Регистрация ионизирующих излучений

Принципы работы и основные характеристики ионизационной камеры.Ионизационная камера,прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.

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.

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 излучения I. Пусть за единицу времени в каждой единице объема газа образуется N=bE/ε ионных пар, где Е - энергия частиц, b — доля энергии частицы, поглощаемая в единице объема газа, а ε энергия образования ионной пары. Так как рабочий объем конкретной камеры постоянен, то ток насыщения пропорционален интенсивности излучения I:

Jн=aI (1.35)

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 ионов N. Пусть в единице объема газа ежесекундно образуется N ионных пар. Часть ионных пар, αN2, рекомбинирует, а другая часть, N-αN2 = N(1 - αN), собирается на электродах. Умножив последнее произведение на элементарный заряд е и рабочий объем V, получим связь тока J с током насыщения Jн = eNV, плотностью ионов N и коэффициентом рекомбинации α в областях закона Ома и тока насыщения:

J = Jн(l - αN). (1.36)

Ионизационный ток представляется как произведение двух сомножителей. Первый сомножитель Jн является током насыщения. Он протекает в газе, если ионы не рекомбинируют, и пропорционален плотности ионов N. Второй сомножитель (1-αN) равен доле ионов, попадающих из газа на электроды. Он зависит как от коэффициента рекомбинации а, так и от плотности ионов N. Если при постоянном коэффициенте α увеличивать плотность ионов N, то будет возрастать не только ток Jн, но и рекомбинация ионов. Поэтому плотность ионов влияет двояко на ток J: она способствует возрастанию тока J, а вместе с тем и тормозит это возрастание. От степени влияния каждого процесса зависит изменение тока J. С повышением напряжения на электродах уменьшается коэффициент рекомбинации α, и ток стремится к току насыщения Jн. 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 рекомбинации α определяются несколькими факторами. Плотность ионов связана с интенсивностью излучения, природой и давлением газа. Коэффициент α 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 ток J другие считают постоянными. С ростом интенсивности излучения I увеличивается плотность ионов N, 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 интенсивности I 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 действия закона Ома в этом случае непосредственно переходит в область пропорциональности, а вольт-амперная характеристика 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 характеристикойкаждого газа, ионизационный ток пропорционален давлению р. Например, для аргона линейность изменениятока J от давления р наблюдается в интервале 0,5-1,2 атм, для воздуха - от 1 до 40 атм и т. д. Затем ток Jдостигает максимума. При давлении, соответствующем максимуму тока Jмакс, 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 напряженияобласти 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. 1.5.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.

Ионизационные камеры бывают токовые (интегральные), с помощью которых измеряют ионизационные токи от потока излучения, и импульсные, с помощью которых измеряют ионизацию, вызываемую отдельными частицами. К группе интегральных камер относятся: собственно токовые камеры и интегрирующие камеры. Токовые камеры применяют для измерения активности α-, β- и γ- препаратов, интенсивность α-излучения и мощности дозы от потока нейтронов, а также γ- и рентгеновского излучения. С помощью интегрирующих камер определяют мощности дозы γ-, рентгеновского и жёсткого β- излучения, а также потока нейтронов.

Рис. 1.6.Вольтамперная характеристика ионизационной камеры

В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются, и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению. В токовых ионизационных камерах гальванометром измеряется сила тока I, создаваемого электронами и ионами. Зависимость I от V— вольтамперная характеристика импульсной камеры - имеет горизонтальный участок AB, где ток не зависит от напряжения (ток насыщения I0) (Рис. 1.6). Это соответствует полному собиранию на электродах ионизационной камере всех образовавшихся электронов и ионов. Участок AB обычно является рабочей областью камеры. Токовые ионизационные камеры дают сведения об общем интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 сек. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений. Так как ионизационные токи в камере обычно малы (10^-10—10^-15 а), то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока обеспечивают наилучшие условия для регистрации определённого вида излучения.

В ионизационной камере для исследования короткопробежных частиц источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетических материалов. В ионизационной камере для исследования гамма-излучений ионизация обусловлена вторичными электронами, выбитыми из атомов газа или стенок ионизационной камеры. Чем больше объём ионизационной камере, тем больше ионов образуют вторичные электроны. Поэтому для измерения γ-излучении малой интенсивности применяют ионизационные камеры большого объёма (несколько литров и более). 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 - её энергии.

Преимуществами ионизационной камеры является простота устройства, широкий диапазон измеряемых активностей любого типа излучения, высокая чувствительность к α-излучению, хорошая воспроизводимость результатов и возможность определения активности препаратов больших размеров. Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи, что требует применения очень чувствительной аппаратуры. Этот недостаток преодолевается в ионизационных детекторах с газовым

усилением. Ионизационная камера может быть использована и для измерений нейтронов. В этом случае ионизация вызывается ядрами отдачи (обычно протонами), создаваемыми быстрыми нейтронами, либо α- частицами, протонами или γ-квантами, возникающими при захвате медленных нейтронов ядрами ¹⁰B, ³He, ¹¹³Cd. Эти вещества вводятся в газ или стенки ионизационной камеры. Для исследования частиц, создающих малую плотность ионизации, используются ионизационные камеры с газовым усилением. Ионизационные камеры применяют также при исследовании космических лучей.

Пропорциональный счётчик.

Пропорциональный счётчик, газоразрядный прибор для регистрации ионизирующих излучений, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объеме на ионизацию.

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением, что даёт возможность регистрировать частицы с энергией <10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах «тонут» в шумах усилителя. Работа пропорционального счётчика основана на явлении газового усиления.

Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны в свою очередь успевают приобрести энергию достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Это «самоусиление» электронного тока (коэффициент газового усиления) может достигать 103-104. Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере). В названии отражено то, что в этом приборе амплитуда импульса тока (или полныйсобранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичнуюионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути пары ион — электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. При полном торможении частицы в пропорциональном счётчике импульс пропорционален энергии частицы. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы — к катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода пропорционального счётчика поле столь велико, что электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления (в формировании импульса участвуют также и ионы).

Рис.1.7. Счётная характеристика пропорционального счётчика, полученная с комбинированным источником β и α-частиц.

Отношение числа ионов n, образовавшихся в результате газового усиления, к первоначальному числу ионов n₀, образованных частицей, называется коэффициентом газового усиления М

(1.37)

Для практических целей значение коэффициента газового усиления варьируется в пределах 10≤М≤10000. Коэффициент М выбирается в зависимости от энергии частицы, рода работы (счёт или измерение энергии) и оптимального соотношение сигнал-шум. При измерении энергии величину М стремятся брать по возможности меньше, т.к. в этом случае напряжение на счётчике соответствует более пологому участку его вольт-амперной характеристики и не требуется слишком высокая стабильность напряжения от источника питания. При счёте частиц высокая стабильность напряжения не нужна, и можно использовать высокие значения М, включая и область ограниченной пропорциональности.

Газовое усиление имеет место при любой геометрии электродов, однако наибольшее распространение получили цилиндрические пропорциональные счётчики, для которых характерны низкие значения рабочего напряжения, широкие возможности применения и компактность. Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно большую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40000 вольт/см., в то время как у катода она равна сотням в/см. Диаметр нити (вольфрам или сталь) выбирают в пределах от 0,05 до 0,3 мм. Поверхность нити полируют, так как незначительные шероховатости поверхности сильно искажают электрическое поле вблизи собирающего электрода.

Пропорциональные счётчики используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений.

Существуют пропорциональные счётчики для регистрации α-частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, гамма- и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, γ- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые пропорциональным счётчиком вторичные заряженные частицы.

Пропорциональный счётчик сыграл важную роль в ядерной физике 30 - 40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором. Второе рождение пропорциональный счётчик получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х гг. в виде пропорциональной камеры, состоящей из большого числа ( ) пропорциональных счётчиков, расположенных в одной плоскости и в одном газовом объёме. Такое устройство позволяет не только

измерять ионизацию частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения. Типичные параметры пропорциональных камер: расстояние между соседними анодными нитями ~ 1 - 2 мм, расстояние между анодной и катодной плоскостями ~1 см; разрешающее время ~ сек.

Рис. 1.8.Схема пропорционального счетчика: а — область дрейфа электронов; б — область газового усиления.

Развитие микроэлектроники и внедрение в экспериментальную технику ЭВМ позволили создать системы, состоящие из десятков тысяч отдельных нитей, соединённых непосредственно с ЭВМ, которая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорциональной камеры. Таким образом, она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором. В 70-х гг. появилась дрейфовая камера, в которой для измерения места пролёта частицы используется дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных пропорциональных счётчиков в одной плоскости, и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы через камеру с высокой точностью (~ 0,1 мм) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в пропорциональной камере. Пропорциональные счётчики применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических лучей, астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д.

Пропорциональные счётчики используются для регистрации числа ионизирующих частиц, определения их энергии (импульсный режим), а также для измерения потоков излучения по среднему току (интегральный режим), аналогично ионизационным камерам с соответствующими режимами работы. Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией меньше 20 кэВ более 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон. Необходимым условием регистрации заряженной частицы или γ-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).

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. Типичным пропорциональным счётчиком является детектор с бериллиевым окном толщиной 70 мкм, наполненный смесью газов 90% Xe + 10% CH4 до общего давления Р = 0,8 атм. Такой счётчик имеет почти 100% эффективность при энергии γ- квантов 10 кэВ.

При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами или .

n + 3He →3H + 1H + 0.764 МэВ (1.37)

n + 10B →7Li* + 4He 7Li + 4He + (0.48 МэВ) +2.3 МэВ (93%) (1.38)

n + 10B →7Li + 4He + 2.8 МэВ ( 7%). (1.39)

Эффективное сечение последней реакции для тепловых нейтронов очень велико.

Нейтроны регистрируются с помощью заряженных частиц, возникающих в результате этих реакций и вызывающих ионизацию в счетчике. Вероятность регистрации быстрых нейтронов значительно меньше, чем медленных, и эффективности счетчиков быстрых нейтронов не превышают долей процента.