ГОСы / ЯФИ / ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ. Ионизационные камеры


Ионизационная камера | Info-Farm.RU

Ионизационная камера (англ. Ionization chamber) — газонаполненный детектор (датчик) для исследования и регистрации ядерных частиц и ионизирующих излучений, принцип работы которого основан на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.

Ионизационная камера по своей сути является воздушным или газовым электрическим конденсатором, к электродам которого приложена разность потенциалов. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа, которые, перемещаясь в электрическом поле, создают электрический ток, пропорциональный скорости возникновения зарядов и, соответственно, и мощности дозы облучения, фиксируется аппаратурой регистрации. Характерной особенностью ионизационной камеры, в отличие от других газонаполненных датчиков, является сравнительно малая напряженность электрического поля в газовом промежутке, таким образом ток не зависит от напряжения на электродах и равна произведению заряда электрона на число пар ионов.

Конструктивные особенности

В более широком смысле к ионизационных камер относятся также и счетчики Гейгера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счет вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, высвободились при пролете ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком понимании ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. В дальнейшем изложении этот термин используется именно в этом смысле.

Простой по конструкции является ионизационная камера с параллельными плоскими электродами (дисками). Диаметр диска в несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической ионизационной камере электродами есть два коаксиальные цилиндры, один из которых заземлен и служит корпусом ионизационной камеры. Сферическая ионизационная камера состоит из двух концентрических сфер (иногда внутренний электрод имеет форму стержня).

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением соединений, легко подвергаются ионизации (обычно углеводороды, например метан или ацетилен). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.

Классификация

Различают ионизационные камеры токовые и импульсные.

Токовые ионизационные камеры

В токовых (интегрирующих) ионизационных камерах гальванометром измеряется сила тока, создаваемого электронами и ионами. Зависимость тока от напряжения (вольтамперная характеристика) ионизационной камеры — имеет горизонтальный участок, где ток не зависит от напряжения (ток насыщения). Это соответствует полному собиранию на электродах ионизационной камеры всех электронов и ионов, образовавшихся. Этот участок обычно рабочей областью ионизационной камеры. Токовые ионизационные камеры дают информацию об общей интегральную количество ионов, образовавшихся в единицу времени. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений. Поскольку ионизационные токи в ионизационных камерах обычно малы (10 -10 … 10 -15 А), то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока.

Импульсные ионизационные камеры

В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения, которое возникает на резисторе при протекании по нему тока ионизации, вызванного прохождением каждой частицы. Амплитуда и длительность импульсов зависят от величины сопротивления, а также от емкости. Для импульсной ионизационной, что работает в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей в объеме ионизационной камеры. Обычно объектом исследования для импульсных ионизационных камер является сильно ионизирующие с коротким путем пробега частицы, которые способны полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (α-частицы, осколки ядер при разделении). В этом случае величина импульса ионизационной камеры пропорциональна полной энергии частицы и распределение импульсов по амплитудами воспроизводит распределение частиц по энергиям, то есть дает энергетический спектр частиц. Важной характеристикой импульсной ионизационной камеры является ее разрешение, то есть точность измерения энергии отдельной частицы. Для α-частиц с энергией 5 МэВ разрешение достигает 0,5%.

В импульсном режиме работы важно максимально сократить время срабатывания ионизационной камеры. Подбором величины сопротивления резистора можно добиться того, чтобы импульсы в ионизационной камере отвечали сбора только электронов, которые намного подвижнее, чем ионы. При этом удается значительно уменьшить длительность импульса и достичь интервалов порядка 1 мкс.

В этом случае на аноде камеры собираются значительно подвижнее электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как менее подвижные тяжелые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры дополнительно вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода, которая экранирует его от положительных ионов.

Варианты конструкций

Варьируя форму электродов ионизационной камеры, состав и давление газа, наполняет ее, обеспечивают лучшие условия для регистрации определенного вида излучения. В ионизационных камерах для исследования частиц с коротким пробегом источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетических материалов. В ионизационных камер для исследования гамма-излучений ионизация обусловлена ​​вторичными электронами, выбитыми из атомов газа или стенок ионизационной камеры. Чем больше объем ионизационной камеры, тем больше ионов образуют вторичные электроны. Поэтому для измерения γ-излучения малой интенсивности применяют ионизационные камеры большого объема (несколько литров и более).

Особенности использования

Измерение потока нейтронов

Ионизационные камеры позволяют измерять не только альфа-, бета- или гамма-излучения, но и нейтронное излучение, достаточно трудно, так как нейтроны не несут заряда и их прохождения через газовый объем камеры не приводит к ионизации газа, которую можно было бы измерить.

Для измерения потока нейтронов камеру разделяют на две одинаковых части. В первой половине измеряют фоновую ионизацию газа от альфа-, бета- или гамма-излучения, во второй части камеры на стенки наносят бор-10 (для ионизационных камер, измеряющих большие потоки нейтронов в ядерных реакторах) или уран-235 (для камер, измеряющие малые потоки нейтронов). При захвате нейтрона ядром урана-235 происходит вынужден деление ядра и дополнительная ионизация газа в объеме камеры осколками деления. Бор-10 при захвате нейтрона распадается на ядро ​​лития-7 и альфа-частицу. Разница в ионизации обоих объемов камеры пропорциональна потока нейтронов. Вариант ионизационной камеры с ураном-235 (или другим изотопом, испытывающего деления ядра) на электродах называется камерой разделения. Иногда камеру заполняют газообразным соединением 10 BF 3 — трифторидами бора-10, позволяет повысить эффективность регистрации осколков.

При измерении потоков нейтронов ионизационные камеры могут работать в трех режимах:

  • импульсном — при измерении малых потоков нейтронов;
  • токовой — при измерении больших потоков нейтронов;
  • флуктуационными — среднее между импульсным и токовой режимами.

Используется на АЭС в аппаратуре контроля нейтронного потока (АКНП) для измерения нейтронной мощности реактора.

Детекторы дыма

Ионизационные камеры используются также как детектор дыма. Воздух между электродами облучается альфа-частицами (как источник используется, например, америций-241) и за счет ионизации приобретает некоторую проводимости. Когда в межэлектродный пространство попадает дым, на частицах которого ионы нейтрализуются, ток утечки, обусловленный ионами, уменьшается.

Изображения по теме

  • Ионизационная камера

info-farm.ru

Ионизационные камеры.

По конструкции ионизационные камеры подразделяются на цилиндрические, плоскиеи сферические.

При конструировании и изготовлении ионизационных камер большое значение имеетвыбор изоляционного материала между электродами. В качестве изолятора используютсяслюда, янтарь, фарфор, фторопласт и другие материалы.

Собирающий электрод в зависимости от применения изготовляется из вольфрама, стали,сплавов металлов, а корпус камеры — из меди, латуни, нержавеющей стали, графита, алюминияи др.

По назначению различаются ионизационные камеры для α-, β-, γ- и нейтронногоизлучений, α- и β-ионизационные камеры имеют специальное входное окно, закрытоетонкой пленкой слюды или алюминиевой фольги. Толщина пленок должна быть значительноменьше пробега α-частиц в слюде и β-частиц в фольге, γ-излучение регистрируется поэлектронам, образовавшимся в результате его взаимодействия с веществом. Ионизационныекамеры для γ-излучения бывают двух типов: нормальные (или камеры со свободным газом)и стеночные. В качестве нормальных камер применяют плоские открытые и цилиндрические,корпусом которых служит редкая сетка из тонкой металлической проволоки. Ионизациювоздуха в нормальной камере вызывают электроны, возникающие при взаимодействииγ-излучения на расстоянии от камеры, равному пробегу электронов. Нормальные камерыиспользуются для градуировки других ионизационных камер γ-излучения. В стеночныхионизационных камерах ионизацию газа-наполнителя вызывают электроны, возникающиев стенках камеры.

Если материал корпуса ионизационной камеры имеет атомный номер, близкий кэффективному атомному номеру воздуха, заполняющего рабочий объем камеры, то егоназывают воздухо-эквивалентным, а ионизационную камеру с такими стенками — воздухо-эквивалентной ионизационной камерой.

Поскольку для целей дозиметрии важно измерять энергию, переданную ионизирующимизлучением живой ткани, которая по своему эффективному атомному номеру близка квоздуху, воздухоэквивалентность детектора имеет важное значение

B ионизационных камерах ток насыщения однозначно связан с числом лар ионов,образованных излучением в чувствительном объеме камеры Так при равномерной пообъему камеры ионизации

(7.15)

где N0 — число пар ионов, образованных излучением в 1 см3 объема камеры за единицувремени;

V — чувствительный объем камеры,

е — заряд электрона,

Рэксп — мощность экспозиционной дозы излучения;

W0 — 33,85 эВ — средняя энергия новообразования

Количество электричества (заряд образованных ионов) для камеры, заполненной воздухом.

(7.16)

где Dэксп — экспозиционная доза излучения

Таким образом, из формул видно, что ток насыщения в камере пропорционален мощностиэкспозиционной дозы, а полное количество электричества, образованное в камере за некотороевремя, пропорционально экспозиционной дозе излучения за то же время.

На практике такой способ определения мощности дозы имеет некоторые недостатки. Такдля ионизационной камеры с чувствительным объемом 10-3 м3, значение ионизационноготока при мощности дозы 2,8 мбэр/ч равно 2,6 . 10-13A, поэтому схема, содержащаяионизационную камеру, неизбежно должна содержать блок усиления слабых сигналов

Ионизационные камеры, которые служат для измерения суммарного ионизационногоэффекта, называются токовыми или интегрирующими камерами. Камеры, которые служатдля измерения отдельных ионизирующих частиц, называют импульсными камерами.У токовых камер сопротивление входной цепи значительно больше, чем у импульсных(1015Ом и 108 Ом соответственно) и следовательно больше постоянная времени — время,за которое заряд, накопленный на собирающем электроде, разрядится до первоначальногозначения (104сек и 10-3сек соответственно).

Токовая ионизационная камера, ионизация в чувствительном объеме которой создаетсяэлектронами, возникающими в результате взаимодействия γ-квантов с воздухом, называетсябесстеночной камерой.

Токовая ионизационная камера, ионизация в чувствительном объеме которой создаетсявторичными электронами, возникающими в результате взаимодействия γ-квантов со стенками,называется стеночной камерой.

Материал и толщина стенок влияют на зависимость чувствительности камеры от энергииизлучения. Этот нежелательный эффект можно устранить изготовлением стенок извоздухоэквивалентных веществ, таких как плексиглас, полистирол и т. п. Однако, посколькуизготовление и практическое использование камер с такими стенками затруднено, частоиспользуют камеры со стенками из алюминия. У таких камер ход с жесткостью отсутствуетпри энергии излучения выше 200 кэВ.

Энергетическая зависимость чувствительности камер с воздухоэквивалентными иалюминиевыми стенками приведена на рисунке 7.5.

Рис. 7.5. Энергетическая зависимость чувствительности для ионизационного детектора своздухоэквивалентными и алюминиевыми стенками.

 

Одной из широко применяемых разновидностей ионизационных камер является такназываемая конденсаторная камера. Конденсаторная камера заряжается до определеннойначальной разности потенциалов. Под действием излучения ионы, образовавшиеся в газовомобъеме камеры, разряжают ее. Соответствующее изменение разности потенциаловпропорционально дозе излучения. Преимуществом конденсаторных камер является их болеевысокая чувствительность.

Еще большей чувствительностью к ионизирующему излучению обладают газоразрядныесчетчики. По принципу устройства газоразрядные счетчики не отличаются от ионизационныхкамер. Отличие состоит лишь в величине напряженности электрического поля междуэлектродами, которое приводит к возникновению в чувствительном объеме детектора газовогоусиления.

Главной характеристикой этого процесса является коэффициент газового усилениячисленно равный отношению количества ионов, пришедших на собирающий электрод, кобщему числу первоначально образованных ионов. В зависимости от конструкции счетчикаи приложенного напряжения коэффициент газового усиления может достигать 107. Различаютнесколько типов газоразрядных счетчиков. Для понимания их различий рассмотримвольтамперную характеристику. В целях большей наглядности будем рассматриватьвольтамперные характеристики для α и β - частиц.

I — область Ома,

II — область насыщения,

III— область пропорциональности,

IV— область ограниченной пропорциональности,

V — область самостоятельного разряда (область Гейгера),

VI— область непрерывного разряда

Рис. 7.5. Зависимость амплитуды импульсов от напряжения для раз личныхрежимов работы ионизационного детектора.

Первые две области мы рассматривали ранее. Отметим только, что в области насыщенияамплитуда импульса (сила тока) пропорциональна первичной ионизации, то есть энергиизаряженной частицы, поглощенной в чувствительном объеме. Поэтому амплитуда импульсадля α-частицы, образующей около 104 пар на 1 см, гораздо больше, чем амплитуда импульсадля β-частщы, образующей на том же пути около 30 пар ионов.

Похожие статьи:

poznayka.org

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

3. ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

Ионизационными камерами регистрируют и медленные, и быстрые нейтроны. Назначение ионизационной камеры определяется типом вещества, взаимодействующего с нейтронами, и электрической схемой включения. В зависимости от электрической схемы включения, ионизационные камеры работают в токовом или импульсном режимах.

Рис. 1. Многоэлектродная ионизационная камера: 1 - высоковольтный вывод; 2 - впуск азота и вывод сигнала; 3 – выпуск азота и высоковольтный вывод; 4 - изоляция; 5 - слой сплава Мg – Al; 6 - графитовые пластины, покрытые бором; 7 - графитовое наполнение; 8 - соединительные проводники из изолированного свинца.

Токовые камеры для регистрации медленных нейтронов наполняют воздухом. Внутреннюю поверхность цилиндрического катода покрывают слоем 10В. Такую токовую камеру называют борной. Толщина бораδ не должна превышать пробегаα-частицыс энергией 1,47 МэВ, образующейся в реакции10В(n,α)7Li. При толщинахδ>Rα часть слоя, находящегося вблизи корпуса камеры, не участвует в регистрации нейтронов, так какα-частицыиз него не попадают в рабочий объем камеры и не производят ионизации газа. Более того, эта часть слоя бора производит ненужное ослабление подающего на камеру потока нейтронов. Чувствительность камеры увеличивают путем разветвления поверхности, покрытой бором. Этого достигают конструированием многоэлектродной ионизационной камеры (Рис. 1), смежные электроды в которой разделены газовым промежутком, равным приблизительно пробегуα-частицыв газе. Конструктивные элементы камеры должны изготовляться из материалов, которые слабо активируются нейтронным излучением. Это одно из условий выбора конструкционного материала для избежания высокой наведенной активности.

Оценим величину ионизационного тока в борной токовой камере. Пусть за 1 сек в боре поглощается один нейтрон и в рабочий объем камеры выходит α-частицас энергией 1,47 МэВ. Еслиα-частицаполностью

тормозится в газе, то образуется N =

1,47 106

пар ионов. Учитывая,

что энергия образования пары ионов в

ε

 

 

 

 

воздухе ε = 32 эВ, находим ионизационный ток в такой камере:

 

J1 = eN = 1,6 10−19 1,47 106

= 0,735 10−14 a.

(14)

 

32

 

 

 

Ток, образуемый в камере потоком медленных нейтронов Ф, равен

 

 

J = J1ФSp,

(15)

 

где S - поверхность камеры, покрытая бором;р — доля нейтронов, поглотившихся в боре. ПриS = 1 см2 ир =

1 атм для потоков Ф=104-1010 нейтрон/(см2 сек) значение ионизационного тока J лежит в пределах10-10 –10-4 а. Такой ионизационный ток измеряют разнообразными электрометрами.

Рис. 2. Компенсационная ионизационная камера: 1 - покрытие бором; 2 - электрометр.

В показания борной камеры дают вклад и γ-кванты.Они образуют в конструктивных элементах камеры электроны и позитроны, которые, попадая в рабочий объем камеры, вызывают ионизацию газа. Отделить ионизационные эффекты от нейтронов и отγ-квантовв токовых камерах довольно трудно. Ионизационный эффект отγ-квантовснижается путем

уменьшения газовых промежутков между электродами камеры до величины, равной пробегу α-частицы.В этом, случае пробеги электронов и позитронов не укладываются в них и доля энергии, поглощенная в газе, становится незначительной.

Ионизационный эффект от γ-квантовполностью устраняется в компенсационной камере (Рис. 2). Она состоит из двух одинаковый по размерам и конструкции токовых камер, одна из которых является борной. Обе камеры включаются в электрическую схему с общим нагрузочным сопротивлениемR. Токи, возникающие в обычной и борной камерах, протекают через сопротивлениеR в противоположных направлениях. Так как ионизационные эффекты отγ-квантовв обеих камерах равны, то на сопротивлении

выделяется напряжение ∆U, соответствующее разностному эффекту токов в камеpax. Напряжение∆U измеряют ламповым вольтметром. Разностный эффект характеризуется поглощением нейтронов в боре и пропорционален потоку нейтроновФ:

J=(Jn+Jγ)-Jγ=Jn.(16)

где Jn иJγ - токи в камере, обусловленные нейтронами иγ-квантамисоответственно.

Борная токовая камера характеризуется малой чувствительностью к быстрым нейтронам, так как сечение (n, α)-реакциина боре в быстрой области энергии нейтронов уменьшается до0,5-0,1барн. Поэтому для регистрации потоков быстрых нейтронов используют реакцию упругого рассеяния нейтронов на ядрах водорода. Стенки ионизационной камеры изготовляют из материала с большим содержанием водорода. Протоны отдачи, образованные нейтронами, выходят из стенки в рабочий объем камеры и производят ионизацию. Водородсодержащий материал может быть расположен и внутри камеры в виде отдельного радиатора. Снижение тока отγ-квантовосуществляется теми же методами, что и в борной ионизационной камере.

Наряду с токовыми камерами нейтроны регистрируются и импульсными ионизационными камерами. В этих камерах удается лучше разделить импульсы от нейтронов и γ-квантов.Кроме того, ни амплитуде импульса в некоторых случаях получают информацию об энергии нейтронов. Быстрые нейтроны регистрируются водородной импульсной камерой по протонам отдачи. Пробеги протонов и электронов в газе при одинаковых условиях сильно различаются. Поэтому импульсы от электронов, пробег которых не укладывается и рабочем объеме камеры, невелики по амплитуде по сравнению с импульсами от протонов и легко могут быть дискриминированы. Таким путем снижается влияниеγ-фонапри измерении нейтронов импульсной ионизационной камерой.

Пробеги протонов при давлении газа, равном 1 атм, все же велики. Ионизационные камеры, наполненные водородом, должны иметь большие размеры, чтобы пробег протона полностью укладывался в рабочем объеме. Для уменьшения геометрических размеров камеру наполняют водородом под давлением несколько атмосфер. Тормозную способность газа камеры по отношению к протонам можно увеличить добавлением некоторого количества инертных газов (криптон, ксенон). Такие добавки уменьшают пробег протонов, не ухудшая импульсных характеристик камеры. Так, пробег протонов с энергией 2 МэВ в камере с парциальными давлениями криптона 5 атм и водорода 4 атм составляет всего 1 см.

Развитие атомной промышленности и атомной энергетики потребовало создания нейтронных ионизационных камер для регистрации больших плотностей потоков в системах управления и защиты ядерных энергетических установок и в исследовательских реакторах. Наибольшее применение в промышленности получили ионизационные камеры нейтронов с твердым борным радиатором и ионизационные камеры деления, содержащие в качестве радиатора делящиеся изотопы урана. Они обладают высокой стабильностью при регистрации больших нейтронных потоков.

Хорошие характеристики имеет импульсная ионизационная камера для медленных нейтронов, наполненная изотопом гелия 3Не. Большое сечение реакции3Не(n, р)Т, хорошие свойства гелия как газанаполнителя позволяют получить камеру с отличными характеристиками. Импульсную камеру наполняют3Не до давления 10 атм. Сферическая камера диаметром 100 мм имеет эффективность около 100% для тепловых нейтронов. Сферическая форма камеры наиболее удобна для наполнения газом под большим давлением. Разработаны также и цилиндрические конструкции камер с газом3Не. Импульсы, вызванныеγ- квантами, в камере с3Не значительно меньше импульсов от нейтронов. Выделение импульсов от нейтронов осуществляется с помощью амплитудных дискриминаторов.

кэВ), но они могут функционировать лишь при криогенных температурах. Это обстоятельство существенно ограничивает область применения этих гамма-детекторов.Кроме того, стоимость германиевых детекторов очень высока, что связано с дорогостоящим процессом выращивания сверхчистых кристаллов германия. Что касается сцинтилляционных детекторов, то, обладая высокой эффективностью регистрацииγ-квантов,они обеспечивают энергетическое разрешение60-80кэВ. Это означает, что их спектрометрические возможности не позволяют надежно идентифицировать большинство радионуклидов. Существует еще один класс гаммадетекторов, в которых в качестве рабочего вещества используется сжатый ксенон. С точки зрения энергетического разрешения они занимают промежуточное положение между германиевыми и NaI детекторами и обеспечивают разрешение13-16кэВ. Современные нейтронные детекторы (3He – счетчики, пластиковые сцинтилляторы, камеры деления и т.д.) способны регистрировать нейтронное излучение в различных энергетических диапазонах. Для определения энергетического спектра нейтронного излучения применяются комбинированные нейтронные детекторы. Для измерения спектра в нем используется эффект поглощения нейтронов в различных средах, который зависит от энергий нейтронов.

Все упомянутые выше детекторы предназначены для регистрации либо γ-квантов,либо нейтронов. Лишьгамма-нейтронныйдетектор, у которого в качестве рабочего вещества используется смесь сжатого ксенона и изотопа гелия3He. Он объединяет в себе спектрометрические свойства ксеноновых детекторов и нейтронных счетчиков на основе3He, что обеспечивает регистрациюгамма-излученияс высоким энергетическим разрешением(13-16кэВ) и, в тоже время, эффективное измерение нейтронных потоков.

Рис. 5. Большой детектор быстрых нейтронов на базе3Не - счётчика

studfiles.net

Как работает ионизационная камера

В простейшем случае ионизационная камера представляет собой устройство из двух металлических пластин, изолированных одна от другой и разделенных газовым промежутком. Любой воздушный конденсатор может выполнять роль ионизационной камеры. Пространство между пластинами называют рабочим объемом камеры. Если на пластины подать постоянное напряжение, то в пространстве между ними образуется электрическое поле, силовые линии которого направлены от положительной пластины к отрицательной. На электрически заряженную частицу, помещенную в электрическое поле, будут действовать силы, под действием которых она будет двигаться по пути, совпадающем с направлением силовых линий. Направление движения положительно заряженных частиц совпадает с направлением силовых линий поля. Отрицательные частицы движутся в противоположном направлении, то есть навстречу силовым линиям поля.

Рассмотрим процессы, происходящие в рабочем объеме ионизационной камеры. При отсутствии напряжения на электродах камеры ионы и электроны, образованные в рабочем объеме в результате действия радиоактивного излучения, движутся беспорядочно вместе с нейтральными атомами, часть из них рекомбинируется, не достигая электродов, часть случайно попадает на электроды. Если теперь на электроды подать постоянное небольшое напряжение, то под действием электрического поля ионы и электроны приобретают направленное движение, соответствующее линиям поля (рис. 8). При этом электроны движутся к положительно заряженной пластине — аноду, а положительные ионы — к отрицательно заряженной пластине — катоду. Скорость движения тяжелых положительных ионов в тысячи и десятки тысяч раз меньше скорости движения легких электронов.

При малом напряжении на электродах поле между ними слабое и частицы движутся медленно. Поэтому большинство из них, не доходя до электродов, рекомбинирует, т. е. превращается в нейтральные частицы газа. Вследствие этого во внешней цепи ток будет очень малым.

Сила ионизационного тока равна общему суммарному электрическому заряду, принесенному заряженными частицами к поверхности электрода в течение одной секунды. Чем больше ионов собирается у электродов, тем больше сила тока. Этот ток регистрируется с помощью какого-либо электроизмерительного прибора, включенного в цепь камеры.

С увеличением приложенного к пластинам напряжения увеличивается сила электрического поля и все большее

image

Рис. 8. Принцип действия ионизационной камеры.

число заряженных частиц, не успевая рекомбинировать, попадает на электроды. Сила тока во внешней

Страница 1 of 312...»Last »

www.hep.by

Ионизационная камера - это... Что такое Ионизационная камера?

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011.

Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии ионов в газе между электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. Ток при прочих равных условиях пропорционален скорости возникновения ионов и, соответственно, мощности дозы облучения.

В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа.

В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении.

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.

Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

Измерение потока нейтронов

Ионизационные камеры позволяют измерять не только альфа-, бета- или гамма-излучение, но и нейтронное излучение, что достаточно трудно, так как нейтроны не несут заряда и их прохождение через газовый объём камеры не приводит к ионизации газа, которую можно было бы измерить.

Для измерения потока нейтронов камеру разделяют на 2 одинаковых части. В первой части измеряют фоновую ионизацию газа за счёт альфа-, бета- или гамма-излучения, во второй части камеры на стенки наносят бор-10 (для ионизационных камер, измеряющих большие потоки нейтронов в ядерных реакторах) или уран-235 (для камер, измеряющих малые потоки нейтронов). При захвате нейтрона ядром урана-235 происходит вынужденное деление ядра и дополнительная ионизация газа в объёме камеры осколками деления. Бор-10 при захвате нейтрона распадается на ядро лития-7 и альфа-частицу. Разница в ионизации обоих объёмов камеры пропорциональна потоку нейтронов. Вариант ионизационной камеры с ураном-235 (или другим делящимся изотопом) на электродах называется камерой деления. Иногда камеру заполняют газообразным соединением 10BF3 — трифторидом бора-10, что позволяет улучшить эффективность регистрации осколков.

При измерении потоков нейтронов ионизационные камеры могут работать в двух режимах:

  • импульсном — при измерении малых потоков нейтронов;
  • токовом — при измерении больших потоков нейтронов.

Используется на АЭС в аппаратуре контроля нейтронного потока (АКНП) для измерения нейтронной мощности реактора. Используемые в настоящее время ионизационные камеры:

  • КНК-15 — камера пускового диапазона.
  • КНК-53 — камера рабочего диапазона.

Детекторы дыма

Ионизационные камеры используются также в качестве детекторов дыма. Воздух между электродами облучается альфа-частицами (в качестве источника используется, например, америций-241) и за счёт ионизации приобретает некоторую проводимость. Когда в межэлектродное пространство попадает дым, на частицах которого ионы нейтрализуются, ток утечки, обусловленный ионами, уменьшается.

Смотри также

dik.academic.ru

ИЗМЕРЕНИЯ С ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРОЙ - Справочник химика 21

    Описанные процессы ионизации газов вызываются только заряженными частицами. Однако счетчик Гейгера можно применять также для измерения у-излучения. Попадая на стенки счетчика, оно вызывает эмиссию вторичных электронов. Каждая рабочая область или соответственно каждый тип счетчика имеет евои достоинства и недостатки. Для работы ионизационной камеры необходимы небольшие напряжения, но при этом возникают слабые токи, и поэтому необходимо использовать большое усиление или чувствительный регистрирующий прибор. Ионизационные камеры применяют в основном при измерении излучений большой интенсивности или при работе с сильно ионизирующим -излучением. [c.386]     Следует отметить, что даже в отсутствие специального излучателя—объекта измерения—ионизационная камера (как, впрочем, и любой другой детектор) всегда обладает некоторой проводимостью, так называемым фоном . Наличие фона связано с космическим излучением, радиоактивными загрязнениями в рабочем помещении, а также примесями естественных радиоактивных веществ в материалах, из которых изготовлена камера. Величина фона камеры определяет нижний предел чувствительности измерений, которые можно выполнить при помощи данного прибора. Поэтому фон желательно по возможности снижать. Фон от космического излучения и радиоактивных загрязнений в помещении можно снизить, помещая камеру в защиту из свинца или других тяжелых материалов. Фон от радиоактивных примесей снизить значительно труднее. [c.49]

    Чувствительность измерений ионизационной камерой при атмосферном давлении мала, она равна (I—2)10 имп/мин, поэтому такую камеру в настоящее время применяют редко (в дозиметрической аппаратуре, а также для контроля интенсивности первичного пучка). [c.154]

    По оси абсцисс — расстояние от оси фантома до поверхности, см по оси ординат — доза, отн. ед. 1 — доза быстрых нейтронов (измерение детекторами сера, индий) 2 — полная доза нейтронов (измерение ионизационными камерами) кривые — расчетные данные точки — экспериментальные данные. [c.18]

    При молекулярном натекании исследуемой пробы парциальное давление каждого компонента в ионизационной камере не зависит от присутствия других компонентов и пропорционально только парциальному давлению этого компонента в исходной смеси. Градуировка масс-спектрометра сводится к снятию масс-спектра каждого компонента и к измерению давления в напускном баллоне, тогда как при вязкостном натекании для градуировки нужно использовать смесь, близкую по составу к анализируемой. Основной недостаток системы с молекулярным натеканием — быстрая убыль давления легких [c.37]

    Измерение масс низкого разрешения проводилось на приборе МХ 1320 с использованием системы прямого ввода образца в ионизационную камеру, В ампулу, вставленную в шток прямого ввода, [c.60]

    Для измерения дозы на рабочем месте применяется дозиметр с ионизационной камерой, например МРМ-1. Ионизационная камера через усилитель связана со стрелочным прибором, калиброванным в рентгенах. [c.343]

    Для измерения дозы, получаемой работающим в течение всего рабочего дня, служат индивидуальные дозиметры КИД-1 или ДК-02. Они представляют собой миниатюрные ионизационные камеры, которые перед употреблением заряжают от зарядного устройства во время облучения они разряжаются. Электроскоп показывает полученную дозу. [c.343]

    Определение проводят в приборе (рис. 139). Излучение от источника попадает в две ионизационные камеры, соединенные противоположными полюсами через индикатор нулевого тока 3. В одну ионизационную камеру излучение попадает через поглотитель постоянной толщины, а в другую — через испытуемый образец 5 и подвилединицах отношения Н С. В результат измерения вносится поправка на изменение р. Точность определения составляет 0,03%. [c.363]

    В состав ДПР входят высокотемпературная камера ВК, являющаяся собственно ячейкой детектора, к которой присоединяется выход колонки, и выносной блок ВБ, содержащий ионизационную камеру ИК и сопротивления, участвующие в формировании электрического сигнала. Блок-схема, поясняющая включение детектора и измерение сигнала, приведена на рис. П.54. Блок питания осуществляет подачу стабильного постоянного отрицательного напряжения на один из электродов ионизационной камеры. Ионизационная камера, работая в режиме тока насыщения, формирует стабильный электрический ток в пределах (1,5 — 2,0)-10 А. При изменении концентрации анализируемого вещества в ячейке детектора ВК изменяется электрическое сопротивление и на входе резисторов й, и R[c.127]

    Регистрация у-квантов связана с образованием вторичных электронов в газе и стенках камеры, поэтому ее эффективность в значительной степени зависит от объема камеры, материала стенок, вида и давления газа. Преимущество ионизационных камер — в высокой стабильности. Правильно сконструированная и хорошо изготовленная камера может служить прецизионным измерительным элементом. Металлические камеры прочны, надежны и обладают неограниченным сроком службы. Использование их для измерений широких пучков у-квантов имеет особенное значение при производственном контроле технологических процессов. [c.30]

    Измерение давления газа. Методы измерения давления газа с помощью радиоизотопных источников излучения основаны на ионизирующем действии излучения. В случае не очень больших давлений (10 — 10 Па) количество ионизированных молекул пропорционально концентрации молекул, т. е. плотности газа. Ток ионизационной камеры 1, внутри которой помещен источник а-излучения активностью С мкюри, связан с давлением внутри камеры уравнением [c.233]

    Метод масс-спектрометрии позволяет разделять молекулы пробы в соответствии с их массами и измерять их количества. Для разделения молекул различных масс их прежде всего ионизируют, а затем помещают в электрическое и/или магнитное поле. Эти поля взаимодействуют с ионами, таким образом разделяя их пространственно в соответствии с их массой и зарядом. Разделенные ионы при достижении детектора создают электрический ток, который затем измеряется. Величина измеренного тока пропорциональна концентрации молекул в пробе. Можно выделить пять основных узлов обычного масс-спектрометра камера для ввода пробы, ионизационная камера, масс-анализатор, детектор и регистратор данных. [c.661]

    Ионизационные камеры и реже пропорциональные счетчики применяются также для счета а-частиц по энергиям. Для этого размеры камер увеличивают, чтобы весь пробег а-частиц лежал внутри камеры. Полное поглощение а-частиц в объеме камеры вызывает пропорциональную энергии ионизацию, и конструкция камеры должна обеспечивать наименьший разброс амплитуд импульсов при каждом значении энергии а-частиц. После усиления импульсы разделяются по амплитуде и подсчитываются с помощью многоканальных электронных анализаторов импульсов. Для определения энергий а-частиц достаточно откалибровать прибор, пользуясь излучателями а-частиц известных энергий. По сравнению с пропорциональными счетчиками большую точность и разрешение по энергиям имеют ионизационные камеры. Разрешающая способность в ионизационных камерах может достигать 0,5% (полуширина пика), а точность измерения абсолютного значения энергии для средних энергий (около 0,01 Мэе) составляет 0,2%. [c.146]

    Сцинтилляционные счетчики. Сцинтилляционные счетчики являются в настоящее время самыми распространенными приборами для измерения а-активности. Их характеристики занимают промежуточное положение между воздушными плоско-параллельными ионизационными камерами и электронно-импульсными камерами, а также пропорциональными счетчиками. [c.147]

    Из них наиболее распространенным и простым является метод измерения ионизационных токов насыщения, вызванных а-излучением измельченной в порошок пробы и эталона. При этом следует учитывать, что образцы, содержащие Ка, Ас и ТЬ, выделяют эманации, которые, проникая в ионизационную камеру измерительного а-прибора, вызывают добавочную ионизацию, искажающую результат измерения радиоактивно- сти пробы, если не вводится соответствующая поправка. Однако при измерении ториевых руд во многих случаях наблюдается сильное влияние выделяющейся эманации, что делает иногда невозможным точное измерение проб по а-лучам [c.91]

    При а-ионизационных измерениях проба и эталон берутся в насыщенном для а-лучей слое (порядка 40—50 мг/см ) на тарелочках одинаковой площади, помещаемых на дно ионизационной камеры. [c.239]

    Для измерения гамма-активности часто используются ионизационные камеры, пригодные также, если они имеют тонкие стенки, для измерения рентгеновских лучей. [c.65]

    Если измерение активности проводят с помоп ью ионизационной камеры, то верхний предел активности источника ограничивается условиями достижения насыщения и рабочим диапазоном измерителя тока. [c.63]

    Определяют, с помощью какой аппаратуры (радиометрическая установка, ионизационная камера, спектрометр) будут проводить измерения активности данного нуклида в данном препарате (при этом учитывают ядерно-физическую характеристику радионуклида, наличие радионуклидных примесей, летучесть препарата и другие факторы). [c.63]

    Измерение активности по гамма- и (или) рентгеновскому излучению выполняют с помощью ионизационной камеры, радиометрической установки или спектрометра энергии. [c.66]

    При измерении с помощью ионизационной камеры или радиометрической установки объемную активность препарата в беккерелях на 1 мл в общем случае рассчитывают по формуле  [c.66]

    Общую активность А нуклида в препарате измеряют с помощью ионизационной камеры или определяют по расчету на основе измерений объемной активности Д и объема V препарата  [c.68]

    Толщиномер проходящего типа применяется в тех случаях, когда обе стороны резинового листа доступны для измерения. Схема работы прибора показана на рис. 7.15. Поток Р-частиц направляется на резиновый лист 2. Часть -частиц отражается, часть поглощается материалом, а остальные проходят насквозь и попадают в ионизационную камеру. Количество -частиц, прошедших через лист резины, есть прямая функция массы единицы площади листа. [c.163]

    В тех случаях, когда требуется замерить толщину листа резины на валке каландра, применяется так называемый толщиномер отраженного типа. В таком устройстве р-частицы попадают на лист, и отраженная их часть поглощается ионизационной камерой. Интенсивность отражения зависит от среднего атомного веса отражающей среды и толщины листа, причем измерения интенсивности отраженного излучения пропорциональны толщине листа. Изотопные толщиномеры замеряют толщину листа до 2,5 мм (масса 1 м листа до 2,6 кг). Погрешность измерения изотопных толщиномеров равна 0,5—1 %. [c.164]

    Для качественного и количественного определения выбранного компонента в элюате измеряют его радиоактивность. Тип детектора зависит от вида регистрируемого излучения. Для измерения бета- и гамма-излучения пригодны ионизационная камера и сцинтилляционный детектор. Наиболее простая установка представляет собой трубку Гейгера — Мюллера, которая находится внутри тонкостенного стеклянного змеевика (рис. 4.16). Подобный метод (трубка изготовлена из пластмассы вместо стекла) может быть использован для измерения достаточно жесткого бета-изл чения. Материал трубки препятствует адсорбции радиоактивных изотопов на стенках трубки. [c.142]

    Внешний вид и принципиальная схема прибора АТЖ-2 показаны па рпс. 57. В нем имеются два измерительных канала (поглохценпя и отражения Р-излучения) с источниками излучения и и один сравнительный канал с источником Яд для создания дифференциальной схемы измерения. Ионизационные камеры каналов (ii и А ,) находятся под одинаковым потенцпалом. Поглощение н отражение потока Р-излучения дает величины и Ипропорциональные 1 и /з из уравнений (ИТ,16). [c.100]

    Если активность содержащегося в воздухе торона сравнима по величине с активностью радона и его дочерних продуктов, го и в этом случае кривую распада можно получить, пользуясь для измерений ионизационной камерой. Применение этого метода также описано в литературе [171 1. Однако при низком содержании ThB он дает существенные погрешности и, так же как и методики, использующие концентрирование позволяет получить (если речь идет о тороне и его дочерних продуктах) сведения только о содержании ThB в воздухе. При уровнях активности, встречающихся в обычных зданиях, определение равновесных концентраций членов семейства тория практически несхгуществимо, и поэтому их величины следует постулировать (см, стр. 14(3). [c.113]

    Ионизационный метод основан на измерении ионизирующего эффекта, вызванного излучением. В качестве датчиков, позволяющих обнаружить эффект, сопровождающий прохождение излучения через вещество, служат в o noBfiOM ионизационные камеры и газоразрядные счетчики. Этими приборами можно регистрировать не только заряженные частицы, но и гамма-лучи и нейтроны. [c.59]

    В фотоионизационном Д. х. источником ионизации служит УФ излучение, под действием к-рого анализируемое в-во ионизируется, образуя ион и электрон. При этом энергия фотона должна быть больше потенциала ионизации анализируемого в-ва. В результате проводимость газовой среды в детекторе резко увеличивается и возрастает пропорционально концентрации в-ва. Детектор состоит из источника излучения, примыкающего к ионизационной камере с двумя электродами, используемыми для измерения тока ионизации. Используя лампу с энергией излучения 11,7 эВ, возможно анализировать соед. разл. классов, включая алифатич. углеводороды. Подбирая излучение с подходящей энергией, можно избирательно анализировать соед., обладающие разл. потенциалами ионизации. Детектор относится к концентрационному недеструктивному типу, поэтому целесообразно использовать его при последоват. соединении с др. детекторами, напр. ПИД. [c.26]

    Для измерения дозы и контроля защиты используются различные типы интенсиметров, которые представляют собой ионизационные камеры с присоединенным усилителем постоянного тока, калиброванные в р1час или мр/час (рис. 577). Интенсиметры на основе трубки Гейгера — Мюллера или сцинтилляционных счетчиков калибруются в имп1мин [44]. Для определения дневной персональной дозы предназначены карманные иони- [c.655]

    В типичном масс-спектрометре проба вводится в вакуумную камеру в виде паров или газа. Следовательно, твердые вещества или очень высококипящие жидкости (с температурой кипения > 250°С), как правило, не могут быть подвергнуты анализу с использованием обычного масс-спектрометра. Давление внутри масс-спектрометра приблизительно в миллиард раз ниже нормального атмосферного давления, таким образом непрерывный ввод пробы при оп-1те-анализе представляет достаточно сложную техническую задачу. Для того чтобы поддержать низкое давление в масс-спектрометре без перегрузки его вакуумных насосов, необходимо использовать специальный ограничитель потока. Существует четыре способа подключения масс-спектрометра к котро-лируемым технологическим линиям капиллярный ввод, молекулярное натекание, пористая прокладка и мембранное соединение. После того как проба введена в масс-спектрометр, она ионизируется в ионизационной камере. Наиболее общий метод ионизации — ионизащя электронным ударом. Следующей стадией за ионизацией молекул пробы является разделение заряженных частиц в соответствии с их массой. Эта стадия в приборе выполняется в масс-анализаторе. Различают два основных типа масс-анализаторов, используемых в масс-спектрометрах для промышленного анализа магнитные и квадрупольные масс-анализаторы [16.4-32,16.4-33]. Магнитные анализаторы обычно дают наиболее стабильные показания. Масс-спектрометры, способные проводить измерения ионов с массой более чем 200 атомных единиц массы (а.е.м.), обычно имеют квадрупольные анализаторы, поскольку они менее дорогие и более компактные по сравнению с магнитными анализаторами. [c.661]

    Наиболее чувствительным радиометрическим методом определения тория, даже в присутствии урана, является эманационный метод, основанный на измерении радиоактивности эманации тория — торона. Для установления содержания торона в пробе применяют метод непрерывного просасы-вания воздуха через ионизационную камеру [66, 700, 1014, 1062]. При этом измеряют ионизационный ток насыщения, создаваемый а-лучами эманации и ее продуктов распада [19, 1388, 1993] в некоторых случаях используют также регистрацию импульсов отдельных а-частиц [227, 899, 905]. Содержание торона в обоих случаях определяют путем сравнения результатов измерения исследуемых образцов с эталонами. Метод счета а-частиц торона применяют лишь для определения очень малых количеств тория— 10 —10 г,— соответствующих содержанию его в породах. [c.90]

    Несколько работ посвящено сравнительному изучению изотопного состава урана метеоритного и земного происхождения. В ранней работе [293] сравнивалась а-активность и и число актов деления для образцов метеоритного и земного происхождения. Отношение и" )мот.ср к оказалось равным 1,25 0,18, т. е. лежит почти в пределах ошибки опыта. При сравнении изотопного состава метеоритов и земных пород с помощью определения по 1 р и по Ва (с точностью 10%) было показано, что состав практически одинаков [571]. К. А. Петржак, И. Н. Семенюшкин и М. А. Бак [191] изучали изотопный состав урана, выделенного из метеоритов, и земного происхождения путем измерения в двойной ионизационной камере осколков деления на медленных нейтронах в тепловой колонне и и на нейтронах деления. Результаты также показывают, что изотопный состав урана в метеоритах и на Земле одинаков (точность определения 3—4%). [c.257]

    Основные ионы, обусловливающие масс-спектр соединения, возникают непосредственно в ионизационной камере, откуда они за время 10" с поступают в бесполевое пространство между ионным источником и магнитным анализатором. Если ион распадается не в ионизационной камере, а в этом пространстве, то возникают так называемые метастабильные ионы. Эти вновь возникшие ионы отличаются по скорости от тех, что образовались в ионизационной камере, а в масс-спектре они проявляются в виде диффузных пиков, форма которых резко отличается от формы пиков основных ионов. Массовые числа таких диффузных пиков, измеренные в максимуме их интенсивности, обычно имеют дробные значения. Если массовое число т диффузного пика удовлетворяет уравнению = (где mi — более тяжелый ион, а тг — менее тяжелый ион), то это означает, что осколочный ион с массой тг образуется при распаде иона с массой ttii. [c.11]

    При применении а- и у-методов необходимо, чтобы проба и эталон имели одинаковый или близкий химический состав вмещающего вещества. Следует также иметь в виду, что применение у-метода ограничивается практически неэманирующими пробами, так как результаты определения содержания и с помощью у-метода будут занижены примерно на величину коэффициента эманирования. При измерении эманирующих проб а-импульсным методом с помощью счетчиков и -методом результаты будут занижены примерно на 40 о от величины коэффициента эманирования. При проведении измерений эманирующих проб в и-импульсных или ионизационных камерах (в настоящее время а-импульспые камеры применяются сравнительно редко) за счет выделения эманации из пробы результаты измерения будут завышены. [c.238]

chem21.info

Ионизационные камеры

 

 

Рис.2. Зависимость амплитуды импульса от напряжения на счетчике:

I - YI - области различных рабочих режимов

 

В области напряжений I происходит два противоположных процесса: ионизация и собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов. При возрастании напряжения U скорость ионов увеличивается, а рекомбинация уменьшается, что приводит к возрастанию амплитуды импульса.

В области II доля рекомбинации пренебрежимо мала, все ионы, образованные частицей, собираются на электродах. Этот участок кривой называется областью насыщения или областью ионизационной камеры. Ионизационная камера может служить не только счетным, но и спектрометрическим детектором, т.е. позволяет определять энергию частицы. Это возможно вследствие независимости средней энергии, затрачиваемой в газе на образование одной пары электрон-ион, от энергии ионизирующей частицы и от производимой ею удельной ионизации, определяющейся зарядом и скоростью частицы. Поэтому величина заряда, образованного частицей в рабочем объеме камеры, пропорциональна энергии, потерянной частицей в газе, а в случае полного поглощения частицы в рабочем объеме камеры - ее энергии.

В области больших напряжений III происходит ударная ионизация, в результате которой число ионов сильно увеличивается. Если каждый электрон на пути к аноду создает за счет ионизации соударениями А новых электронов, то А называется коэффициентом газового усиления. А может достигать величины 107 и не зависит от первоначальной ионизации; амплитуда импульса при этом пропорциональна числу пар ионов, созданных первоначальной частицей. Эта область называется пропорциональной областью.

В области IV при возрастании приложенного напряжения пропорциональность амплитуды импульса величине первоначальной ионизации нарушается, а коэффициент газового усиления начинает зависеть от числа первоначально образованных пар ионов. Это область ограниченной пропорциональности.

При дальнейшем увеличении напряжения - область V - амплитуды импульсов от частиц с различной ионизацией становятся одинаковыми. В этой области регистрируется каждая частица, которая создала хотя бы одну пару ионов в объеме камеры. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера-Мюллера. Область VI - это область непрерывного разряда.

Рассмотрим теперь подробнее работу ионизационной камеры в области пропорциональности. Пропорциональный счетчик - это ионизационная камера, в которой нет зависимости коэффициента газового усиления от места начальной ионизации.

Пропорциональные счетчики могут быть различных размеров и формы. Наиболее часто употребляются цилиндрические счетчики.

 

2. Коэффициент газового усиления и его зависимость от напряжения на счетчике

Электроны и ионы, образованные в объеме пропорционального счетчика заряженной частицей или гамма-квантом, при своем движении к электродам испытывают огромное число тепловых соударений с молекулами газа, наполняющего счетчик. При этом ускорением ионов в электрическом поле можно пренебречь, т.к. из-за большой массы они теряют в соударениях с молекулами газа почти всю свою анергию. Электроны же при соударениях благодаря малой массе теряют очень малую долю своей энергии. Средняя энергия их в данном газе будет определяться напряженностью электрического поля Е.

 При достаточно большом значении напряженности электроны могут приобрести энергию, достаточную для ионизации газа камеры:

 

 

где λион - это такая величина пробега электрона без столкновений, при которой энергия, приобретенная на этой длине, больше или равна энергии ионизации Iион. Тогда вероятность ионизации равна:

 

где λо - средняя длина свободного пробега до столкновения.

Количество же вторичных электронов α, образованных одним электроном на пути 1 см вдоль силовой линии поля, будет

 

 α  называется коэффициентом ударной ионизации.

Поскольку длина свободного пробега λо обратно пропорциональна давлению газа λо = a / p, то

 

где b - константа.

Таким образом, коэффициент ударной ионизации зависит от давления газа в счетчике и напряженности электрического поля. Эта зависимость получена при следующих упрощающих ограничениях:

а) если энергия электрона достигла потенциала ионизации, то при столкновении его с атомом газа вероятность ионизации равна 1,

б) если пренебречь хаотическим движением электронов по сравнению с упорядоченным движением вдоль электрического поля.

Отметим, что если поле неоднородно, т.е. E(x)- зависит от координат, то и коэффициент ударной ионизации α также зависит от координат.

Введем теперь понятие коэффициента газового усиления m, равного отношению полного числа электронов N, собранных на аноде, к числу первичных электронов No, созданных заряженной частицей:

Рассмотрим, как развивается электронно-ионная лавина от No первичных электронов, созданных ионизирующим излучением на расстоянии xo до анода. Один электрон создает α(x)dx вторичных электронов в слое dx, отстоящем на расстоянии x от точки начальной ионизации. N электронов создадут dN = N(x)α(x)dx вторичных электронов, или dN/N(x) = α(x)dx.

Проинтегрировав это выражение по всему пути от 0 до xo, получим полное число вторичных электронов, собранных на аноде :

Так как N(xo) = N, а N(0) = No , то

Это и есть коэффициент газового усиления

Как видим, он, так же как и коэффициент ударной ионизации α(x), зависит от координаты образования начальной ионизации. А это означает, что амплитуда импульса, полученного на аноде, не будет однозначно связана с энергией ионизующей частицы и счетчиком нельзя пользоваться как спектрометром. Однако коэффициент ударной ионизации α(x), как было показано выше, зависит, в конечном счете, от напряженности поля Е(х). Поэтому в полях с сильно выраженной неоднородностью коэффициент α(x) будет принимать резко различные значения в разных областях поля. Примером этого является электрическое поле в цилиндрическом счетчике, где нить служит анодом, а трубка - катодом и ra << rk. Напряженность такого поля зависит (см. рис.3) от расстояния до оси как

 

Рис.3. Зависимость напряженности поля в цилиндрическом счетчике от расстояния до оси

 

Подобная конфигурация электрического поля приводит к тому, что область, где величина напряженности поля достаточна для протекания процесса ударной ионизации, занимает малый объем по сравнению со всем рабочим объемом счетчика и сосредоточена

вблизи анода ( заштрихованная область на рис. 3). Поэтому все газовое усиление будет происходить в этой достаточно узкой области и зависимостью от координаты возникновения первичной ионизации No можно пренебречь. Это важное обстоятельство приводит к тому, что пропорциональным счетчиком можно пользоваться для измерения энергии заряженных частиц.

Мы рассмотрели механизм образования электронно-ионной лавины, исходя из процесса ударной ионизации. В действительности имеют место и другие процессы, хотя роль их в газовом усилении существенно меньше. Они названы вторичными эффектами. Рассмотрим влияние их на работу пропорционального счетчика.

а) при движении электронов к аноду наряду с ионизацией будут происходить и соударения, приводящие к возбуждению нейтральных молекул. Возвращаясь в основное состояние, эти молекулы испускают довольно жесткие фотоны, которые могут вызывать фотоэффект на поверхности электродов. Фотоэффект на аноде не играет роли, т.к. фотоэлектроны под действием поля возвращаются обратно на анод и, кроме того, поверхность анода много меньше поверхности катода. Фотоэлектроны же, вылетающие из катода, перемещаются полем к аноду и образуют электронные лавины.

б) Другим вторичным эффектом является выбивание положительным ионом электрона из катода. Если энергия положительного иона равна или больше работы выхода электрона из поверхности катода, то электрон захватывается ионом и образуется нейтральный атом газа. Если же энергия иона превышает работу выхода по крайней мере в 2 раза, то из катода могут быть вырваны 2 электрона, один из которых окажется свободным и на своем пути к аноду также может создать лавину.

Как видим, оба вторичных эффекта участвуют в процессе газового усиления. Чтобы количественно оценить их вклад, введем коэффициент поверхностной ионизации γ, определяемый как отношение числа свободных электронов, образованных в результате вторичных процессов, к числу электронов, образованных ударной ионизацией. Коэффициент γ очень мал и для используемых обычно материалов катода и газов составляет ∼ I0-4.

Если в результате начальной ионизации было образовано No свободных электронов, то в результате газового усиления за счет ударной ионизации число их возрастет до mNo . Вторичные эффекты дадут γmNo свободных электронов, которые создадут путем ударной ионизации лавину из γm2No электронов. Вторичные эффекты снова дадут γ2m2No свободных электронов, которые в свою очередь дадут лавину из γ2 m3 No электронов и т.д. Таким образом, полное число электронов в лавине, созданное за счет ударной ионизации и вторичных эффектов, будет

а полный коэффициент газового усиления

 

При небольших значениях m γm << 1 и m ≈ M , т.е. практически все газовое усиление обусловлено ударной ионизацией. Если же m велико, то вторичные эффекты играют существенную роль и M > m. Это обстоятельство оказывается не всегда полезным. Дело в том, что коэффициент газового усиления m, как было показано выше, связан экспоненциальным законом с коэффициентом ударной ионизации α, а величина α в свою очередь, быстро растет с увеличением напряженности поля Е. Поэтому даже при небольшом увеличении напряжения V, приложенного к электродам, коэффициент газового усиления очень резко возрастает. Если же учесть вторичные эффекты, то эта зависимость становится еще более сильной, т.к. при m > 103 полный коэффициент газового усиления M является сильно возрастающей функцией m (рис. 4).

 

Рис.4. Зависимость полного коэффициента газового усиления М от коэффициента ударной ионизации m

 

Все это требует очень высокой степени стабилизации напряжения, подаваемого на пропорциональный счетчик, и затрудняет использование его для точных количественных измерений энергии, особенно в области больших m. Поэтому необходимо подавить действие вторичных эффектов. Этого можно достичь следующим образом:

1) увеличением работы выхода поверхности катода путем его оксидирования;

2) добавлением к инертному газу в счетчике (Ne, Ar, Xe) многоатомного газа (СO2, Сh5). Возбуждение молекул последнего в этом случае приводит не к высвечиванию, а к диссоциации. Кроме того, молекулы многоатомного газа поглощают также и фотоны, испускаемые возбужденными атомами инертного газа, тем самым, препятствуя появлению вторичных эффектов. Использование чистых многоатомных газов в качестве рабочего газа счетчика потребовало бы значительного повышения напряжения V на электродах для достижения больших величин коэффициента газового усиления. Поэтому на практике пользуются обычно смесью двух или нескольких газов, например, 90%Xe + 10%Ch5.

На рис. 5 для иллюстрации приведена зависимость коэффициента газового усиления М от напряжения на счетчике для наполнения аргоном, метаном и смесью Ar + СН4. Из графиков видно, что добавка СН4 приводит к менее резкой зависимости коэффициента газового усиления М от напряжения на счетчике и позволяет получать относительно стабильные и достаточно большие усиления при не очень высоких напряжениях.

 

Рис. 5. Зависимость коэффициента газового усиления М от напряжения на счетчике для различного наполнения

 

 

3. Амплитуда и форма импульса и временное разрешение пропорционального счетчика

 

В наиболее часто используемых пропорциональных счетчиках отношение ra / rk << 1 и область ударной ионизации занимает очень малый объем вблизи анода, поэтому, как было сказано выше, коэффициент газового усиления не зависит от места возникновения первичной ионизации. Амплитуда и форма импульса также не будет зависеть от положения траектории частицы в рабочем объеме счетчика.

Ионизирующая частица, проходя через счетчик, создает на своем пути No пар ионов. Так как область ударной ионизации очень мала, то в подавляющем большинстве случаев траектория частицы лежит вне этой области. Под действием поля электроны, образованные частицей, будут смещаться по направлению к аноду. Число их при этом не меняется, т.к. напряженность поля Е еще недостаточна для ионизации ударом. Ток, протекающий в это время в счетчике, мал, величина скачка потенциала на собирающем электроде также ничтожно мала.

Когда электроны вступают в область ударной ионизации, они образуют здесь электронно-ионные лавины, число частиц в которых нарастает очень быстро из-за резкого увеличения напряженности поля Е и лавинообразного процесса газового усиления. 113

Так как подавляющая часть электронов образовалась на очень малых расстояниях от нити счетчика, то процесс их собирания на аноде протекает очень быстро. Из-за очень большого градиента потенциала в этой области импульс напряжения, появляющийся на аноде, имеет заметную величину, несмотря на малость расстояния. Начало импульса сдвинуто относительно момента прохождения частицы через счетчик на малое время tдр, называемое временем дрейфа электронов и определяемое скоростью дрейфа электронов. Для счетчиков средних размеров tдр ≤ 10-7с. Время нарастания электронной компоненты Т- зависит от разброса в значениях времени дрейфа отдельных первичных электронов и также очень мало.

Итак, компонента импульса, обусловленная собиранием электронов на аноде, имеет следующие особенности: а) начало импульса сдвинуто относительно момента попадания частицы в счетчик, б) скорость его нарастания очень велика (рис. 6).

 

Рис 6. Форма импульса на выходе пропорционального счетчика

 

Однако, электронная компонента составляет по величине лишь несколько процентов от полной амплитуды импульса, определяемой, в основном, импульсом, создаваемым на катоде положительными ионами. Это происходит вследствие того, что электронно-ионная лавина развивается вблизи анода, и электроны при своем движении к аноду проходят лишь небольшую долю от полной разности потенциалов между электродами, тогда как положительные ионы при движении к катоду проходят практически всю разность потенциалов. Поэтому преобладающая часть амплитуды импульса обусловлена собиранием ионов ΔVmax ≈ Δ+ = mq/c, q = Noe, т.е. пропорциональна начальной ионизации или энергии частицы.

Время собирания ионов Т+ ∼ 10-3 сек, это означает, что полная амплитуда импульса достигается через время ∼ 10-3 сек. Из-за неоднородности электрического поля в счетчике импульс нарастает нелинейно. Примерно 1/3 амплитуды достигается за время 10-6 сек, что соответствует движению ионов в поле с большим градиентом. Можно выбрать сопротивление нагрузки R так, чтобы T - << RC << T+, тогда амплитуда импульса будет в несколько раз меньше максимальной (при R → ∞), а длительность его - порядка нескольких микросекунд (рис. 6). При этом свойство пропорциональности амплитуды начальной ионизации сохраняется, а малая длительность импульса обеспечивает пропорциональному счетчику хорошее временное разрешение. В настоящее время с пропорциональных счетчиков получают импульсы длительностью порядка десятков наносекунд (10-8 - 10-7 с).

 

4. Энергетическое разрешение пропорционального счетчика

 

Частицам определенной энергии, приходящим на вход счетчика, соответствует некоторое распределение амплитуд импульсов на выходе. Обычно средняя амплитуда pср импульса на выходе пропорциональна энергии регистрируемых частиц. Энергетическое разрешение детектора определяется как отношение ширины амплитудного распределения на половине его высоты к величине pср.

Рассмотрим влияние различных факторов на разрешающую способность. Это, в первую очередь, флуктуации начальной ионизации и флуктуации газового усиления. Сказываются также такие явления, как прилипание электронов к электроотрицательным газам, рекомбинация электронов и ионов (в области слабого электрического поля, особенно для треков, параллельных силовым линиям поля). Все эти факторы ведут к некоторому разбросу амплитуд импульсов около среднего значения, а значит, ухудшают разрешающую способность.

Рассмотрим влияние флуктуации начальной ионизации на разрешающую способность. Начальная или первичная ионизация - это число пар ионов, образованных частицей непосредственно при соударениях с атомами среды. Образующиеся при этом электроны могут иметь энергию, достаточную для дальнейшей ионизации атомов среды (δ - электроны) и создавать вторичную ионизацию. При регистрации частиц существенна сумма первичной и вторичной ионизации, т.е. полная ионизация.

Если величину ионизационных потерь энергии разделить на полное число пар ионов, образованных в среде, то получим величину средней энергии ω, затрачиваемой на образование одной пары ионов. Экспериментально установлено, что ω практически не зависит от начальной энергии частицы, производящей ионизацию, ее заряда и массы.

Для газов, применяющихся в качестве рабочего вещества в пропорциональных счетчиках, ω меняется от 22 до 45 эВ. Это различие связано с различными значениями потенциалов ионизации и различной структурой уровней возбуждения атомов.

Независимость величины ω от энергии частицы позволяет определять ее по измеренному значению ионизации, т.е. числу пар ионов. При этом точность измерения энергии частицы, или энергетическое разрешение детектора, определяется величиной флуктуации числа пар ионов. Измерение полной энергии частицы возможно только тогда, когда весь ее пробег укладывается в рабочем объеме детектора. В этом случае все акты ионизации нельзя считать независимыми, так как частица к концу пути должна потерять энергию, точно равную ее первоначальной. Если бы акты ионизации были независимыми, то распределение числа пар ионов около среднего значения, равного no =ω/E , описывалось бы законом Пуассона,

который при достаточно большом no приближается к распределению Гаусса

Дисперсия, или среднеквадратичная флуктуация, в этом случае равна среднему значению числа пар ионов  :

 

 

В реальном же случае, когда акты ионизации нельзя считать независимыми,

 

Коэффициент F называется фактором Фано.

Тогда предельное энергетическое разрешение

Значение F зависит от соотношения между энергией, затрачиваемой на ионизацию и возбуждение атомов. Если вероятность ионизации мала по сравнению с вероятностью возбуждения, то энергия, затрачиваемая на ионизацию, мала по сравнению со всей потерянной энергией и не является точно фиксированной. В этом случае акты ионизации можно считать независимыми, и дисперсию числа пар ионов равной   , а F = 1.

Из приведенной выше формулы видно, что чем больше среднее число пар ионов , тем лучше энергетическое разрешение. Это означает, что для данного рабочего вещества детектора разрешение улучшается с увеличением энергии частицы, так как в этом случае она создает большее число пар ионов.

Газовое усиление, как было показано выше, сильно зависит от напряжения на счетчике. Поэтому для уменьшения флуктуаций газового усиления необходима очень высокая степень стабилизация напряжения (обычно изменение напряжения на счетчике на 1 вольт меняет коэффициент газового усиления ∼ на 1%). Кроме того, коэффициент газового усиления зависит также от продольной координаты счетчика. Эта зависимость возникает из-за изменения конфигурации электрического поля около торцов счетчика (краевой эффект) и приводит к тому, что две частицы с одинаковой энергией, образовавшие по No пар ионов вблизи торца счетчика и вдали от него, дадут различные по величине импульсы на выходе счетчика.

Для того, чтобы устранить влияние краевого эффекта, в местах крепления нити-анода на торцах счетчика устанавливаются корректирующие электроды. Они представляют собой небольшие, коаксиальные с анодом, трубки. На них подается напряжение, равное потенциалу точек газа на расстоянии от нити, равном радиусу этого электрода. В этом случае электрическое поле во всем рабочем объеме счетчика имеет цилиндрическую симметрию и не зависит от продольной координаты.

На практике разрешающая способность пропорциональных счетчиков составляет от нескольких процентов до десятков процентов.

 

5. Эффективность пропорционального счетчика

 

Необходимым условием регистрации заряженной частицы или гамма-кванта является создание ими в рабочем объеме счетчика хотя бы одной пары ионов. Для любой ионизирующей частицы вероятность такого события близка к единице. Гамма-кванты обладают большой проникающей способностью и для них вероятность образования в газе счетчика вторичного электрона, а, следовательно, и вероятность регистрации, составляет малые доли от единицы.

При прохождении гамма-кванта через рабочий объем счетчика он создает вторичный электрон в результате фотоэффекта и эффекта образования пар. Однако для гамма-квантов малых энергий имеет значение только фотоэффект (пороговая энергия для эффекта образования пар равна 1.01 МэВ). Сечение фотоэффекта увеличивается с увеличением атомного номера вещества как Z5. Поэтому, для увеличения эффективности регистрации фотонов, необходимо счетчик наполнять газом с большим Z (криптон или ксенон).

Оценим эффективность регистрации пропорциональным счетчиком заряженных частиц (электронов). Вероятность того, что при прохождении через счетчик частица образует пару ионов на малом пути ΔL, равна νopΔL, где νo – первичная удельная ионизация, т. е. число пар ионов, созданное ионизирующей частицей на единице пути, p – давление газа в счетчике. Вероятность того, что не будет образовано ни одной пары ионов на пути ΔL, будет (1 - νopΔL). Вероятность того, что не будет образовано ни одной пары ионов на всем пути L через рабочий объем счетчика – (1 - νopΔL )L/ΔL.

Уменьшая длину интервала ΔL, найдем

 

Тогда искомая эффективность регистрации будет равна

 

Зная давление газа p, первичную удельную ионизацию для данного газа νo и размеры счетчика L, можно вычислить эффективность детектора. Так как величина пути L может меняться, то точный расчет эффективности потребовал бы учета углового распределения регистрируемых частиц, что довольно сложно; поэтому на практике пользуются оценочными данными.

 

Оценим теперь эффективность регистрации пропорциональным счетчиком фотонов.

Если на некоторый слой вещества падает поток фотонов интенсивности Io , то интенсивность потока, прошедшего через поглотитель, будет

I(x)=Ioe-μx, (17)

где μ – коэффициент поглощения, зависящий от энергии фотона и от вещества поглотителя. Если толщина поглотителя выражена в г/см2, то величина μ имеет размерность см2/г. Считая газовый объем счетчика поглотителем толщины x , получим эффективность регистрации (без учета поглощения в окне счетчика), равной отношению интенсивности потока, поглощенного в счетчике, к интенсивности падающего потока

Поскольку пропорциональные счетчики используются в основном для измерения излучения малых энергий (порядка десятков килоэлектронвольт), то определенные требования предъявляются к материалу окна, пропускающего излучение в рабочий объем счетчика. Материал окна выбирается таким, чтобы поглощение в нем для исследуемого диапазона энергий было минимальным.

Если учесть вероятность того, что фотон пройдет через окно счетчика, не поглотившись, то эффективность регистрации фотона будет

 

На рис. 7 приведена для иллюстрации эффективность пропорционального счетчика с бериллиевым окном толщиной

70 мкм, наполненного смесью газов 90% Xe + 10% Ch5 до общего давления Р = 0,8 атм.

 

Рис.7. Эффективность пропорционального счетчика с бериллиевым окном

 

Пропорциональный счетчик может быть использован и для регистрации нейтронов. В этом случае рабочий объем счетчика наполняется боросодержащим газом, например, BF. Нейтроны регистрируются по продуктам реакции no + B5 → Li3 + He2 (+2,8 МэВ), эффективное сечение которой очень велико. Для цилиндрического счетчика с типичными характеристиками (давление = 120 мм рт.ст., диаметр анода - 0,05 мм, диаметр катода 22 мм, длина - 150 мм, рабочее напряжение 1500 вольт) при падении тепловых нейтронов на торец счетчика эффективность регистрации составляет ∼20%.

       Вероятность регистрации быстрых нейтронов значительно меньше, чем медленных, и эффективности счетчиков быстрых нейтронов не превышают долей процента.

 

 

 

 

 

duginov-mirea.narod.ru