Ионизационные детекторы

По принципу действия и конструкции ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера — Мюллера сходны между собой и представляют газонаполненный сосуд с двумя вмонтированными электродами, к которым приложено напряжение (Рис. 20).

Проходя через детектор, излучение ионизирует газ, и образуются новые ионные пары. В так называемых электроотрицательных газах (галогенах) образуются положительные ионы и электроны, которые затем захватываются при столкновениях с нейтральными атомами с образованием отрицательных ионов. Атомы электроположительных газов (аргона, гелия и др.) не захватывают электроны. Отрицательными ионами служат электроны. Под действием приложенного к электродам напряжения постоянного тока от источника питания 2 в цепи возникает ток, который можно измерить прибором 3 (например, гальванометром).

При небольших разностях потенциалов между электродами скорость направленного движения ионов мала – наблюдается хаотичное тепловое движение ионов. Основные процессы, идущие при этом, – рекомбинация и диффузия.

Рекомбинация – образование электронейтралыюй молекулы при столкновении положительного и отрицательного ионов (электронов). Диффузия – явление выравнивания плотности ионов по объему газа.

С увеличением разности потенциалов скорость направленного движения ионов растет, диффузия и рекомбинация уменьшаются, ток в цепи увеличивается. Ток растет с увеличением напряжения до значения тока насыщения I_н (Рис. 21), при котором практически все первично образованные ионы собираются на электродах. Эта область вольт-амперной характеристики называется областью ионизационной камеры. В этой области дальнейшее повышение напряжения не влияет на ток насыщения I_н, который пропорционален интенсивности излучения (скорости образования ионизационного эффекта).

Если интенсивность излучения остается постоянной по всему объему камеры, то имеет место выражение

I_н=n ₀· V ₀· e,

где n ₀ – число пар ионов, образуемых излучением в 1 см ³ за 1 с; V ₀ – чувствительный объем камеры, см ³; е – заряд иона.

Следовательно, зная объем камеры и измерив ток насыщения, можно легко определить число ионов, образуемых излучением в единице объема воздуха или вещества-заполнителя ионизационной камеры за 1 с, т. е. измерить мощность дозы ионизирующего излучения.

Детекторы, работающие в данной области напряжения называются ионизационными камерами.

При определенном напряжении легкоподвижные электроны, полученные при первичной ионизации, получают достаточную кинетическую энергию для вторичной ионизации молекул (ударная ионизация). Вновь образованные электроны в результате ударной ионизации смогут также ионизировать молекулы газа и т. д. Возникает лавинообразное размножение зарядов.

Процесс развития электронно-ионной лавины количественно описывается с помощью так называемого коэффициента ударной ионизации α, под которым понимают количество соударений электрона с молекулами газа по пути 1 см, а меру увеличения ионизационного эффекта называют коэффициентом газового усиления т вследствие ударной ионизации, т. е. с ростом напряжения коэффициент т растет так, что каждому значению разности потенциалов между электродами соответствует свой коэффициент т, который не зависит от первичного заряда.

Область напряжений, где коэффициент т пропорционален росту напряжения, но не зависит от первичного заряда, образованного излучением, называют пропорциональной областью, а детекторы, работающие в этой области, пропорциональными счетчиками.

Коэффициент газового усиления в этой области может достигать значений 10³–10⁴ (т. е. одна пара ионов, возникшая в результате воздействия излучения, образует 1000-10000 вторичных пар ионов на 1 см пути в рабочей камере детектора), а в области ионизационной камеры т= 1.

Пропорциональные счетчики по сравнению с ионизационными камерами имеют малые размеры. Конструктивно счетчик делают таким, чтобы при малых размерах и напряжении на электродах получить максимальный коэффициент газового усиления. Наиболее широко их применяют для регистрации медленных и тепловых нейтронов, которые при этом заполняются бор-содержащими газами.

За пропорциональной областью идет область ограниченной пропорциональности, которая для построения детекторов не используется, так как в этой области коэффициент газового усиления имеет сложную зависимость и от первичного заряда, и от напряжения на электродах.

При некоторой разности потенциалов газовый лавинный разряд во всем объеме рабочей камеры может возникнуть при создании облучением хотя бы одной пары ионов в газовом слое. Однако этого напряжения еще недостаточно, чтобы начался самостоятельный газовый пробой.

Эта область напряжений называется областью Гейгера, а детекторы, работающие в этой области, счетчиками Гейгера-Мюллера. Существуют два типа счетчиков Гейгера-Мюллера – самогасящиеся и несамогасящиеся.

В несамогасящихся счетчиках разряд продолжается даже после исчезновения источника начальной ионизации. Для возвращения счетчика в начальное рабочее состояние в схему блока детектирования вводят специальные нагрузочные элементы. Несамогасящиеся счетчики имеют малое практическое применение, гак как обладают плохой разрешающей способностью.

В настоящее время очень широкое применение нашли самогасящиеся счетчики, в состав газа которых входят специальные добавки, которые обеспечивают гашение разряда вследствие изменения его внутреннего механизма. Чаще всего этими добавками служат примеси галогенов (брома, хлора, иода), имеющих низкие ионизационные потенциалы. Поэтому такие счетчики иногда называют галогенными.

Дата добавления: 2014-01-05