中低能回旋加速器具有结构紧凑，成本低，引出流强高等特点，因此广泛用于同位素药物生产、核物理、核医学、半导体加固等方面，具有广阔的发展前景。目前中国原子能科学研究院已经建成引出能量为10 MeV、14 MeV、30 MeV、100 MeV等一系列回旋加速器^[1]，同时正在研制用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。然而在加速器运行过程中，由于真空剥离、洛伦兹剥离等原因产生的中子和γ辐射对工作人员产生危害^[2-3]，因此需要对加速器运行场所进行辐射监测。蒙卡分析表明，10~30MeV的回旋加速器产生的光子最高能量将达到2 MeV甚至更高，由于商用的场所伽玛剂量监测设备多数基于盖革计数管或者是闪烁体等探测器，而盖革计数管通常的能量响应范围不超过1.5MeV，而闪烁体在这样的混合场下，随着中子轰击闪烁体，将形成缺陷进而影响探测效率。高气压电离室虽然可以避免上述缺点，但是具有成本高、加工难度大等缺点，不完全适合广泛布置在质子加速器场所，因此需要研制一种适合于中低能回旋加速器的γ辐射监测设备，并具有能响范围宽，结构简单，成本低，易于维护等特点。

空气电离室广泛用于各种加速器设施中，德国重离子加速器(GSI)采用电离室、闪烁体和BF3正比管作为束损和剂量监测设备^[4]；俄罗斯的U-70同步质子加速器在其加速器大厅内的120个偏转磁铁上都安装了空气电离室^[5]，用来监测因为运行时加速器产生的辐射。加拿大TRIUMF国家实验室也采用了空气电离室监测500MeV质子加速器运行时产生的辐射场^[6]。因为采用空气作为灵敏介质，空气电离室避免了高压电离室复杂的充气制造过程，但没有严格密封，因此需要对结构和电子学进行深入研究和设计，尽量减小因为环境变化造成的测量误差。

1 材料与方法

本工作采用空气电离室为研究对象，结合有限元分析方法和蒙特卡罗模拟法对空气电离室的特性进行分析。由于当伽玛射线穿过电离室阴极筒时，光子一方面与筒壁反应产生次级电子，在电场力作用下，电子由筒壁附近向阳极柱漂移，在两极间产生感应电荷，形成电流。另一方面，次级电子与两极之间的气体分子碰撞，电离后产生的电子和阳离子在电场作用下扩散和漂移，形成电流。电流经过前端电子学进行初步放大后，可被二次电子学设备进行后续放大和处理。考虑到工作气压较低，空气电离室产生的电流都在pA级以下^[7]，因此电离室的灵敏工作体积应能产生足够大能够被放大器处理的电流信号，又不能过大，增加制造和安装困难，因此设计的电离室的尺寸需要在信号输出水平、成本、体积等因素之间综合考虑。

1.2 组成材料和结构尺寸

空气电离室探测器主要由电离室和前端电子学组成，由于此类设备一般都安装在加速器束流平面位置，主要监测加速器运行时产生的辐射，因此选用圆柱形结构，便于加工制造。电离室的结构、尺寸和材料决定了探测器的能响特性及可靠性等主要性能，由于中低能加速器产生的光子能谱较宽，要求电离室对于1~8 MeV能量范围内光子响应较好，因此需要对电离室各个部件的材料选取综合考虑。电离室的结构如图 1所示。其中上半部分为空气电离室，下半部分为放大电路。

由于电离室的输出信号为直流小电流，中心阳极的工作电压设置在零电位更便于前端放大电路的设计。因此阴极必须工作在负高压下，为防止阴极意外短路等危险发生，需要为电离室设计外壁，要求一方面厚度尽量小，以减小对光子的衰减，同时要便于加工和制造，具有一定的机械强度，考虑到在中子和γ混合场下工作，选择不易活化或者活化后主要产物半衰期较短的材料。因此选择SS304不锈钢作为外壁^[8]。空气电离室的主要部件尺寸和材料如表 1所示：

为了更好的比空气等效性，空气电离室的阴极采用铝材料，另外由于长期工作在大气条件下，空气中的水蒸气会与电离室的部件发生化学反应，引起腐蚀，因此电离室的阳极采用黄铜材料，一方面具有良好的导电性，另一方面不会因为腐蚀导致产生氧化膜影响电荷收集。

考虑到空气电离室虽然工作在强辐射场下，但是由于工作气压低，输出信号十分微弱，因此设计了采用黄铜材料的保护环，保护环的电压与阳极电压一致，减小阴极至阳极的漏电流。

1.3 研究方法

为了评估空气电离室的能响特性和电气性能，需要对这些参数进行计算或者模拟，得益于近年来计算机技术的进步，有限元分析和蒙卡模拟被越来越多地应用于设备研制过程中。电离室工作在高压情况下，因为阴极和阳极之间的空气压力和湿度都会有所变化，为避免在极限条件下电离室发生放电，因此需要对电离室的电场分布进行分析。此外空气电离室的能响特性影响测量的准确性，通过蒙特卡罗模拟可以对空气电离室的结构进行优化，进一步提高空气电离室能响特性。

1.3.1 电气性能

依据表 1中电离室的实际尺寸首先采用经验公式计算了电离室的电容，结果为4.5 pF，然后在有限元分析软件中建立电离室模型，分别赋予材料属性和载荷，阳极边界载荷为0 V，阴极载荷为400 V，其中阴极和阳极之间为空气层，最外层为真空层，剖分求解后得到：C=4.324 pF，与经验公式计算相接近，考虑到两者的误差来源于电离室尾部的电容比等效时要大一些，因此在后续设计中采用仿真分析的结果。在计算完电容后，在后处理过程后求出电压梯度和电压分布分别如图 2所示。

从模拟结果可以看出，电场梯度在大部分区域基本上是均匀分布的，大约为1.14×10⁴ V/m，在尾部一些尖端部分则梯度比较大，有可能会产生尖端放电，因此在最终的结构上阳极尖端要进行倒角处理。

1.3.2 能响特性

电离室的结构和各个部件的材料组成以及厚度决定了能量响应特性，因此需对电离室结构进行详细的分析和优化，提高测量准确度。目前应用于核科学研究领域主要的蒙特卡罗模拟软件有MCNP、FLUKA和Geant4。Geant4由CERN主导研制和开发，与MCNP和FLUKA不同的是Geant4是一套基于C++的蒙卡计算框架，可以用于探测器模拟、屏蔽计算、放疗模拟等多种场合，该软件内置了多种源、反应过程和抽样算法，用户可以根据自己的模拟过程编写应用程序，并提取模拟过程中感兴趣的各种数据，因此具有很大的灵活性，非常适于粒子探测器模拟和开发。

首先在Geant4中建立2×1×1 m的world模型，然后根据表 1的电离室尺寸在建模空间放置电离室模型，再设置在模拟运行时将限元分析产生的电场分布数据导入到模型中。设置放射源距离电离室中心距离为1 m，模拟放射源为面源，与电离室横截面相同，放射源的光子能量为从150 keV~10 MeV进行变化，分别取50、100、500、661 keV 4个能量点，以及从1~8 MeV以1 MeV为步进的8个能量点进行模拟。每次运行设定源发射的粒子数为10⁷个，设定灵敏体积为探测器中的空气，然后记录灵敏体积中的电子的数量。经过归一化处理后电离室的能响特性如图 3所示。

由图 3的能响模拟结果可知，能量低于500 keV的光子，在空气电离室灵敏体积内电离产生的电子和离子较少，随着能量的升高产生电子逐渐增多，在能量为2 MeV左右的光子作用下，电离室电子的产额达到一个高峰，随后逐渐减少，超过5 MeV之后能量较高的光子产生的电子和离子又逐渐增多。在低能端由于外壁和阴极筒对光子的阻挡作用，空气电离室的响应较低，随着光子能量的升高电离室，康普顿效应和电子对效应比重逐渐增大^[9]，因此计数率又逐渐增高。

1.3.3 前端电路

因为空气电离室工作在大气压下，工作气压低，输出电流信号十分微弱，因此必需将这样微弱的信号放大，并传输至控制室内的二次电子学仪器。皮安量级的信号对于前放的设计要求很高，目前测量这样的微弱信号多采用商用的静电计，但商用静电计具有价格高、体积偏大等缺点，不适合作为探测器的前端放大器。

根据空气电离室的工作特点和参数，设计了前置放大器。在整体结构上采用跨阻放大器的形式，对输入电流进行Ⅰ-Ⅴ转换并放大，第一级放大节采用静电级运算放大器^[10]，避免输入偏置电流过大影响输入信号，为了增大整个放大器的动态范围，在第一级放大之后，增加了增益选择功能，通过选择不同的增益系数，使放大器能适应不同范围的输入信号。为使放大器有尽可能的负载驱动能力，输出级采用了缓冲放大器以减小负载对放大器的影响。

在放大器的具体制作和安装时，充分考虑了信号的特点，将放大器模块整体放入空气电离室的后部空间中，减少外界电磁干扰对放大器的影响，尽可能减少电离室输出到放大器输入的距离。对于关键的阻容反馈网络，选择高稳定性的电容和电阻，以减少因为温度变化带来的信号漂移。

2 结果

在电离室和放大电路制作调试完毕后进行组装，在实验室内采用¹³⁷Cs放射源进行试验，放射源放置在台架上，源中心位置距离地面1.7 m，源与电离室的距离为10 cm。

将前端放大器的输出连接到Keithley 2000多用表上输入端进行连续采集，记录显示电离室放大器输出本底噪声小于2 mV，当加入高压后，未放置放射源时，电离室的信号经放大后基本在0.5 mV左右，放入放射源后，电离室的输出稳定在2.45 mV左右。直流工作点波动小于0.1%，整个前端放大线路的电源抑制比好于100 dB，可以长期稳定连续工作。

3 讨论

本文利用有限元技术和蒙特卡罗模拟分析了电离室内的电场分布和能响特性。采用经验公式和有限元分析得到的电离室的电容值比较接近，根据电场分布计算结果优化了电离室结构，将电离室内部的直角部位做了倒角处理，避免了在空气湿度比较大的情况下发生尖端放电的可能性。需要注意的是电离室的阴极与外壳之间也存在高压，因此阴极的表面也需要去掉尖锐突出并进行倒角处理。电离室内空气介质的稳定性有助于提高测量的准确性，可以在组装电离室时在前端放大模块与外壁之间放置干燥材料，吸收进入电离室的水分。在基于Geant 4软件模拟结果表明空气电离室对于1~8 MeV之间光子的能量响应较为一致，在此基础之上采用¹³⁷Cs源进行了初步试验，试验表明电离室输出稳定，放大器本身噪声满足设计要求。由于空气电离室对低于1 MeV的光子响应较弱，这表明电离室的外壁和阴极对低能端的光子衰减较强，外壁可以选择原子序数更低的材料，增加对低能光子的响应。¹³⁷Cs的光子能量较低，还需要测量更高能量光子作用下空气电离室响应特性，以便于和蒙特卡罗模拟的结果进行比较。初步的研究结果表明该空气电离室具有结构简单可靠，能量响应范围宽，稳定性好等特点，能满足中低能质子加速器运行期间场所辐射监测的需求。