精確地測量通過離子室的電離輻射的通量的離子室中的應用是有利的，這是因為施加電壓的波動對測量的電離電流幾乎沒有影響。因此，在這種“飽和”區中，離子電流的大小與電離速率成正比(與施加電壓無關)，所述電離速率進而與中子通量成比例。為了利用這種作用，大多數離子室在高電壓下操作以確保裝置在飽和區中操作。然而，可以用在用于中子分析器的離子室中的一些氣體(例如，BF3)不具有這種飽和平坦區。相反，如圖4所示，I-V特征曲線隨著電壓的增加而連續上升。因此，事先要接受的是這些檢測器必須在高電壓下操作以最大化電離電流。圖5顯示了可以用于操作高電壓離子室的傳統電路32。如圖所示，C表示所述室的加上任何并聯電容的電容，而Vk表示由于流動通過負載電阻R的離子電流I而產生的橫跨負載電阻器的電壓降并由關系Vk =頂來確定。在離子室中沒有任何電離的情況下，電流 I為零(除了小的泄漏電流之外)，而％大約為0V。當發生電離時，在離子室的板之間發生離子傳輸，從而產生離子電流I，所述離子電流然后流動通過負載電阻R。如上所述，根據圖4所示的I-V特征曲線，施加的高電壓產生相對較大的離子電流。然而，這使得離子電流伴隨有不可避免的噪聲升高，并且當施加電壓增加時，這種噪聲迅速增長，從而最終控制離子電流信號。噪聲的升高由于離子室的電極形成具有電容C(在一些設計中為IOpF)的電容器而產生。公知的是施加到電容器的時變電壓將產生等于時變電壓乘以電容的電流，即，I = C dV/dt。因此，施加電壓中的噪聲將產生通過離子室的相應電流噪聲，并且這種電流噪聲的振幅與電壓噪聲乘以離子室電容成正比。通常，對于任何電源的電壓噪聲來說隨著輸出電壓越高越增加。因此，由于離子室電極的電容作用，越高的施加電壓產生越大的離子電流噪聲。另外，在工業環境中，離子室本身的電容由于電極的振動可能隨時間變化，這是因為C與電極之間的距離d成反比(Coc i/d)。因此，即使采用完全穩定的施加電壓，離子室的任何振動都可能潛在地產生時變電容，并因此產生與施加電壓成比例的基于關系I = dc/ dt V的另外的電流噪聲。圖6顯示填充有BF3氣體的在施加電壓Vtl = 1000V下操作的電離室在各種溫度下的離子電流與時間圖。可以清楚地看到信噪比的值最多為28 (對于穩定溫度狀態)。信噪比這里被限定為平均信號與信號的兩倍標準偏差(或噪聲振幅)的比值。另外，在溫度變化期間，1000V離子室的噪聲相對于穩定溫度增加大約2個因子。在許多情況下，對于電離電流期望具有高信噪比。本發明的一個實施例涉及一種用于在大約5V至大約20V的范圍內的低施加電壓 Vtl下操作電離室的方法。圖7顯示了根據本發明的一個實施例的可以用于操作低電壓電離室的電路。低電壓源35用于將在大約5V至大約20V范圍內的電壓Vtl供應給離子室的電極。圖8顯示了這種填充有BF3的室的I-V特性。
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圖9顯示了幾何結構與用于圖6中所示的數據的電離室的幾何結構相同的電離室的離子電流與時間圖。然而，根據本發明的一個實施例，該室在相對較低的施加電壓Vtl = 12V下操作。可以看到的是這種低電壓結構產生對其高電壓結構的明確改進，從而產生接近 75的信噪比。另外，與高電壓結構的情況一樣，在快速溫度變化期間，信噪比不會降低。根據本發明的一個實施例，圖7所示的電路可以包括低電壓源35，所述低電壓源可以為本領域所公知的任何低電壓源電路，并且可以例如在恒定電壓模式或脈沖模式下操作。當通過脈沖模式電路實施時，低電壓源可以將離子傳輸電壓提供給離子室并持續選定的持續時間(即，電壓脈沖)。另外，低電壓源電路35可以用于將斜坡電壓(或其它形狀的電壓脈沖)提供給離子室，如隨后所述。根據本發明的方法，離子傳輸電壓的大小被優化。首先，確定由施加到離子室電極的離子傳輸高電壓產生的離子傳輸電流信號。圖6示出了由離子傳輸高電壓產生的離子傳輸電流信號的實例。接下來，將離子傳輸高電壓減小到在離子傳輸電壓的最佳范圍內的值。可以通過考慮由離子傳輸電壓產生的離子傳輸電流信號的大平均值(例如，圖6 中的4. 23pA)和與離子傳輸電流信號相關的小噪聲振幅(例如，圖6中的0. 075pA)之間的平衡來確定離子傳輸電壓的最佳范圍。離子傳輸信號的平均值以及離子傳輸信號的噪聲振幅為許多變量的復雜函數，所述變量包括但不限于離子室電極幾何結構、檢測器中所含有的氣體的類型、檢測器溫度、存在于檢測器環境中的外部振動、泄漏電流、電子模塊的噪聲特性等。對于給定環境中的給定檢測器，最佳離子傳輸電壓的最小值被確定為以下所述電壓，在所述電壓以下，平均離子電流傳輸信號太小而不能被準確確定。同樣地，最佳離子傳輸電壓的最大值被確定為產生與離子傳輸電流信號相關聯的噪聲振幅的離子傳輸電壓，其中所述離子傳輸電流信號大到使得不能準確地確定離子傳輸電流信號。為了減小噪聲，不能無限降低離子傳輸電壓，這是因為最終平均離子電流傳輸信號太小而不能被可靠地測量。同樣地，可用的平均離子傳輸電流不能通過增加離子傳輸電壓而被無限增加，這是因為在高電壓下，離子傳輸電流信號有噪聲，從而不利地影響所述電流信號的可靠測量。因此，為了優化離子傳輸電壓，必須考慮低噪聲與大的平均離子電流信號之間的平衡。圖8顯示了根據本發明的一個實施例的填充有BF3的離子室的I-V特征曲線的實例。在該實例中，在大約5V以下的I-V特征曲線的相對陡斜率產生大約5V的最小最佳電壓。這是將保證離子電流信號大到足以被準確測量的最小電壓。在大約20V(未示出)以上，離子電流信號的噪聲振幅開始不利地影響離子電流信號測量的精度。因此，對該實例來說，選擇大約20V作為最佳離子傳輸電壓的最大值。因此，在操作中，選擇最佳操作電壓在大約5V至大約20V的范圍內。圖9中示出了由12V最佳離子傳輸電壓產生的離子傳輸電流信號的一個實例，且離子傳輸電流信號的相應平均值為6. 03pA，而與離子傳輸電流信號相關聯的噪聲振幅為0. 04pA。本領域的普通技術人員將認識到最小的最佳電壓、最大的最佳電壓和最佳離子傳輸電壓的精確值取決于許多變量，例如包括電極設計、操作環境(溫度、濕度、振動等)和用在檢測器中的具體氣體，因此，最小的最佳電壓和最大的最佳電壓的值不局限于上述的準確值。根據本發明的方法，施加離子傳輸電壓(即，在離子室中的電極上施加的電勢)，使所述離子傳輸電壓在選定的持續時間內穩定，然后中止所述離子傳輸電壓，如圖10所示。作為時間函數的電壓曲線被顯示為41，且可以被分割成多個時間段。如圖所示，在時間段42中，離子傳輸電壓首先逐漸增加。這種增加的速率由電路的RC時間常數來確定。最終，在時間段43中，電壓達到最大值。在時間段43期間，離子室中的在施加電壓之前由中子通量形成的離子被拉到電極，從而產生離子電流。然后離子電流可以被檢測為橫跨負載電阻R的電壓信號(Vk)。要注意的是在時間段43期間測量的電壓信號(Vk)的大小可以包括來自由中子通量生成的離子電流的電壓信號和來自泄漏電流的電壓信號。一旦完成離子電流測量(或在選定的持續時間之后)，斷開施加到離子室中的電極的電壓，從而在時間段44中產生電壓衰減。電壓最終衰減到零。這種衰減的速率由電路的RC時間常數確定。保持電壓斷開持續時間段45，在時間段45期間，應該檢測不到來自離子傳輸的信號。在與泄漏電流相對應的時間段45期間可以進行另一個測量。在時間段43和45 中獲得的測量之間的差值可以用于推導所需的測量-僅由于離子傳輸的電流，并因此與通過離子室的中子通量有直接關系。對于每一個測量周期都可以測量泄漏電流，使得泄漏電流基準僅為秒或幾分之一秒。溫度、濕度和長期漂移影響在更長的時間標度上操作，因此保持測量之間的大致恒定。 因此，這些緩慢變化的影響在差值測量中被消除。因為泄漏電流可以為與離子傳輸電流相同的數量級，因此從原始測量結果中減去泄漏電流可以顯著地提高離子電流測量的重復性和精度。本發明的用于離子傳輸測量的一些方法被示出為圖11中的流程圖。上述方法對應于圖11中的方法B。方法B包括以下步驟啟動離子傳輸低電壓(步驟52)；測量離子電流(步驟53)；切斷離子傳輸低電壓(步驟；以及在離子傳輸低電壓被切斷之后測量泄漏電流(步驟5 。步驟53和55中獲得的測量結果之間的差值然后用于推導由中子通量產生的離子電流(步驟59)。根據本發明的一些實施例，還可以測量和校準電路中的放大器的增益。為此，在時間段46期間，將非常小的電壓斜線上升(或其它特征非DC脈沖)應用到離子室。該電壓太小而不能驅動離子傳輸，但是離子室將用作電容器，因此具有小電流。只要離子室的電容不變化(假設幾何結構是固定的，并且氣體是惰性氣體，不可能發生變化)，到放大器的輸入將為加上校準電流(所述校準電流是已知的)的泄漏電流(所述泄漏電流如上所述被測量)。因此，所述增益可以被易于計算并調節，使得能夠以相同的增益獲得要比較的測量結果。可選地，如此獲得的增益可以用于校準(調節)離子電流測量結果，使得所述離子電流測量結果在獲得兩個測量結果之間的差值之前具有相同的增益。該方法在圖11中被示出為方法D。方法D包括以下步驟啟動離子傳輸低電壓 (步驟52)；測量離子電流(步驟53)；切斷離子傳輸低電壓(步驟；測量泄漏電流(步驟陽)；以及測量增益(步驟56)。在步驟56中獲得的增益可以用于在信號獲取期間或在步驟53和55中進行的由測量結果推導差值測量結果之前控制測量。差值測量結果然后可以用于推導離子電流。本發明的一些實施例使用更簡單的方法，該方法不需要測量泄漏電流(S卩，跳過圖10中的時間段45)。根據本發明的這種實施例的方法假設當進行測量時，信號放大器的增益在短期內不會變化。通過離子傳輸低電壓被開啟的測量(圖10中的時間段4 對應于離子傳輸電流和泄漏電流的總和。通過微小電壓斜率(圖10中的時間段46)進行的測量對應于校準電流加上泄漏電流。這兩個測量結果之間的差值提供了信號電流(離子傳輸電流)減去(已知的)參考電流。因此，可以從差值測量推導離子傳輸電流。當信號電流(離子傳輸電流)的大小等于參考電流的大小時，差值為零，因此增益的任何漂移是不相干的。然而，當在信號的大小與參考電流的大小之間具有相當大的差值時，增益漂移可能會產生誤差。因此，這種方法沒有上述方法精確。然而，如上所述，如果需要，增益可以從在時間段46期間測量的信號被單獨校準并用于提高離子傳輸測量的精度。與該方法相對應的方法在圖11中被示出為方法C。方法C包括以下步驟啟動離子傳輸低電壓(步驟52)；測量離子電流(步驟53)；切斷離子傳輸低電壓(步驟；以及測量增益(步驟56)。在步驟53和56中獲得測量結果之間的差值接著可以用于推導由中子通量產生的離子電流(步驟59)。在上述所有實施例(例如，圖11中的方法B、C和D)中，測量離子電流(步驟53)。 另外，基于所使用的方法，可以測量泄漏電流(步驟5 或增益校準電流(步驟56)或者測量泄漏電流和增益校準電流。根據本發明的一些實施例，僅離子電流被測量，并且沒有提供對泄漏電流的補償。該方法被示出為圖11中的方法A，方法A包括三個步驟啟動離子傳輸低電壓(步驟52)；測量離子電流(步驟53)；以及從步驟53中獲得的測量結果推導中子通量(步驟59)。圖11中所示的流程圖50顯示根據本發明的實施例的用于離子傳輸測量的多個方法。本領域的普通技術人員將認識到在不背離本發明的保護范圍的情況下可以進行其它修改。例如，這些方法可以組合使用，并且結果可以交叉檢查精度或質量控制。例如，系統的增益的不期望變化可以由方法B和D的結果之間不期望的差異來識別。類似地，泄漏電流的大小可以從由方法C和D獲得的結果之間的比較推斷出來。為了了解脈沖模式操作的另外的優點，需要考慮系統的反應動力學。作為實例，對于填充有He-3的離子室，在正常情況下，離子室中的大多數氣體原子為未電離的He-3。因此，He-3氣體的濃度保持基本上恒定，并且由公式(1)，離子生成的速率僅線性依賴于中子通量。如上所述，通過兩種獨立的機構-離子電流流動(到電極的離子傳輸)和重組來消耗離子。當在離子室上施加電場時，離子響應電場移動，且正離子和負離子在相反的方向上被拉向相對的電極。離子最終在電極處中和，從而產生離子電流。當電勢保持恒定時，離子消耗的速率和離子濃度成線性關系(一階)。當不施加電場時，離子消耗項由于在電極處的中和而變為零。為了使離子在氣體中中和(重組)而不是在電極處中和，所述離子必須與具有相反電荷的離子碰撞。這種碰撞的概率取決于正離子和負離子的濃度。因此，重組反應從屬于二階動力，一階每一個關于正離子和負離子的濃度。因此，當離子濃度低時，離子重組可忽略，而當離子濃度高時，離子重組將變得有意義。當離子濃度小時，具有一階動力(即，到電極的電流)的離子消耗項占優勢，而具有二階動力(即，重組)的離子消耗項相對較小。如果連續施加電場(當在恒定電壓操作中時)，則離子室達到平衡，其中通過電流流動的離子消耗率說明由中子通量生成的離子的較大的百分數，而通過重組的消耗率相對較小。如果間歇地施加電場(例如，在脈沖模式中)，則上述平衡不會出現。當中止電場時，由于電流發生的離子消耗停止。因為由于中子相互作用進行的離子生成持續，因此離子濃度增加，但是通過重組出現的離子消耗可忽略，并且保持可忽略，直到離子濃度相當大的增加。最終，當通過重組出現的離子消耗等于通過中子通量的離子生成時，將達到平衡，但是這將需要相對較長的時間。當啟動離子傳輸電壓時，初始電流將較高(相對于在連續電場的情況下的電流)， 這是因為離子濃度有時間增加。電流越大，越容易測量，并且泄漏電流相對較小。因此，與傳統的恒定電流模式可以產生的結果相比較，圖11中的簡單方法A將產生更加精確的結果。首先，似乎在脈沖模式中可以通過使占空比(施加電場時的時間占總循環時間的百分數)非常小而使離子電流非常大，但是情況不是這樣的，理由如下。首先，存在測量離子電流所需的實際最小時間。其次，一些離子將在電壓穩定之前通過離子傳輸被消耗掉。第三，當離子濃度增加時，更多的離子消失而進行重組。最后，由于在測量期間收集的離子的總數減小，因此測量的統計波動增加。因此，優選地選擇循環時間和占空比，使得統計不確定度(由于中子生成的物理過程造成)等于測量不確定度(由于電子設備的局限性造成)。 這將允許最小的測量不確定度。以上顯示了本發明的當應用到被設計成檢測中子的離子室的實施例。然而，如上所述，本發明的實施例不局限于中子檢測。相反地，根據本發明的實施例的脈沖模式操作還可應用于被設計成檢測諸如伽馬射線、X射線、α粒子和β粒子的其它形式的高能量輻射的離子室。例如，來自例如X射線或伽馬射線的高能量光子(或電磁波)可以穿過離子室壁 (或窗)并且被氣體分子中的電子吸收或與所述電子相互作用(或從所述電子進行康普頓散射)，從而產生高能量電子。產生的高能量電子然后通過與其它氣體分子中的電子的沖撞而形成多個離子。最終結果為以與高能量光子(或電磁波)通量成比例的速率生成離子。 一旦生成離子，裝置的操作的其它方面與上述相同。根據本發明的另一種方法，離子傳輸電壓為具有交變極性的低電壓。正低電壓被施加并且被穩定。測量正離子電流。與前述實施例相同，該測量將包括泄漏電流。電壓極性則相反并且在負傳輸低電壓下被穩定。離子室中的任何離子在相反的方向上被加速。負離子電流被測量，所述負離子電流包括泄漏電流。泄漏電流主要由于半導體部件的特性而產生。所述泄漏電流不依賴于電壓的大小或極性。因此，泄漏電流將加入到在一個階段中測量的離子電流，并且泄漏電流將從在另一個階段中的離子電流測量結果中減去近似相等但相反的量。通過計算來自每一個階段的離子電流測量的平均(即，算術平均)絕對值，測量結果的泄漏電流分量將被消除。最終的值可以僅表示由于離子室中的離子傳輸而產生的電流。在一些實施例中，可以對每一個測量周期進行平均計算。在這種情況下，泄漏電流基準僅為幾分之一秒。另外，溫度和長期老化影響以更大標度操作，并且同樣地從測量結果中除去。用于交流低電壓的電壓可以具有本領域所公知的或隨后設計的任何形式。例如， 如下所述，圖12顯示了方形波。方形波概念上簡單，并且方形波允許具有少量部件的設計，
1從而最小化滲漏。因為極性反向能夠補償泄漏電流，因此在不背離本發明的保護范圍的情況下可以使用諸如正弦波的其它函數。圖12顯示了根據本發明的一個實施例的低電壓的電壓曲線61與時間。在第一時間段62中，施加正離子傳輸低電壓，并且電壓61上升并在施加電壓處穩定。在下一個時間段63中，測量正離子電流。該測量可以包括由于除了離子室中的離子傳輸之外的情況而產生的泄漏電流。下一個時間段為電壓反向時間段64。所施加的低電壓的極性被反向，并且電壓61 迅速下降并在負電壓下穩定。在負離子電流測量時間段65中，再次測量離子電流。與正離子電流測量63—樣，負離子電流測量結果將包括泄漏電流。離子傳輸電流的方向將在相反方向上，但是泄漏電流在與正離子電流測量的方向相同的方向上。可以通過計算正離子電流測量值和負離子電流測量值的絕對值的平均值來消除泄漏電流。另外，如上所述，即使使用交流電壓，也可以測量并校準放大器的增益。在一些實施例中，不能對每一個交流周期執行增益測量和校準。代替地，可以以選定的間隔執行增益測量和校準。圖13顯示根據本發明的一種方法。所述方法可以包括施加正低電壓71。這將使得離子室中的離子以相反的電荷朝向電極移動。該方法接下來可以包括測量正離子電流測量72。該測量可以包括泄漏電流。該方法可以包括施加負低電壓73。這將使得離子室中任何沒有被消耗的離子反向，并使所述離子朝向另一個電極移動。該方法然后可以包括進行負離子電流測量74。該測量還可以包括與存在于正測量的相同極性的泄漏電流。確定通量75可以包括計算泄漏自由離子電流測量值。這可以包括獲得正測量和負測量的絕對值的平均值。例如，以下公式顯示一種用于根據正測量值(V+)和負測量值 (V")確定泄漏自由離子電流(Vk)的可能計算Vjc =1(2)本領域的技術人員在不背離本發明的保護范圍的情況下可以設計其它計算和公式。例如，在一些實施例中，負測量值(V-)可以被反向(即，形成正測量值)并被增加到正測量值(V+)。因為泄漏電流加到一個測量值并從另一個測量值中減去，因此最終值將表示離子電流(Vic)，而不受泄漏電流的影響。本發明的另外的實施例使用低電壓諧振方法。使用用于交流電壓的選定的頻率和 /或振幅，離子室中的僅一小部分離子將在給定時間段內被消耗。例如，通過減小交流電壓的振幅，沒有到達電極的離子百分比可以增加。這些離子將在一個方向上(例如，在正驅動電壓下)加速，并且當極性相反時，這些離子將在相反的方向上(例如，在負驅動電壓下) 加速。這些離子將基本上在電極之間往復移動，并且將僅通過重組被消耗。檢測器的響應時間將增加離子室在這種諧振模式中達到平衡所需的時間量。然而，因為這在幾分之一秒內發生，因此相對于中子測量，這不是重要的問題。因為在這種諧振模式中離子的總數增加， 因此當離子傳輸電壓啟動時，對于給定的中子通量的總測量電流也將增加。這將為給定的中子通量提供較高幅度的信號。有利地，本發明的實施例可以用于使用低電壓操作提供高能量輻射的更加精確測量的方法和設備，其中與傳統的高電壓檢測器相比，所述低電壓操作產生較高的信噪比。另
13外，不需要為系統持續加載高電壓，裝置不會被快速損壞，并且可以消耗更少的能量。有利地，本發明的實施例還可以用于使用低電壓脈沖模式操作提供高能量輻射的更加精確測量的方法和設備，其中與恒定低電壓操作相比，所述低電壓脈沖模式操作可以產生更強的信號，同時與高電壓脈沖模式操作相比具有較高的信噪比。此外，有利地，本發明的實施例可以用于提供使用低電壓諧振法的方法和設備。與恒定低電壓操作相比，這可以為給定的中子通量提供更高的信號，同時與高電壓諧振模式操作相比具有更高的信噪比。有利地，本發明的實施例可以用于提供可以用于從脈沖模式操作推導離子傳輸電流的方法。另外，這種方法可以易于對泄漏電流校正或校準系統的增益。有利地，本發明的實施例可以用于提供一種提供用于控制質量和/或監測泄漏電流和/或系統增益的簡便方法的方法。雖然已經關于有限數量的實施例說明了本發明，但是得益于本發明的本領域的技術人員將認識到可以設計不背離本發明這里所述的保護范圍的實施例。因此，本發明的保護范圍應該僅僅由所附權利要求限制。
1權利要求
1.一種用于測量高能量輻射通量的方法，包括以下步驟將低電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過所述流體與高能輻射的相互作用形成離子；測量與由所述低電壓引起的離子電流有關的離子電流信號； 確定泄漏電流； 確定增益；根據所述離子電流信號、所述增益、和所述泄漏電流確定所述高能量輻射通量的大小；以及輸出所述高能量輻射通量的大小的結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述低電壓小于1000V。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述低電壓在大約5V至大約20V的范圍內。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述流體具有通過在施加電壓的所述范圍內增加電壓使由所述高能輻射產生的離子的數量增加的特性。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，所述流體包括選自以下物質中的至少一種 氦-3、鋰-6、鈾-233、鈾-235、钚-239及其化合物。
6.根據權利要求3所述的方法，其中，所述流體包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或復合物。
7.根據權利要求3所述的方法，其中，確定所述泄漏電流的步驟包括 降低施加到所述離子室中的所述電極的所述低電壓；以及測量由所述泄漏電流引起的所述泄漏離子電流信號。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，確定所述增益的步驟包括在所述電極上施加足夠小的時變電壓，使得由于所述時變電壓不會出現離子傳輸，但是所述離子室傳導小的校準電流。
9.一種用于測量高能量輻射通量的方法，包括以下步驟將低電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過所述流體與高能輻射的相互作用形成離子；測量與由所述低電壓引起的離子電流有關的離子電流信號； 在所述電極上施加為負極性的所述低電壓；測量與由為負極性的所述低電壓引起的離子電流有關的負離子電流信號； 根據正離子電流信號和負離子電流信號確定所述高能量輻射通量的大小； 輸出所述高能量輻射通量的大小的結果；在所述電極上施加時變電壓，使得所述離子室傳導足夠小而不會出現離子傳輸的電流；以及確定增益。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述低電壓小于1000V。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述低電壓在大約5V至大約20V的范圍內。
12.根據權利要求9所述的方法，其中，所述正電壓和所述負電壓作為周期波形被施加，其中所述波形的振幅和頻率中的一個或兩個被調節，使得所述離子室中的離子被消耗， 所述消耗受到所述離子的重組的控制。
13.根據權利要求9所述的方法，其中，確定所述高能量輻射通量的大小的步驟包括 獲得所述正離子電流信號測量值的絕對值和所述負離子電流信號測量值的絕對值的平均值。
14.根據權利要求9所述的方法，其中，所述流體具有通過在施加電壓的所述范圍內增加電壓使由所述高能量輻射產生的離子的數量增加的特性。
15.根據權利要求9所述的方法，其中，所述流體包括選自以下物質中的至少一種 氦-3、鋰-6、鈾-233、鈾-235、钚-239及其化合物。
16.根據權利要求9所述的方法，其中，所述流體包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或復合物。
17.一種用于測量高能量輻射通量的方法，包括以下步驟將第一電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過高能量輻射形成帶電離子；測量與由所述第一電壓引起的離子電流有關的離子電流信號；通過將所述第一電壓降低到低電壓確定最佳電壓；測量與由所述最佳電壓引起的離子電流有關的最佳離子電流信號；根據所述最佳離子電流信號、增益和泄漏電流確定所述高能量輻射通量的大小；以及輸出所述高能量輻射通量的大小的結果。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述低電壓小于1000V。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述低電壓在大約5V至大約20V的范圍內。
20.根據權利要求13所述的方法，其中，所述流體具有通過在施加電壓的所述范圍內增加電壓使由所述高能輻射產生的離子的數量增加的特性。
21.根據權利要求13所述的方法，其中，所述流體包括選自以下物質中的至少一種 氦-3、鋰-6、鈾-233、鈾-235、钚-239及其化合物。
22.根據權利要求13所述的方法，其中，所述流體包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或復合物。
23.一種用于測量高能量輻射通量的系統，包括離子室，所述離子室包括能夠通過所述高能量輻射通量被電離的物質和設置在所述離子室中的兩個電極；和電路，所述電路連接到所述兩個電極，其中所述電路被構造成將低電壓提供給所述兩個電極并且測量所述兩個電極間的電流，其中所述電路被構造成根據所述電流確定所述高能量輻射通量的大小。
24.根據權利要求23所述的系統，其中，所述低電壓小于1000V。
25.根據權利要求M所述的系統，其中，所述低電壓在大約5V至大約20V的范圍內。
26.根據權利要求M所述的系統，其中，能夠電離的所述物質包括流體，所述流體包括三氟化硼和三氟化硼的化合物或復合物。
全文摘要
本發明公開一種用于測量高能量輻射通量的方法，包括以下步驟將低電壓施加到填充有流體的離子室中的電極，所述流體能夠通過流體與高能輻射的相互作用形成離子；測量與由低電壓引起的離子電流有關的離子電流信號；確定泄漏電流；確定增益；根據離子電流信號、增益和泄漏電流確定高能量輻射通量的大小；以及輸出高能量輻射通量的大小結果。
文檔編號G01T1/16GK102375152SQ20111022386
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月5日 優先權日2010年8月6日
發明者亞歷克斯·庫利克, 亞歷山大·約瑟夫·葉辛, 尼古拉·巴圖林 申請人:思姆菲舍爾科技公司