Ионизационные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Ионизационным называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

Ионизационная камера – простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He + Ar, Ar + C ₂ H ₂, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского (рис. 5.82) или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролёте заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать, достигали электродов.

А

С

К

Рис 5.82. Схема ионизационной камеры

Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток, пропорциональный среднему энерговыделению. В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой. Образовавшиеся в результате ионизации электроны под действием поля E _кс двигаются по направлению к сетке, проходят ее под действием поля E _са> E _кс и собираются на аноде. Более подвижные электроны собираются за время 10^-6 с. Положительные ионы, время сбора которых на три порядка больше, за это время остаются практически на месте. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов. Временнoе разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов. Таким образом, при регистрации импульса тока от электронов временное разрешение ионизационной камеры будет достигать 10^-6 с.

Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию e, необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа e 30 – 40 эВ).

Рис 5.83. ВАХ ионизационной камеры

Пока напряжение и ток малы, а количество ионов значительно больше (рис. 5.83), чем необходимо для обеспечения этого тока, ток возрастает пропорционально напряжению. С увеличением напряжения пропорциональность нарушается и при изменении напряжения от U_A до U_B ток не меняется. В этом диапазоне напряжений все ионы доходят до электродов и участвуют в создании тока. Повышение напряжения не увеличивает числа носителей. При дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, и если оно превышает U_B,то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей, а также и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участке АВ ВАХ. С увеличением излучения ток камеры возрастает.

Конструкция камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц. При работе с a-частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры.

Газоразрядные счетчики представляют собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем U_B на рис. 5.84. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера.

Рис.5.84.Газоразрядный счетчик, его устройство и типичная схема включения. 1–стеклянный баллон; 2–металлический цилиндр (катод); 3– нить (анод)

Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный баллон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволока – анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытие – катод. Прикладываемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникший под действием ионизирующей частицы или излучения в области малой напряженности, дрейфует к аноду, скорость и энергия которого возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает и электрон сам ионизирует газ. Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 10³ –10⁴, а иногда более чем в 10⁶ раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным газовым разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее прекращении. Как и в ионизационных камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения.

К электродам счетчика Гейгера–Мюллера подается еще большее напряжение. Под действием излучения происходят процессы, аналогичные процессам в пропорциональном счетчике. Однако в прианодной области под действием увеличенной напряженности поля энергия электронов настолько возрастает, что возникает самостоятельный коронный разряд. Возникшее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны, они ионизируют газ и поддерживают возникший разряд. Для того чтобы можно было зарегистрировать приход новой ионизирующей частицы или кванта излучения, разряд должен быть погашен. Гашение производится либо специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процессов, происходящих внутри его. Счетчики первого типа называются несамогасящимися, второго – самогасящимися. Самогасящиеся счетчики наполняются газовой смесью специального состава, которая поглощает ультрафиолетовое излучение и способствует прекращению разряда.

Импульсы тока в счетчике Гейгера-Мюллера возникают при попадании в него ионизирующих квантов или частиц. Амплитуда импульсов постоянна и от энергии ионизирующих агентов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов.

Ионизационные камеры и газоразрядные счетчики могут работать в токовом или импульсном режиме. В первом измеряют средний ток преобразователя, численно равный общему заряду всех ионов, образованных за одну секунду. У ионизационной камеры ток составляет 10^-10 – 10^-15 А. Для его измерения последовательно с преобразователем включают нагрузочное сопротивление порядка 10⁹ – 10¹⁰ Ом и напряжение на нем измеряют с помощью усилителя постоянного тока. У пропорциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядок 10 В.

В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда импульсов тока ионизационной камеры ипропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ионизирующим излучением или частицей в камере. Ионизационные камеры часто используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, имеющих малую длину пробега. При их торможении в камере амплитуда импульсов пропорциональна полной энергии частицы, частота импульсов пропорциональна интенсивности излучения.

Рис. 5.85. Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор (рис. 5.85) – это ионизационный преобразователь, представляющий собой монокристалл полупроводника (литий-дрейфовый диод, Si: Li, GE: Li) с р-i-n – переходом. Проводящий слой с собственной проводимостью (i – проводимостью) выполнен путем диффузии лития в монокристалл германия (кремния). Измеряемое излучение ионизирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости. Под действием напряжения, приложенного к р– и n– слоям, возникает импульс тока. Число носителей, а следовательно, и амплитуда импульса тока пропорциональны энергии излучения, средняя их частота пропорциональна интенсивности. Характеристики полупроводникового детектора подобны характеристикам пропорционального счетчика.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора – (фосфор, сернистый цинк (ZnS)), который под действием излучения дает вспышку света (рис. 5.86). Свет выбивает из фотокатода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) электроны, которые ускоряются и умножаются системой его динодов, создавая ток, который усиливается. Яркость вспышки, а следовательно, и импульс фототока ФЭУ определяются энергией частицы или излучения, поглощенной сцинтиллятором, их средняя частота – интенсивностью излучения.

Рис. 5.86. Сцинтилляционный счетчик.

Особенности применения ионизационных преобразователей. Приборы с ионизационными преобразователями могут использовать либо меченые атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для изучения поведения веществ и тел в различных физических, химических и физиологических процессах. Их применение основано на том, что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяются с помощью ионизационных преобразователей. Приборы с источниками излучения служат для измерения неэлектрических величин, таких, как толщина материала, уровень жидкости, расход жидкости и пр. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины.

Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые обеспечили их распространение. Эти приборы используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет изменение внешних условий: температуры, давления, напряжения питания, наличие агрессивных сред и т. п. Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях.

Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако разработка и использование высокочувствительных детекторов (сцинтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают ионизационные приборы практически безопасными. Приборы, использующие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате естественного радиоактивного распада интенсивность излучения уменьшается, так что

J = J ₀exp[–(ln2/ T _0,5) t ],

где J ₀ – начальная интенсивность; Т _0,5 – период полураспада источника излучения.

Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность

d J =(J – J ₀)/ J ₀=exp[–(ln2/ T _0,5) t ]–1.

Для ее уменьшения следует периодически увеличивать чувствительность прибора.

Другая погрешность обусловливается случайным характером ядерного распада, т.е. временем распада, направлением траектории радиоактивной частицы или кванта излучения, захватом и торможением излучения веществом ионизационного преобразователя. Вследствие этого последовательность импульсов преобразователя имеет непериодический, случайный характер. Если время подсчета импульсов мало, то количество импульсов может сильно различаться при повторении измерений даже при неизменных условиях. При увеличении времени подсчета происходит усреднение, и относительная вариация показаний прибора и погрешность уменьшаются.

Дата добавления: 2014-12-16