Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры. Камеры ионизационные


Ионизационная камера

1.2 Ионизационная камера

Схема ионизационной камеры, которая собирает ионы, возникающие в результате ионизации газа. На два проводящих электрода, катод и анод, подано высокое напряжение. Частица, пролетающая сквозь газ, создает ионы, при этом положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные – к аноду.

Ионизационная камера, прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.

1.2.1 Принципы работы и основные характеристики

Ионизационной камерой измеряют или ионизационный ток, или заряды электричества, возникающие в газовом объёме. Для разделения разноимённых зарядов к газовому объёму прикладывают определённую разность потенциалов. Электрическое напряжение подают на элементы ионизационной камеры, называемые электродами. Они ограничивают рабочий объём ионизационной камеры, т.е. тот объём газа, через который протекает ионизационный ток. Напряжение на электродах каждой конкретной ионизационной камеры обусловливается конструкцией, давлением и природой газа-наполнителя.Оно должно обеспечивать протекание через газ тока насыщения. При таком напряжении все ионы, образованные ядерным излучением в рабочем объёме, попадают на электроды, а ионизационная камера характеризуется максимальной

чувствительностью.

Рис. 3. Схема ионизационной камеры

Под чувствительностью детектора понимают минимальный ионизационный ток, который можно измерить с помощью детектора. Чем выше чувствительность, тем меньшую интенсивность излучения обнаруживает детектор. Высокочувствительными ионизационными

камерами измеряются токи до 10-15 А.

Ионизационные камеры работают при напряжениях, соответствующих тихому несамостоятельному разряду в газе (Рис. 2, участки I и II), как правило, в области тока насыщения (участок II). Рабочее напряжение выбирают на середине плато.

При работе ионизационной камеры под напряжением в области плато ток насыщения Jн изменяется по линейному закону в зависимости от интенсивности излученияI. Пусть за единицу времени в каждой единице объема газа образуетсяN=bE/ε ионных пар, гдеЕ - энергия частиц,b — доля энергии частицы, поглощаемая в единице объема газа, аε энергия образования ионной пары. Так как рабочий объем конкретной камеры постоянен, то ток насыщения

Jн=aI(1)

пропорционален интенсивности излучения I.

Эту важнейшую закономерность используют при измерении ядерных излучений ионизационной камерой. Измеритель тока можно градуировать не на единицы тока, а на единицы интенсивности излучения, что упрощает обработку результатов измерений.

Прежде чем выяснить особенности газового разряда в ионизационной камере, найдем связь ионизационного тока J с плотностью ионовN. Пусть в единице объема газа ежесекундно образуетсяN ионных пар. Часть ионных пар,αN2, рекомбинирует, а другая часть,N-αN2 = N(1 - αN), собирается на электродах. Умножив последнее произведение на элементарный заряде и рабочий объемV, получим связь токаJ с током насыщенияJн =eNV, плотностью ионовN и коэффициентом рекомбинацииα в областях закона Ома и тока насыщения:

Ионизационный ток представляется как произведение двух сомножителей. Первый сомножитель Jн является током насыщения. Он протекает в газе, если ионы не рекомбинируют, и пропорционален плотности ионовN. Второй сомножитель(1-αN) равен доле ионов, попадающих из газа на электроды. Он зависит как от коэффициента рекомбинации а, так и от плотности ионовN. Если при постоянном коэффициентеα увеличивать плотность ионовN, то будет возрастать не только токJн, но и рекомбинация ионов. Поэтому плотность ионов влияет двояко на токJ: она способствует возрастанию токаJ, а вместе с тем и тормозит это возрастание. От степени влияния каждого процесса зависит изменение токаJ. С повышением напряжения на электродах уменьшается коэффициент рекомбинацииα, и ток стремится к току насыщенияJн. В области насыщения почти все ионы собираются на электродах. Однако плато имеет небольшой наклон, так как

коэффициент рекомбинации не равен нулю. Поэтому небольшая доля ионов рекомбинирует. С повышением напряжения доля рекомбинирующих ионов становится меньше, а ток J на плато немного возрастает.

Плотность ионов N и коэффициент рекомбинацииα определяются несколькими факторами. Плотность ионов связана с интенсивностью излучения, природой и давлением газа. Коэффициентα является функцией не только напряжения на электродах, но и свойств газа (природа, давление, температура). Следовательно, ионизационный ток зависит от нескольких величин. При исследовании влияния одной величины на токJ другие считают постоянными. С ростом интенсивности излученияI увеличивается плотность ионовN, а значит, и их рекомбинация. Чтобы уменьшить рекомбинацию, необходимо повышать напряжение. Тогда скорость ионов возрастает, а коэффициент рекомбинации уменьшается. Вследствие этого разность в скобках уравнения (2) стремится к единице, а ионизационный ток - к току насыщения. Изменение скорости рекомбинации ионов с увеличением интенсивностиI сдвигает начало плато в область более высоких напряжений. Так как граница области пропорциональности остается неизменной, то ширина плато укорачивается.

Рабочую точку желательно всегда выбирать на плато, чтобы сохранить пропорциональность ионизационного тока и интенсивности излучения. Однако в ионизационных камерах, помещенных в поле высоких интенсивностей излучения, рекомбинация ионов может быть настолько существенной, что до самой границы области пропорциональности не удается достичь режима насыщения. Область закона Ома в этом случае непосредственно переходит в область пропорциональности, а вольт-ампернаяхарактеристика не имеет плато. Плотность молекул газа пропорциональна давлению. Поэтому при различных давлениях ядерное излучение постоянной интенсивности создает неодинаковое количество ионных пар в единице объема. С повышением давления плотность ионов становится больше и рекомбинация ионов увеличивается. Следовательно, с повышением давления увеличивается плотность ионов и уменьшается доля ионов, не участвующих в процессе рекомбинации.

Конкуренцией этих двух эффектов объясняется зависимость ионизационного тока J от давления (Рис. 4). Сначала ток монотонно возрастает. В небольшом интервале давлений, который является характеристикой каждого газа, ионизационный ток пропорционален давлениюр. Например, для аргона линейность изменения токаJ от давления р наблюдается в интервале0,5-1,2атм, для воздуха - от 1 до 40 атм и т. д. Затем токJ достигает максимума. При давлении, соответствующем максимуму токаJмакс, изменения скоростей образования и рекомбинации ионов равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. После максимума тока рекомбинация ионов становится очень большой. При дальнейшем повышении давления скорость рекомбинации ионов растет быстрее скорости образования ионов, поэтому ионизационный ток начинает монотонно падать. Давление газа изменяет как нижнее, так и верхнее граничные напряжения области насыщения. При повышении давления начальное напряжение становится больше. Однако и верхнее напряжение сдвигается в более высокую область. Электроны в более плотных газах имеют меньший свободный пробег, чем в менее плотных. Энергия, которую получает электрон от электрического поля на

свободном пробеге, в первом случае меньше, чем во втором. Чтобы ускорить электрон до энергии, большей энергии ионизации молекул, необходимо более высокое напряжение.

Рис. 4. Зависимость ионизационного тока от давления газа в ионизационной камере.

Количество ионов, образующихся в 1 см3 рабочего объема при прочих равных условиях (давлении, интенсивности излучения и т. д.), зависит от природы газа (от плотности атомных электронов газа, равной числу атомных электронов в 1 см3 газа, и от энергии образования ионной пары). При одних и тех же давлении и объеме газа ионизационный ток в ионизационной камере, наполненной аргоном (Z=18,ε=27 эВ), выше, чем в

ионизационной камере, наполненной азотом (Z = 7,ε = 32 эВ).

Средняя скорость теплового движения молекул и ионов в газе пропорциональна температуре. Нагревание газа вызывает более интенсивное тепловое движение ионов, и рекомбинация ионов возрастает. В режиме насыщения этот эффект мал, так как скорости движения ионов в направлении электрического поля намного превышают скорость теплового движения.

studfiles.net

Как работает ионизационная камера

СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

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

Мзмертеятш лри/Зор

Силовые мша злешричес/сого лаля

Рис. 8. Принцип действия ионизационной камеры.

Число заряженных частиц, не успевая рекомбинировать, попадает на электроды. Сила тока во внешней цепи увели­чивается (рис. 9, участок от О до Л).

Наконец, при некотором напряжении U сила электри­ческого поля возрастает настолько, что все заряженные частицы, образованные внешним ионизатором в рабочем объеме камеры, будут попадать на электроды. В этом слу­чае сила тока во внешней цепи определяется только иони­зационной способностью данного радиоактивного излуче­ния. Если ионизационная способность радиоактивного излу­чения не меняется, то и ток в цепи камеры течет неизменный (участок кривой А Б). Такой ток называют током насыще­ния камеры.

При дальнейшем увеличении напряжения за точку U2 Ток, протекающий в цепи камеры, начинает вновь возрас­тать сначала медленно, затем все быстрее и быстрее (учас­ток кривой выше точки Б). Это объясняется тем, что при

2 а. В. Александровнапряжении выше точки U2 сила электрического поля внут­ри камеры возрастает настолько, что электроны под дей­ствием его приобретают скорости, достаточные для иони­зации атомов нейтрального газа при их встрече. Поэтому сила тока во внешней цепи определяется общим числом зарядов, образованных под действием внешнего ионизатора и под действием ионизации ударами электронов внутри рабочего объема камеры.

Кривая зависимости ионизационного тока камеры от величины приложенного напряжения носит название вольт - амперной характеристики. На участке характеристики

/

О и; иг и

/Улржж № жтрадая камеры

И

Рис. 9. Вольтамперная характеристика иони­зационной камеры.

От О до Б в газоразрядном промежутке происходит так называемый тихий разряд.

Ионизационные камеры работают, как правило, в об­ласти тока насыщения. Так как величина этого тока про­порциональна числу образующихся ионов, она может слу­жить мерой ионизационной способности радиоактивного излучения.

В зависимости от применения ионизационные камеры бывают двух типов. Камеры, используемые для измерения суммарной ионизации, вызванной прохождением через ее рабочий объем значительного количества ионизирующих частиц, называют интегрирующими ионизационными каме­рами. В такой камере, если она работает в области насы­щения, спустя очень небольшой промежуток времени после начала действия излучения, наступает равновесие между числом пар ионов, возникающих в камере за единицу вре­мени, и числом пар ионов, уходящих на электроды за тоже время. Величина тока насыщения равна произведению числа пар ионов, возникающих за секунду в одном куби­ческом сантиметре камеры, на ее рабочий объем и на заряд каждого иона. Поэтому величина тока насыщения может служить мерой мощности дозы излучения. Последняя про­порциональна числу пар ионов, образующихся в одном кубическом сантиметре в единицу времени.

Вторым типом являются счетно-ионизационные камеры, которые служат для регистрации и определения ионизаци­онной способности одной какой-либо ионизирующей час­тицы (например, а-частицы), попавшей в рабочий объем камеры.

От ионизационной камеры до счетчика Гейгера — Мюллера

Рассмотрим устройство, представленное на рисунке 10, состоящее из металлического цилиндра, по оси которого

Радиоактивное излучение

Батарея питания

Рис. 10. Схема включения и работы ионизационного счетчика.

На изоляторах натянута проволока — нить. Такое устрой­ство мы будем называть газоразрядным счетчиком. На ри­сунке показан поперечный разрез счетчика. Цилиндр со­единим с отрицательным полюсом батареи и поэтому

2*Назовем его катодом; нить через сопротивление нагрузки — с положительным полюсом и будем называть ее анодом.

Если через рабочий объем счетчика пройдет ионизирую­щая частица, то на пути ее движения возникнут положитель­ные ионы и электроны[7]), которые под действием электриче­ского поля перейдут на электроды: электроны на нить, ионы на цилиндр. Во внешней цепи пройдет импульс тока, кото­рый образует импульс падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот импульс напряжения можно зафик­сировать с помощью регистрирующего устройства.

Рассмотрим, как будет изменяться количество электри­чества в импульсе тока в зависимости от величины прило­женного к счетчику напряжения. Вначале, при очень ма­лых напряжениях, так же как и в ионизационной камере, количество электричества в импульсе будет соответствовать неполному числу электронов, дошедших до нити, так как часть из них вследствие слабости электрического поля по пути успеет рекомбинировать. Поэтому с ростом напряже­ния на счетчике растет и количество электричества в им­пульсе. При некотором напряжении все электроны, образо­вавшиеся в процессе ионизации радиоактивной частицей, будут попадать на нить, и количество электричества в им­пульсе не возрастает. Наступает ток насыщения. Этому соот­ветствует горизонтальный участок кривой / на рис. 11.

Количество электричества в импульсе на этом участке определяется только ионизационной способностью первич­ного ионизатора. Чем больше эта способность, тем больше количества электричества в импульсе. Так, а-частице, обладающей наибольшей ионизационной способностью, соот­ветствует верхняя кривая. Область напряжения от О до Uu участок /, называют областью ионизационной камеры, так как на этом участке счетчик работает как ионизационная камера, т. е. величина собранного на электродах заряда равна суммарному заряду электронов, образованных в про­цессе ионизации.

Когда напряжение на счетчике превышает некоторую величину Uv при которой напряженность (сила) электри­ческого поля возрастает настолько, что электроны приобре­тают скорость, достаточную для производства ударной ионизации, количество электричества в импульсе возрас­тает за счет дополнительной ионизации газа соударяющими­ся электронами. При медленном увеличении напряжения этот процесс ударной ионизации сначала происходит толь­ко около нити, где напряженность поля наибольшая. Нам известно, что ионизация атома электроном может про­изойти только в том случае, когда энергия электрона будет равна или больше потенциала ионизации газа, в котором он движется. При каждой встрече с нейтральным атомом элек­трон теряет большую часть своей кинетической энергии.

^ ^ i/s % 1Г

Лалряжете т Cvmvit/Re В вом/лаз? Рис. 11. Зависимость величины собранного на электроде заряда от на­пряжения на газоразрядном промежутке для больших и малых началь­ных ионизаций:

/—область ионизационной камеры; //—область пропорционального усиления; ///—область ограниченной пропорциональности; IV— область самостоятельного разряда или область Гейгера; V— область непрерывного разряда.

Если напряженность электрического поля будет такой, при которой электрон до следующего столкновения успеет набрать энергию, равную потенциалу ионизации газа, то при столкновении произойдет акт ионизации, то есть из электронной оболочки атома освободится электрон. Этот «вторичный» электрон вместе с «первичным» вновь разго­няются полем и при следующих соударениях каждый из них вновь ионизирует атомы, создавая новые «вторичные» электроны.

Количество их быстро нарастает, наподобие грозных снежных лавин, скатывающихся по крутым склонам гор. Этот процесс поэтому и называют процессом образования электронных лавин. В результате этого процесса с увеличе­нием напряжения количество электричества в импульсе быстро нарастает (участок II на рис. 11).

При своем движении к нити электрон, образованный внешним ионизатором, рождает на своем пути большое чис­ло новых ионов и электронов. Очевидно, количество элек­тричества в импульсе на участке напряжений II будет во столько раз больше количества электричества в импульсе на участке /, во сколько раз «размножится» первичный элек­трон. Электрический ток в счетчике как бы умножает­ся, усиливается, так же как в фотоэлектронном умножи­теле.

Усиление достигает десятков тысяч раз. Число, в кото­рое увеличивается количество протекающего через счетчик электричества по сравнению с участком напряжений /, принято называть коэффициентом газового усиления. Ве­личина коэффициента газового усиления может изменяться в пределах от единицы, в случае когда счетчик работает в режиме ионизационной камеры (участок кривой /), и приблизительно до нескольких тысяч в конце участка II. На этом участке величина коэффициента газового усиле­ния не зависит от числа первичных электронов. Независи­мо от того, создан ли первичный импульс от укванта> ^-частицы или ос-частицы, он усиливается в постояннее число раз.

Поэтому здесь, так же как и в камере, величина импульса будет пропорциональна ионизирующей способности радио­активного излучения, вследствие чего эту область назы­вают областью пропорционального усиления. А счетчик, работающий в этой области, называют пропорциональным счетчиком. Пропорциональные счетчики характеризуются не только тем, что величина коэффициента газового уси­ления б них не зависит от первоначального числа пар, созданных внешним ионизатором, а также и тем, что раз­ряд в них прекращается сразу же после прекращения внешней ионизации. Такой вид разряда называется не­самостоятельным разрядом. С увеличением напряжения коэффициент газового усиления возрастает.

При дальнейшем увеличении напряжения выше U2 ко­эффициент усиления начинает зависеть от величины началь­ной ионизации. Для импульсов, получающихся в резуль­тате прохождения частиц с большой ионизирующей способ­ностью, коэффициент усиления меньше, чем для им­пульсов от частиц с малой ионизирующей способностью Поэтому область напряжений от U2 до Uz называют об­ластью ограниченной пропорциональности.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчи­ке, то величина количества электричества в импульсе уже не зависит от величины начальной ионизации. В этом слу­чае счетчик вступает в режим самостоятельного разряда, т. е. такого разряда, при котором, если не принять специаль­ных мер, возникающий разряд не прекращается после уда­ления внешнего ионизатора, т. е. разряд сам себя поддер­живает. Область напряжений от Uz до получила наз­вание области Гейгера, а счетчики, работающие в этом режиме,— счетчиков Гейгера — Мюллера, или газораз­рядных счетчиков.

У этих счетчиков величина импульса напряжения на нагрузочном сопротивлении не зависит от первоначальной ионизации. Вследствие этого такие счетчики не могут слу­жить непосредственно для измерения ионизирующего дей­ствия излучения. Но эти счетчики обладают огромной чув­ствительностью: достаточно в счетчике появиться хотя бы одному электрону, как в нем рождается электронная лави­на и во внешней цепи пройдет импульс тока.

Если напряжение на счетчике поднять выше точки £/4, счетчик вступает в область непрерывного разряда и стано­вится непригодным для регистрации ионизирующих частиц.

Таким образом, в зависимости от приложенного напря­жения счетчик может работать как ионизационная камера, как пропорциональный счетчик и как газорязрядный счет­чик Гейгера — Мюллера. Однако на практике они пред­ставляют собой три типа различных приборов с различными конструкциями и в зависимости от назначения применяют тот или иной прибор.

В дальнейшем мы остановимся на рассмотрении только счетчиков с самостоятельным разрядом — газоразрядных счетчиков.

TOC o "1-3" h z Введение 3 I. Строение вещества......................................................................... 4 II. Методы обнаружения невидимых лучей................................... 23 III. Ионизационные газоразрядные счетчики.................................. 39 A. Высоковольтные самогасящиеся счетчики............................. 39 Б. Низковольтные галогенные …

Мы познакомились с одним из очень интересных совре­менных газоразрядных приборов — счетчиком заряжен­ных частиц. На нескольких примерах мы рассмотрели об­ласти его применения. В наше время человечество все более и более …

Из большого числа приборов, применяемых в геолого­разведке для обнаружения радиоактивных руд, рассмотрим простейшие типы приборов, указывающих на присутствие радиоактивного излучения. Такие приборы называют ин­дикаторами. Таким образом, индикаторы представляют собой простейшие …

msd.com.ua

Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры

1.Цель работы

Научиться снимать вольт-амперную характеристику ионизационной камеры, выбрать рабочее напряжение на камере для заданного диапазона мощностей доз гамма-излучения и определять чувствительность камеры к гамма-излучению.

2. Введение

а) Устройство ионизационных камер

Ионизационные камеры используются в качестве детекторов ионизирующих излучений при измерении плотностей потоков заряженных частиц, мощностей доз и доз гамма-излучения.

Конструктивные особенности камер определяются, в основном, их назначением и свойствами регистрируемых ими ионизирующих излучений.

Так, ионизационные камеры, предназначенные для регистрации гамма-излучения, отличаются толстыми стенками (обычно из пластмассы или алюминия). В толще материала этих стенок под воздействием гамма-излучения образуются вторичные электроны, которые проникают в рабочий объем камеры и производят в нем ионизацию газа.

Ионизационные камеры, регистрирующие альфа или бета- излучение, имеют впускное окно, которое может быть закрыто тонкой алюминиевой фольгой для защиты рабочего объема от влаги и пыли.

В конструкции камер для регистрации тепловых нейтронов характерно наличие борного покрытия на внутренних сторонах стенок камеры.

Размеры и формы ионизационных камер весьма разнообразны и также зависят от их назначения.

Так, например, камеры для измерения дозы гамма-излучения (КИД-6, ДКП-50) имеют объем в несколько кубических сантиметров. В то же время камера типа АГ для измерения мощности дозы гамма-излучения имеет рабочий объем в 5000 кубических сантиметров.

Типовая конструкция ионизационной камеры, предназначенной для измерения мощности дозы гамма-излучения, приведена на рис. 1.

Камера состоит из двух цилиндрических электродов (1, 2), разделенных изолятором с охранным кольцом (5). Внешний электрод (1) камеры соединен обычно с положительным потенциалом источника питания. Это высоковольтный электрод.

На центральный электрод (2), называемый собирающим, через нагрузочное сопротивление (3) подается отрицательный потенциал.

Высоковольтный электрод окружается электростатическим экраном (7) из листового алюминия или металлической сетки. Экран устраняет влияние внешних электрических полей и защищает оператора от поражения высоким напряжением.

Обычно высоковольтный электрод изолируется от корпуса (6) прибора и электростатического экрана с помощью изолятора (4) из механически прочного изоляционного материала (текстолит, гетинакс и т.п.).

Собирающий электрод изолируется от охранного кольца высококачественным изолятором (8), изготовленным из янтаря, плавленого кварца, фторпласта, тефлона и т.п. диэлектриков с высоким удельным сопротивлением. Охранное кольцо соединяется с корпусом прибора.

Такая конструкция изолятора исключает возможность попадания тока утечки от высоковольтного электрода в цепь центрального электрода, подключенного к измерительному прибору или усилителю.

б) Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры

Вольт-амперной характеристикой ионизационной камеры называется зависимость ионизационного тока камеры от напряжения на ее электродах при постоянном уровне радиации, воздействующую на камеру.

Семейство вольт-амперных характеристик, соответствующих различным уровням мощностей доз гамма-излучения, приведено на рис. 2.

Вольт-амперную характеристику делят на 4 характерных участка.

При небольших напряжениях на электродах камеры (область I) большая часть ионов, возникающих в рабочем объеме, рекомбинирует и в создании ионизационного тока не участвует.

Количество ионов, разряжающихся на электродах, мало по сравнению с числом ионов, образовавшихся под действием излучения. Ток камеры на этом участке возрастает линейно. Эта область характеристики называется областью закона Ома.

По мере увеличения напряжения от U1 до U2 возрастает скорость ионов и уменьшается вероятность рекомбинации. Ток камеры продолжает расти, но медленнее, чем в области закона Ома, так как концентрация свободных ионов уменьшается и почти каждый ион участвует в образовании ионизационного тока. Эта область характеристики называется областью рекомбинации (область II).

Горизонтальный участок вольт-амперной характеристики (область III) соответствует режиму насыщения, при котором практически все ионы, возникающие в рабочем объеме, достигают электродов камеры.

Ток, протекающий через камеру, при напряжении на ее электродах от U2 до U3, называется током насыщения, а напряжение U2 – напряжением насыщения.

Значение U2 увеличивается с ростом мощности дозы гамма-излучения. Это объясняется тем, что при большей мощности дозы увеличивается концентрация ионов, а значит и вероятность их рекомбинации становится выше. Поэтому для достижения режима насыщения требуется более высокое напряжение.

Рабочее напряжение на камере выбирается несколько больше значения U2, соответствующего максимальной мощности дозы гамма-излучения.

При напряжении на камере, равном U3, напряженность электрического поля становится столь высокой, что электроны, образованные под действием ионизирующего излучения, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул рабочего газа.

Образуются дополнительные носители заряда, и ток камеры начинает резко возрастать. Это область ударной ионизации.

Значение напряжения U3 зависит от конструкции камеры и типа газа-наполнителя и не зависит от мощности дозы гамма-излучения.

Рабочей областью ионизационной камеры является область насыщения.

Величина ионизационного тока камеры в режиме насыщения, т.е. тока насыщения Iн, имеет простую зависимость от мощности дозы гамма-излучения:

где N – количество пар ионов, возникающих в 1 см3 объема камеры в 1 с при облучении мощностью дозы Р, Р/ч;

V – объем камеры, см3;

qe – заряд электрона,

Если камера изготовлена из воздухоэквивалентного материала и при ее облучении соблюдаются условия электронного равновесия, то для мощности дозы Р (Р/ч) значение N можно подсчитать:

И тогда ток насыщения

где I – ток насыщения, А;

Р – мощность дозы, Р/ч

V – объем камеры, см3.

3. Материальное обеспечение работы

В работе исследуется ионизационная камера типа АГ с рабочим объемом 5000 см3.

Блок-схема лабораторной установки для снятия характеристик камеры АГ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема установки для снятия вольт-амперной характеристики ионизационной камеры

1 – ионизационная камера;

2 – предусилитель прибора «Кактус»;

3 – измерительный блок прибора «Кактус»;

4 – тележка с защитным устройством и радиоактивным источником;

5 – линейка для отсчета расстояний от источника;

6 – вольтметр для измерения напряжения на камере;

7 – потенциометр для измерения напряжения на камере.

Для усиления и измерения ионизационного тока камеры в данной работе используется лабораторный измеритель мощности дозы типа «Кактус», лицевая панель которого приведена на рис. 4.

Шкала микроамперметра прибора отградуирована в мР/ч.

Чтобы получить значение ионизационного тока в амперах, необходимо показание микроамперметра умножить на величину А на мР/ч.

Следует помнить, что при работе на втором поддиапазоне цена делений шкалы микроамперметра увеличивается в 10 раз.

Измерение напряжения на ионизационной камере производится потенциометром «Напряж.».

Облучение ионизационной камеры осуществляется гамма-квантами источника кобальт-60 активностью до 10 мКu.

Радионуклид кобальт-60 испускает при каждом акте распада два каскадных гамма-кванта средней энергией 1,25 МэВ с периодом полураспада Т1/2 = 5,2 года.

Источник помещается в контейнер с откидной крышкой, который установлен на подвижной тележке. Перемещая тележку с источником по направляющей линейке, можно изменять мощность экспозиционной дозы гамма-излучения в месте расположения камеры АГ.

При отсутствии в лаборатории гамма-излучателей достаточной активности, может использоваться два бета-излучателя 90Sr – 90Y от комплекта ПКР – 1, которые создают в ионизационной камере токи насыщения различной величины.

4. Содержание и последовательность выполнения работы

1. Произвести включение и подготовку к работе лабораторного измерителя мощности дозы «Кактус».

Рекомендуется следующая последовательность включения прибора:

а) проверить исходное положение прибора, при котором:

- переключатель «Сеть» находится в положении «Выключено»;

- переключатель поддиапазонов – в положении «ХI»;

- переключатель «Установка нуля-работа» переведен в положение «Установка нуля»;

- ручка потенциометра установки напряжения на камере в левом крайнем положении;

б) включить кабель питания прибора в сеть переменного тока 220 В, переключатель «Сеть» перевести в положение «Включено»;

в) прогреть прибор в течение 2-3 минут, ручкой «Установка нуля» установить стрелку микроамперметра на нуль шкалы и оставить прибор включенным для прогрева.

2. Снять «вольт-амперные» характеристики ионизационной камеры АГ для двух значений мощностей доз гамма-излучения 20 и 5 мР/ч, результаты измерений ионизационного тока записать в табл. 1.

Таблица 1 Результаты измерений ионизационного тока камеры АГ

Мощность

дозы

UИК,

В

2

3

5

10

15

20

25

30

40

50

60

70

Рγ1=20 мР/ч

IИК,

А

Рγ1=5 мР/ч

IИК,

А

Измерения ионизационного тока камеры производить в следующей последовательности:

- переключатель поддиапазонов перевести в положение «ХI»;

- потенциометром «Установка нуля» установить стрелку микроамперметра на нуль;

- подать на камеру напряжение 2 В;

- передвинуть тележку с радиоактивным источником на расстоянии R от оси ионизационной камеры, при котором обеспечивается мощностью дозы Рγ1=20 мР/ч;

- переключатель «Контроль нуля-работа» перевести в положение «Работа» и после успокоения стрелки микроамперметра произвести отсчет величины ионизационного тока, 3-5 раз через 10 секунд и вычислить среднее значение;

- увеличивая последовательно напряжение на камере согласно табл. 1., произвести измерение соответствующих величин силы тока.

Примечание.

Изменение напряжения сети переменного тока может приводить к «уходу нуля» прибора «Кактус» и появлению ошибок в измерении. Поэтому в случае резкого изменения показаний в процессе измерения необходимо проверить установку нуля прибора и повторить измерение.

Проверку установки нуля следует производить и при переключении прибора на второй поддиапазон.

- передвинуть тележку с источником в положение, при котором обеспечивается мощность дозы Рγ1=5 мР/ч, и произвести измерения ионизационного тока при напряжениях на камере согласно табл. 1.

3. По данным таблицы 1 построить семейство вольт-амперных характеристик ионизационной камеры АГ.

Определить по графикам напряжение насыщения (рабочее напряжение) для диапазона мощностей доз гамма-излучения Рγ1 = 5÷20 мР/ч.

studfiles.net

75. Ионизационная камера.

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.

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.

76. Газоразрядный счетчик

В связи с распространением автоматического контроля различных производственных процессов с применением источников радиоактивных излучений широкое применение получил газоразрядный счетчик, регистрирующий эти излучения. Его работа основана на ионизирующем действии радиоактивного излучения.

Газоразрядный счетчик представляет собой стеклянный или металлический баллон с двумя электродами — внешним (катод) и внутренним (анод). Катодом является или металлический баллон, или проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Анодом служит тонкая металлическая проволока, натянутая внутри баллона вдоль его оси.

Счетчик обычно наполнен специальной смесью газов под давлением 100 мм рт. ст.

Когда газ внутри счетчика не ионизирован ядерными частицами, несмотря на приложенное к нему напряжение, ток между его электродами не протекает. Как только газ внутри счетчика будет ионизирован попавшими в него ядерными частицами, в цепи счетчика появится электрический ток.

Источником ионизации газа могут быть гамма-, альфа- и бета-лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения.

Для работы счетчика используется такой режим, при котором ток в цепи счетчика пропорционален числу ионизирующих частиц. Этот режим называется «областью Гейгера» и используется для работы газоразрядных счетчиков. Последовательно со счетчиком включается сопротивление порядка 1 — 10 Мом, являющееся нагрузкой, с зажимов которого снимаются импульсы напряжения. Частота следования импульсов пропорциональна числу частиц, вызывающих ионизацию.

77. Назначение, устройство и практическая работа кду – 2м.

Корабельная дозиметрическая установка (КДУ) располагается на судах стационарно в рулевой рубке и предназначается для дистанционного измерения мощности дозы гамма-излучения в местах установки измерительных датчиков, автоматической сигнализации о входе в зону радиоактивного излучения; определения ориентировочного направлении на источник гамма-излучения, находящегося вне судна.

КДУ-2М состоит из следующих основных частей: пульта управления блока питания, двух сигнально-измерительных датчиков и четырех и измерительных датчиков

Датчики обеспечивают измерение в диапазоне от 0,2 до 20 мр/час.

Принцип действия схемы КДУ в каждом из указанных режимов состоит в следующем.

Сигнализация. Сигнально-измерительные счетчики подключены каждый к своему каналу. При воздействии гамма-излучения на счетчик возникающие импульсы напряжения поступают на предварительный усилитель.

Измерение. При работе в режиме измерения вольтметр подключается к интегрирующей ячейке того канала, с помощью которого производится измерение. Отклонение стрелки измерительного прибора на каждом поддиапазоне соответствует определенной величине напряжения на выходе интегрирующей ячейки и, следовательно, мощности дозы гамма-излучения.

Порядок применения КДУ- 2М. Произвести внешний осмотр установки; включить установку, поставить переключатель «Датчик измерения» в любое из положений: «1», «2», «3» и «4». В этом случае на блоке питания и пульта управления должны загореться зеленые лампочки, что свидетельствует о том, что питание подано на установку. При наличии питания, перевести ручку в положение «Откл», переключатель «Род работы» перевести в положение «Сигн.», после этого должны вновь загореться зеленые лампочки на блоке и пульте управления.

studfiles.net

14 Принцип работы ионизационных камер для контроля потока нейтронов.

Для регистрации ионизирующих излучений используют различные методы, основанные на измерении результата взаимодействия излучений с веществом.

Например, -кванты образуют в веществе детектора быстрые электроны за счет фотоэффекта, комптон-эффекта, или эффекта образования пар электрон-позитрон. Эти электроны регистрируются благодаря вызываемой ими ионизации.

Нейтроны детектируются посредством двухступенчатого процесса, так как взаимодействие между нейтронами и электронами, обусловлен­ное их магнитными моментами, очень мало и не может привести к ионизации атомов при прохождении нейтронов через вещество.

Нейтроны могут быть зарегистрированы в результате ядерной реакции, сопровождаемой вылетом заряженных частиц, которые фиксируются детектором.

Таким образом, для регистрации нейтронов необходимо иметь радиатор, содержащий ядра, на которых происходит реакция, сопровождающаяся вылетом заряженных частиц.

В связи с тем, что в работающем реакторе необходимо регистрировать нейтронное излучение и в некоторых случаях -излучение, количество методов, нашедших практическое применение, оказывается ограниченным.

В качестве «детектирующих» наиболее часто используются реакции

и реакция деления урана-235 (камеры деления).

Для регистрации вторичных частиц (а-частицы, осколки деления или электроны), образовавшихся в результате взаимодействия нейтронов или -квантов с веществом, обычно используется способность заряженных частиц ионизировать газы.

Поместив в объем, содержащий газ, электроды в виде двух пластин или цилиндров и приложив к ним электрическую разность потенциалов, получим ток, пропорциональный количеству заряженных частиц и их ионизирующей способности.

Такое устройство для детектирования частиц получило название ионизационная камера.

Для регистрации нейтронов применяются ионизационные камеры (ИК), которые делятся на импульсные и токо­вые.

В камере импульсного типа каждая детектируемая частица произ­водит импульс тока (счетчики). Камерами токовыми называют устройства, регистрирующие средний уровень излучения. При этом ток ионизационной камеры определяется интенсивностью излучения.

 

Ионизационные камеры и счетчики используются, как правило, для измерения нейтронного потока вне активной зоны (в сухой защите), т. е. измеряют нейтроны утечки из активной зоны.

 

Работа ионизационных камер основана на собирании ионов, возни­кающих при прохождении через камеру ионизирующего излучения.

При облучении газа ионизирующими излучениями возникают два про­цесса: ионизации и рекомбинации.

При прохождении заряженной частицы через вещество ее электри­ческое поле взаимодействует с электронной оболочкой атомов. В ре­зультате часть электронов отрывается от атомов и на пути частицы об­разуются положительные ионы.

При прохождении через вещество электромагнитное излучение (у-кванты) поглощается в результате комптоновского рассеяния и образования электрон-позитронных пар. В каждом из этих процессов возникают заряженные частицы (электроны, позитроны), которые спо­собны ионизировать атомы среды.

Принцип работы нейтронных ионизаци­онных камер основан на ионизирующем действии частиц, возникающих в результате реакций типа (n,a), (n,p), (n,f).

Камеры с использованием реакции (п,a) – это борные камеры.

с использованием реакции (п,р) – это гелиевые камеры,

с использованием реакции (n,f) - это камеры деления

В общем случае к достоинствам ионизационных камер можно от­нести их безинерционность.

К недостаткам - выгорание и необходи­мость высокого напряжения для электропитания камер, что приводит к повышенным требованиям к их изоляции.

Используются ионизационные камеры следующих типов:

КН - с газообразным радиатором:

КНТ - камеры с радиаторами в виде твердого покрытия:

КНК - камеры для измерения нейтронного потока, компенсиро­ванные к влиянию y-фона (как с твердым покрытием, так и с газообраз­ным радиатором).

Ток в цепи камеры зависит также и от приложенного к электродам напряжения, поскольку при небольшом напряжении будет происходить частичная рекомбинация ионов. На рисунке 6 показана такая зависимость тока (вольт-амперная характеристика ИК). (Ф2 Ф1)

Как следует из графика, после достижения некоторого критического напряжения Uкр дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока через камеру при постоянной интенсивности поля излучений, в котором она находится.

Это напряжение соответствует практически полному разделению всех возникающих в рабочем объеме камеры пар ионов.

Предельный ток, который может быть получен при U  Uкр, называют током насыщения Iн.

При увеличении интенсивности излучения Iн также увеличивается.

Одновременно увеличивается и Uкр в связи с большей вероятностью рекомбинации ионов из-за их большей плотности.

В качестве рабочего напряжения на ИК обычно берут Uраб 2 Uкр.

Значение тока насыщения обратно пропорционально давлению газа в камере и обратно пропорционально квадрату расстояния между электродами.

Для регистрации нейтронов в ИК вводится вещество – радиатор - слой аморфного бора или делящегося вещества, нанесенный на один из электродов или на оба.

Принято называть ИК со слоем делящегося вещества камерой деления (КД).

-кванты, попадающие в ИК, образуют электроны как в газе, так и в веществе электродов. Вторичные электроны ионизируют газ и в цепи создается электрический ток.

Поскольку нейтронное излучение в реакторе всегда сопровождается -излучением, то приходится принимать специальные меры для выделения сигнала от нейтронов и компенсации -фона.

studfiles.net

Ионизационная камера - «Энциклопедия»

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА, детектор частиц, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа; служит для определения энергии частиц и их идентификации. Ионизационная камера применялась ещё в первых опытах Э. Резерфорда по изучению радиоактивности. Широко используется в дозиметрии, для контроля за работой ускорителей и ядерных реакторов, в экспериментальной ядерной физике, в исследованиях космических лучей и др.

Ионизационная камера представляет собой замкнутый сосуд, заполненный газом (иногда сжиженным), где размещены электроды, к которым через сопротивление нагрузки RH прикладывается разность потенциалов U. Заряженные частицы при прохождении в газе теряют свою энергию на ионизацию вещества; образовавшиеся электроны и положительные ионы движутся соответственно к положительным и отрицательным электродам камеры. При этом в цепи возникает электрический ток, состоящий из электронной и ионной компонент. Подвижность ионов определяется их массой, составом газа и его давлением и оказывается примерно в 1000 раз меньше подвижности электронов. Подбором сопротивления RH и входной ёмкости можно добиться того, чтобы импульсы напряжения ионизационной камеры соответствовали сбору только электронов, гораздо более подвижных, чем ионы. Время собирания электронов обычно составляет не более 1 мкс. Величина разности потенциалов U устанавливается таким образом, чтобы свести к минимуму потери, происходящие в результате рекомбинации ионов, и исключить ударную ионизацию и автоэлектронную эмиссию.

Реклама

В спектрометрических исследованиях часто применяется ионизационная камера с сеткой Фриша - третьим электродом с высокой проницаемостью, устанавливаемым между катодом и анодом. В такой камере амплитуда выходного сигнала не зависит от угла вылета частицы, если ионизация создаётся только между сеткой и отрицательным электродом. Это обусловлено тем, что все образовавшиеся в камере электроны проходят одинаковое расстояние в поле между сеткой и положительным электродом. В данном случае возникает некоторая временная задержка между моментом ионизации и импульсом тока, равная времени пролёта электронов от места их образования до сетки. Разделение электронов и ионов при помощи поля сетки обеспечивает не только быстрое собирание носителей заряда, но и уменьшает зависимость амплитуды выходного импульса от направления движения частицы. Энергетическое разрешение ионизационной камеры с сеткой может составлять 0,5% для α-частиц с энергией 5 МэВ. Если электрическое поле параллельно траектории детектируемых частиц, то форма сигнала с анода ионизационной камеры может нести информацию об удельных ионизационных потерях вдоль траектории (кривая Брэгга). Такие камеры (так называемые брэгговские ионизационные камеры) нашли широкое применение в физике низких и промежуточных энергий как части многодетекторных установок. Ионизационная  камера, наполненная водородом под давлением около 105 Па, может эффективно использоваться в физике промежуточных и высоких энергий.

Лит.: Ляпидевский В. К. Методы детектирования излучений. М., 1987; Experimental apparatus for the study of small angle neutron-proton elastic scattering at intermediate energies // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1988. Vol. А270. Р. 419-430; The 4pi-fragment-spectrometer FOBOS // Ibid. 1998. Vol. А403. Р. 65-97.

А. С. Фомичёв.

knowledge.su

Ионизационные камеры

Ионизационные камеры

Ионизационная камера представляет собой устройство из двух изолированных электродов, к которым приложено постоянное напряжение.

В простейшем случае ионизационную камеру можно представить себе в виде двух металлических параллель­ных пластин, пространство между которыми заполнено каким-либо газом, например воздухом.

При воздействии ионизирующего излучения на газ в нем образуются положительные и отрицательные ионы. При отсутствии напряжения между пластинами эти ионы, как и все другие нейтральные молекулы и атомы газа, бу­дут находиться в беспорядочном тепловом движении. Однако, если к пластинам приложить постоянное напря­жение, движение ионов становится ‘направленным: поло­жительные ионы под воздействием электрического поля будут двигаться к отрицательно заряженной пластине — катоду, отрицательные ионы — к положительно заряжен­ной пластине — аноду.

Движение ионов под действием электрического поля вызывает появление ионизационного тока в цепи камеры, который может быть измерен с помощью какого-нибудь электроизмерительного прибора. Сила ионизационного тока равна суммарному электрическому заряду, перене­сенному ионами к электродам камеры в течение одной се­кунды. Она определяется числом ионов и зависит от ско­рости их движения.

Наряду с процессами ионизации в газе одновременно происходит и обратный процесс — рекомбинация, то есть соединение ионов противоположных знаков, в результате чего образуются нейтральные атомы и молекулы. Реком­бинация происходит вследствие столкновения ионов раз­личного знака в процессе хаотического теплового движе­ния молекул газа. Чем больше скорость хаотического дви­жения, то есть чем выше температура газа, тем более вероятна рекомбинация ионов. С другой стороны, реком­бинация будет пропорциональна количеству ионов каж­дого знака. Действительно, рост числа положительных и отрицательных ионов в единице объема газа увеличивает вероятность их встречи между собой и, следовательно, вероятность образования нейтральной молекулы. Таким образом, в объеме газа между пластинами камеры при воздействии ионизирующих излучений происходят два конкурирующих между собой процесса — образование ионов и их рекомбинация. По этой причине зависимость ионизационного тока от напряжения, поданного на пла­стины, так называемая вольтамперная характеристика ка­меры, имеет характер, показанный на рис. 13.

С увеличением напряжения U и, следовательно, с ро­стом напряженности электрического поля в пространстве между электродами возрастает скорость движения ионов, что приводит к уменьшению вероятности их рекомбина­ции. В результате растет сила тока в цепи камеры (уча­сток О А, рис. 13).

Однако при дальнейшем увеличении напряжения на­ступает момент (точка А на кривой рис. 13), когда рост ионизационного тока прекращается вследствие того, что все образующиеся ионы достигают электродов камеры.

Ток, при котором практически все ионы, образующиеся в камере в результате воздействия ионизирующего излу­чения, собираются на электродах, называется током на­сыщения.

Участок АБ вольтамперной характеристики камеры со­ответствует режиму тока насыщения.

При увеличении напряжения (больше U2) ток в ка­мере снова начнет возрастать за счет того, что электроны, образованные под действием излучения, приобретают ме­жду двумя соударениями с молекулами газа достаточно большую скорость и в свою очередь начинают ионизиро­вать газ.

Если интенсивность ионизирующего излучения возра­стает в 2 раза, будет образовываться в 2 раза больше ионов. Это вызывает увеличение ионизационного тока, но одновременно в 4 раза увеличивается и вероятность ре­комбинации. По этой причине режим тока насыщения на­ступает при большем напряжении U\ на электродах ка­меры. Очевидно, что ток насыщения Ги будет в 2 раза больше тока /н-

Таким образом, в ионизационной камере, работающей в режиме тока насыщения, спустя небольшой промежуток времени после начала действия излучения наступает рав­новесие: число пар ионов, возникающих в камере в еди­ницу времени, равно числу пар ионов, попадающих на электроды за то же время. Отсюда величина тока насыще­ния равна

/H = JV • е • V ампер,

где N — число пар ионов, возникающих в 1 секунду в 1 см3 камеры;

V — объем камеры в см3;

е —заряд каждого иона в кулонах.

Из этой формулы следует, что величина тока насыще­ния может служить мерой мощности дозы излучения, ко­торая всегда пропорциональна числу пар ионов, образую­щихся в 1 см3 воздуха в единицу времени. Шкала электро­измерительного прибора, включенного в цепь камеры, мо­жет быть проградуирована непосредственно в единицах мощности дозы (например, рентген/час).

Следует отметить, что приведенная на рис. 13 вольт­амперная характеристика будет присуща ионизационной камере, между электродами которой электрическое поле строго равномерно, то есть напряженность поля в любой точке постоянна.

Для простейшей камеры, состоящей из двух парал­лельных пластин, это условие не выполняется. На рис. 14 силовыми линиями показан характер электрического поля между пластинами, находящимися в однородном воздуш­ном пространстве. Густота силовых линий пропорцио­нальна напряженности электрического поля.

В такой камере с ростом напряжения на пластинах сила ионизационного тока будет непрерывно увеличи­ваться.

Действительно, при каком-то напряжении наступит режим тока насыщения в пространстве между пласти­нами, где напряженность электрического поля макси­мальна (область АБ). Однако в других областях (БВ, ВГ) напряженность поля еще недостаточна, и при дальнейшем увеличении разности потенциалов между пластинами ионизационный ток будет нарастать. Процесс нарастания будет непрерывно продолжаться, так как электрическое поле ничем не ограничено. Таким образом, в такой про­стейшей ионизационной камере объем воздуха, из кото­рого происходит собирание ионов, неограничен и режим тока насыщения практически неосуществим. Следова­тельно, камера такого типа не пригодна для измерения мощности дозы излучения по величине тока насыщения.

Ограничение объема камеры может быть осуществлено двумя методами — электрическим полем и созданием за­крытого объема при помощи стенок.

В первом случае один из электродов камеры, в цепь которого включается измерительный прибор и который обычно называется собирающим, окружается дополни­тельным электродом, как показано на рис. 15.

Если на дополнительный электрод Д подать потен­циал, равный потенциалу собирающего, распределение электрического поля в камере будет иметь вид, показан­ный на рис. 15. Напряженность электрического поля в пределах, ограниченных размерами собирающего элек­трода, теперь уже строго равномерна.

При воздействии излучения ионизация воздуха, как и раньше, происходит во всем объеме камеры. Однако’ че­рез измерительный прибор теперь проходит только часть ионизационного1 тока из столба воздуха, ограниченного’ поверхностью собирающего электрода. Объем воздуха, из которого ионы попадают на собирающий электрод, при­нято называть рабочим объемом камеры. Как видно из рис. 15, рабочий объем камеры составляет часть ее геометрического объема.

Наличие равномерного электрического поля позволяет легко обеспечить режим тока насыщения и достаточно точно определить рабочий объем камеры как произведение площади собирающего электрода на высоту h.

Следует заметить, что даже небольшое различие в по­тенциалах собирающего и дополнительного электродов вызывает искажения электрического поля в камере. Это мало повлияет на величину напряжения, необходимого для обеспечения режима тока насыщения, но может вы­звать значительные отклонения действительного рабочего объема от вычисленного по геометрическим размерам собирающего электрода.

Рассмотренный выше метод ограничения объема иони­зационной камеры вследствие некоторой сложности не пригоден для переносной и полевой дозиметрической аппаратуры.

Более простым является второй метод — создание за­крытого объема при помощи стенок. Схематическое изо­бражение камеры подобного типа показано на рис. 16

Высоковольтный электрод представляет собой прямоуголь­ную или цилиндрическую коробку, являющуюся корпу­сом камеры, внутри которой размещается собирающий (внутренний) электрод. Вывод собирающего электрода из корпуса камеры осуществляется через янтарный или по<- листироловый изолятор, имеющий очень хорошие изоля­ционные свойства. Между высоковольтным и собирающим электродами ставится так называемое охранное кольцо. Охранное кольцо предохраняет цепь собирающего элек­трода от токов утечки по изолятору между высоковольт­ным и собирающим электродами. Эти токи утечки всегда направлены в ту же сторону, что и ионизационный ток камеры, и могут привести к завышению показаний при­бора.

В камерах такого типа собирание ионов происходит из объема, ограниченного стенками. Форма и размеры элек­тродов, в зависимости от назначения камеры, могут быть самыми разнообразными. Встречаются камеры, электроды которых выполнены в виде пластин, концентрических ша­ров, коаксиальных цилиндров и иной формы. Совершенно понятно, что создание равномерного электрического поля в стеночных камерах весьма затруднено. Однако из-за наличия ограниченного объема режим тока насыщения в гаких камерах получить возможно, при этом напряжение па электродах должно быть более высоким.

Для цилиндрических и -сферических камер сам выбор конструкции уже предопределяет наличие неравномерного поля — с приближением к центральному электроду напря­женность поля возрастает. Наибольшую равномерность поля возможно обеспечить в камере со стенками в виде параллелепипеда и собирающим электродом в виде пла­стины, размещенной параллельно стенкам (так называе­мая плоская камера).

Общий вид ионизационной камеры цилиндрической формы приведен на рис. 17. При том же расстоянии ме­жду электродами, что и в плоской камере, режим тока насыщения в цилиндрической камере будет обеспечи­ваться при большем напряжении и разница в напряже­ниях будет тем больше, чем больше отношение диаметров внешнего и внутреннего электродов.

В ионизационной камере, состоящей из двух концент­рических шаров, неравномерность поля еще больше, чем в цилиндрической, что приводит к необходимости более значительного увеличения напряжения питания.

Рабочий объем стеночной камеры всегда меньше гео­метрического. Это получается, во-первых, вследствие того, что часть объема занимает собирающий электрод, и, во- вторых, вследствие утечки части ионов на охранное кольцо. Для уменьшения утечек конструкция охранного кольца делается так, чтобы его поверхность, выступаю­щая внутрь объема камеры, была возможно меньше.

Как уже указывалось выше, при одном и том же рас­стоянии между электродами наименьшее напряжение, обеспечивающее режим тока насыщения, имеет место для камеры плоской конструкции. Отсюда ясно, что иониза­ционные камеры для полевых приборов, где экономия пи­тания имеет существенное значение, должны иметь плос­кую конструкцию.

rad-stop.ru