Газонаполненные детекторы излучения

Один из методов регистрации ядерных излучений — ионизационный метод основан на измерении детекторами электрического заряда, образующегося в газе при его ионизации заряженной частицей. Такие детекторы называют газонаполненными.

Конструктивно газонаполненные детекторы представляют собой наполненные газом баллоны с двумя электродами. В качестве одного из них обычно выступает сам металлический баллон. Для собирания электронов и ионов из газа на электроды между ними подается электрическое напряжение. При отсутствии ионизирующих излучений газ является изолятором, тока между электродами нет. При прохождении заряженной частицы происходит ионизация молекул газа, он становится проводником и в цепи детектора (рис. 5) появляется ток. Режим работы газонаполненного детектора зависит от напряжения и расстояния между электродами, от формы последних, точнее, от величины и распределения напряженности электрического поля в рабочем объеме.

Рассмотрим зависимость ионизационного тока от напряжения между электродами при измененной геометрии

Рис.5. Схема работы газонаполененногодетектора излучений:

1 – объем камеры, заполненной газом; 2 – анод; 3 – катод;

4 – источник напряжения; 5 – прибор для измерения тока камеры; 6 - изоляторы

Рис.6 Вольтамперная характеристика газонаполненных индикаторов

Области: І – рекомбинации, ІІ – насыщения, III – пропорциональности, IV – ограниченной пропорциональности, V – Гейгера, VI – самопроизвольного разряда; частица 1 – с большой энергией, 2 – с малой энергией.

последних и постоянной интенсивности излучения, взаимодействующего с детектором (рис. 6). При очень малом скорость ионов и электронов мала; значительная их часть успевает рекомбинироваться, т. е. воссоединиться в нейтральные молекулы, не доходя до электродов. С увеличением скорость ионов растет, потери на рекомбинацию уменьшаются. Участок II на рис. 6 соответствует области напряжений, при которых практически все ионы достигают электродов. Индикаторы, работающие в области насыщения, называют ионизационными камерами.

В области ограниченной пропорциональности IV пропорциональность между импульсом тока и первичным зарядом нарушается: чем больше первичный заряд, тем меньше К. Наконец, в области V ток вовсе не зависит от интенсивности первичной ионизации. Здесь для возникновения мощного газового разряда достаточно появиться в детекторе хотя бы одной ионной паре. Область V, где импульс тока на выходе индикатора зависит лишь от напряжения на нем, но не зависит от первичного заряда, называют областью Гейгера—Мюллера, а индикатор, работающий в таком режиме,— счетчиком Гейгера — Мюллера. При дальнейшем увеличении напряжения (область VI) наблюдается пробой газа — самостоятельный газовый разряд, возникающий даже без излучения благодаря вырыванию мощным электрическим полем электронов из металла электродов.

Ионизационные камеры в ядерной геологии и геофизике используют в основном для регистрации -частиц. Типичная цилиндрическая камера состоит (рис. 7) из корпуса 4 — полого герметичного цилиндра, служащего одновременно катодом, и металлического стержня — собирающего электрода (анода) 5, электрически изолированного от цилиндра. Для исключения токов утечки через изолятор 2 посередине последнего часто имеется охранное кольцо 3. При измерениях по схеме рис. 7 напряжение между собирающим электродом и охранным кольцом близко к нулю, поэтому основная часть токов утечки протекает от охранного кольца к корпусу, минуя токоизмерительное устройство 1.

С помощью ионизационных камер можно определять средний ток от действия большого числа частиц или же раздельно регистрировать импульсы от каждой частицы, прошедшей через камеру. В первом случае говорят об интегральной ионизационной камере, во втором — об импульсной.

Рис.7 Цилиндрическая ионизационная камера

Рис.8 Схема включения (а) и устройство (б) цилиндрических счетчиков:

1 – анод; 2 – катод; 3 – ізолятор; 4 – стеклянный баллон; 5 – электрический вывод катода

Іонізаційний метод ґрунтується на вимірювані іонізації активного об'єму детектора (іонізаційної камери) шляхом виміру електричного струму або газових розрядів, що відбуваються в детекторі під впливом іонізуючого випромінювання. Найпростіша іонізаційна камера являє собою наповнену повітрям колбу з двома електродами, яка живиться від джерела постійного струму. Струм вимірюється чутливим гальванометром. Іонізаційні камери являють собою складову частину багатьох дозиметрів та радіометрів, що використовуються для реєстрації дози, потужності дози, щільності потоку часток.

Електродами можуть бути стінки камери та стержень, закріплений на ізоляторі. Іонізаційні камери бувають плоскими, сферичними, циліндричними та торцевими. Стінки камери роблять з повітряно-еквівалентних матеріалів, тобто 1 г такого матеріалу повинен поглинати стільки ж енергії, як і 1 г повітря. При звичайних умовах газ між електродами є діелектриком і електричний струм не проводить. Якщо заряджена частина проходить між електродами, газ іонізується, створюються вільні електрони і позитивні іони. Під впливом електричного поля іони рухаються між електродами і в ланцюгу виникає іонізаційний струм. Його величина пропорційна кількості іонізуючих випромінювань, що потрапили в іонізаційну камеру. При цьому значення напруги має бути таким, що включає можливість рекомбінації іонів (струм насичення). Струм вимірюється чутливим гальванометром. Іонізаційні камери являють собою складову частину багатьох дозиметрів, що використовуються для реєстрації доз, потужності дози. (Рис. 1.6.,1.7.)

Іонізаційна камера Електрична схема іонізаційної камери

Іонізаційний метод дозиметрії набув значного поширення в практичній медицині, бо він дає змогу з великою точністю виміряти дозу будь-якого виду іонізуючого випромінювання, витрачену на утворення іонних пар. Іонізаційний метод дає можливість точно виміряти енергію утворюваних під впливом випромінювання іонних пар і, отже, підрахувати їх кількість. Для цього методу застосовуються спеціальні іонізаційні камери або газорозрядні лічильники, а для реєстрації енергії іонних пар при цьому використовуються гальванометри або міліамперметри, проградуйовані у рентгенах.

Счетчики Гейгера—Мюллера обладают высоким газовым усилением и обеспечивают высокую амплитуду выходного импульса. Конструкцию счетчиков Гейгера—Мюллера выбирают такой, чтобы при сравнительно небольших размерах и напряжениях на электродах получить высокий коэффициент газового усиления. Для этого применяют цилиндрические счетчики с очень тонким анодом. Такой счетчик состоит (рис. 8) из катода — корпуса, по оси которого натянута металлическая проволока—собирающий электрод.

Рис. Счетная характеристика счетчиков Гейзера -Мюллера

Одной из основных характеристик счетчика Гейгера является счетная характеристика (рис. 18), показывающая зависимость скорости счета импульсов от напряжения между электродами при постоянной интенсивности излучения. В области Гейгера все частицы регистрируются, поскольку они образуют одинаковые импульсы. Единственным недостатком счетчиков Гейгера является их малая чувствительность к - -квантам.