Газовые ионизационные детекторы

2. Газовые ионизационные детекторы. Ионизационный метод  регистрации излучении основан на ионизи­рующем действии излучений.

Под действием  любого ионизирующего излучения в веществе (газе) происходит образование из нейтральных атомов или молекул ионов - частиц,  несущих  положительные  или отрицательные электрические заряды. Положительные ионы возникают в результате отрыва от атома, молекулы или группы молекул одного или нескольких внешних электронов. Такие электроны в зависимости от рода газа либо остаются свободными, либо присоединяются к нейтральным частицам газа, образуя отрицательные ионы. В обычных условиях образовавшиеся ионы сущест­вуют недолго, они рекомбинируют, т. е. вновь воссоединяются в нейтральные атомы и молекулы.

Наиболее подвижными  ионами являются ионы в газе.  В электрическом поле они довольно быстро перемещаются к соответствующим электродам, вследствие чего рекомбинация незначительна. При отсутствии источника излучения проводимость газа настолько мала, что практически ею можно пренебречь.

Одним из устройств, реализующих данные свойства ионизирующего излучения, является ионизационная камера.

Ионизационная камера представляет собой конденсатор,  состоящий из электродов, между которыми находится газ. Электрическое поле между электродами создается от внешнего источника.  При отсутствии радиоактивного излучателя ионизация в камере также отсутствует, измерительный прибор тока показывает нуль. Под действием  пучка ионизирующего излучения в газе камеры  возникают  положи­тельные и отрицательные ионы. Под действием электрического поля на хаотическое движение ионов накладывается движение дрейфа:  отрица­тельные ионы движутся к положительно заряженному электроду,  поло­жительные - к отрицательно заряженному электроду. В цепи возникает ток, который регистрируется измерительным прибором.

Если приложенную к цепи разность потенциалов постепенно увеличивать, начиная с нуля, при постоянной интенсивности излучения, то оказывается, что ток в цепи вначале увеличивается пропорционально приложенной разности потенциалов, а затем его увеличение замедляется до тех пор,  пока он не становится постоянным по величине, несмотря на увеличение разности потенциалов. При очень больших разностях потенциалов ток снова начинает  возрастать, пока не наступит пробой.

Полученную зависимость ионизационного тока от напряжения называют вольт-амперной характеристикой ионизационной камеры. Физические явления, происходящие в ионизационной камере, можно объяснить следующим образом.

Величина ионизационного тока определяется суммарным электрическим зарядом ионов, достигших соответствующих электродов в течение секунды. В слабом электрическом поле только часть образовавшихся ионов может попасть на электроды большая же часть ионов с разными знаками рекомбинирует друг с другом, т. е. заряды их нейтрализуются, прежде чем они достигнут электродов. В этом случае камера малоэффективна для регистрации излучения.

В более  сильном электрическом поле скорость дви­жения ионов возрастает, а вероятность рекомбинации уменьшается до нуля и все ионы,  образующиеся в газе,  попадают на электроды. При этом ионизационный ток возрастает и достигает значения насыщения насыщения. Ионизационные  камеры  обычно работают в режиме тока насыщения при котором каждый акт ионизации дает составляющую  тока.  По току насыщения  определяются  интенсивность излучения и количество данного радиоактивного вещества.

Рекомендуемые материалы

Ионизацию можно разделить на два вида: объемную и колонную. Объемная ионизация более или менее равномерна по всему объему газа, происходит под действием рентгеновского, гамма- и бета-излучениями при давлениях порядка атмосферы.

Колонная ионизация  происходит  при прохождении  через  аль­фа-частиц, протонов,  а также при ионизации, рентгеновскими, гамма- и бета-излучениями при давлениях порядка нескольких сотен атмосфер.

 Ионизационные камеры в зависимости от назначения можно разделить на две группы:                                                                                   

  1. Импульсные  ионизационные камеры, предназначенные для изме­рения числа частиц и их энергии путем регистрации импульсов тока, возникающих в камере при прохождении через нее заряженных частиц.

2. Интегрирующие ионизационные камеры, предназначенные для измерения ионизационного тока, возникающего при прохождении через камеру потока частиц за некоторый, но не слишком малый интервал времени.

Основное различие  между импульсными и интегрирующими иониза­ционными камерами состоит в  разном  значении  постоянной  времени RC-контура,  в  состав  которого  входит  камера и радиометрическое .устройство. В камерах первой группы сопротивление  изоляции  между электродами порядка 10⁸ ом, емкость 10^-11 ф, следовательно, посто­янная времени будет 10^-3 с.  В камерах второй группы при емкости 10^-11 ф сопротивление изоляции порядка 10¹⁵ ом, постоянная времени будет порядка 10⁴ с,  т. е. утечки заряда будут незначительными, что очень важно для измерения суммарной силы тока.

Ионизационными камерами можно измерить отношение или разность двух ионизационных токов. Такие камеры называются дифференциальны­ми. Дифференциальная камера состоит из двух ионизационных камер с общим собирающим (центральным) электродам. К высоковольтным (цилиндрическим) электродом подсоединяются потенциалы разных знаков.

По конструктивному оформлению ионизационные камеры можно раз­делить на три класса.

1. Камеры, ионизация в измерительном объеме которых возникает за счет частиц, испускаемых от источника, расположенного внутри самой камеры. Такие камеры называются "камерами со внутреннем рас­положением источника" . Их используют для измерения ионизации от альфа-частиц или нейтронов.

2. Камеры, ионизация в измерительном объеме которых производится в меньшей степени за счет частиц, возникающих в измеритель­ном объеме, и в большей степени за счет частиц, выбитых из стенок камеры.  Такие камеры называются "стеночными камерами". Малые «стеночные камеры» известны под названием "наперстковые  камеры". Они применяются для измерения ионизации от гамма-,  бета- и нейтронных потоков.

3. Камеры, ионизация в измерительном объеме которых возникает не только за счет частиц объема, но и за счет частиц, поступающих в измерительную среду из окружающего газа. Камеры этого класса называются "камерами со свободным газом", а иногда диафрагмовыми ка­мерами или нормальными камерами. Такие камеры служат для абсолют­ных измерений дозы в рентгенах от рентгеновского излучения в диа­пазоне 60… 250 кэв.

Другой разновидностью газовых ионизационных приборов является газовый счетчик.

Газовый счетчик представляет собой датчик  (по конструкции аналогичный  ионизационной   камере),   предназначенный  для   регистрации отдельных ядерных частиц. В отличие от ионизационных камер газовые счётчики используются, для усиления ионизационного тока за счет газового разряда.

Благодаря высокой  чувствительности счетчик реагирует на каждую ионизирующую частицу,  возникающую внутри объема газа или про­никающую в него из стенки счетчика.

В зависимости от  характера  используемого  газового  разряда счетчики можно разделить на два типа:

1. Пропорциональные счетчики  (счетчики  с  несамостоятельным разрядом).

2. Счетчики Гейгера-Мюллера (счетчики с самостоятельным  раз­рядом).

При небольших разностях потенциалов на электродах счетчик работает в режиме ионизационной камеры,  т.  е. величина импульсов в некотором интервале напряжений не будет зависеть от  разности  потенциалов,  а будет определяться только количеством ионов, которые произведены в газовом объеме счетчика ионизирующей частицей.  Иначе в области насыщенного ионизации, амплитуда импульса сохраняет постоянное значение; она строго пропорциональна начальной ио­низации  (от  альфа-частиц  величина  импульса больше,  чем от бе­та-частиц),  следовательно, пропорциональна и энергии, оставленной частицей  счетчике.

При дальнейшем  увеличении разности потенциалов на электродах счетчика величина импульса будет возрастать, так как при этом вто­ричные электроны  в  усиливающемся  электрическом поле приобретают достаточную кинетическую энергию, с тем, чтобы произвести ионизацию ударом нейтральных молекул газа на пути своего свободного пробега. В свою очередь вновь образованные электроны ускоряются электричес­ким полем и ионизируют новые молекулы. При этом получается лавин­ной разряд,  который сразу прекращается,  как только  образованные электроны и  ионы  достигнут  соответствующих  электродов счетчика (несамостоятельный разряд).

Увеличение ионизационного  тока  с использованием несамостоятельного разряда называется газовым усилением,  а отношение  числа ионов, образовавшихся в  результате газового усиления и достигших электродов, к первоначальному числу ионов, образованных ионизирующей частицей, называется коэффициентом газового усиления.

Для области ионизационной камеры коэффициент газового  усиления равен единице.

  Из сравнения величин двух импульсов в пропорциональной области (альфа- и бета-частиц), следует, что они строго пропорциональны  начальной  ионизации.  Очевидно,   что  в  этой  области  козффициент газового усиления одинаков для импульсов разной величины, т. е. он не зависит от первоначального числа ионов, образованных частицей. Этот коэффициент изменяется в пропорциональной области от единицы в начале и до 1000 в конце области.

Счетчики, в которых амплитуда импульсов пропорциональна пер­воначальной энергии частиц, называются пропорциональными счетчика­ми.

Пропорциональный счетчик можно рассматривать как наперстковую камеру, удовлетворяющую условиям Грея (линейные размеры объема малы, а стенки имеют достаточную толщину). Но чувствительность счетчика по сравнению с наперстковой камерой будет больше.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то коэф­фициент газового усиления очень сильно возрастет по абсолютной ве­личине и будет зависеть от начальной ионизации. Эта область напря­жений называется областью ограниченной пропорциональности. До конца этой области происходит сближение кривых с разной начальной ио­низацией. Чем больше начальная ионизация, тем меньше коэффициент газового усиления и тем медленнее он растет с ростом разности по­тенциалов.

За областью ограниченной пропорциональности следует область Гейгера, в которой величина импульса совершенно не зависит от на­чальной ионизации; все импульсы при заданном напряжении вне зави­симости от рода ионизирующих частиц имеют одинаковую величину. Каждый вторичный электрон, возникший в объеме счетчика, вызывает вспышку самостоятельного разряда.

Счетчики, работающие в области самостоятельного разряда (гейгеровская область) называются счетчиками Гейгера.

Если за гейгеровской областью продолжать повышение напряже­ния, то наступает область непрерывного (самопроизвольного) разряда, который уже не вызывается ионизацией. В этом случае счетчик не пригоден для измерения и может прийти в негодность.

В зависимости от рода газа, заполняющего счетчик Гейгера, они могут подразделяться на самогасящиеся,  в которых разряд прекращается действием внутренних причин  возникновения,  и несамогасящиеся в  которых возникший разряд будет гореть до тех пор, пока не прекратится под действием внешнего вмешательства.

В настоящее время больше используются самогасящиеся счетчики. Рассмотрим механизм  разряда  в  несамогасящихся  счетчиках. Счётчик представляет собой некоторую емкость, заряженную до потенциала источника питания. Предположим, что в какой точке счетчика произошла ионизация за счет вторичного электрона, выбито­го из катода счетчика. Вновь образующиеся электроны будут двигать­ся к аноду (центральному электроду - нити) счетчика, который они достигнут за весьма короткий промежуток времени - порядка 10^-7…10^-8 с, а малоподвижные положительно заряженные ионы направляют­ся к катоду (цилиндрической части) счетчика.

Практически за время движения электронов положительные ионы остаются на месте, образуя вокруг нити плотный чехол, сильно уменьшающий напряженность электрического поля вблизи нити.

Положительные ионы, попадающие на катод счетчика, нейтрализу­ются, выбивая электроны с поверхности металла. При этом получающи­еся нейтральные атомы газа находятся в возбужденном состоянии и излучают фотоны, которые с поверхности катода могут вырвать допол­нительные электроны-родоначальники новых лавин, если напряженность поля вокруг нити приняла первоначальное значение. Дополнительные электроны с катода могут быть вырваны также и в процессе первичной ионизации, так как часть атомов газа будет находиться в возбужден­ном состоянии, излучая фотоны, которые, как и в ранее описанном случае, могут вызвать образование лавин.

В результате описанных процессов разряд в счетчике становится непрерывным и может продолжаться до тех пор, пока напряжение на счётчик не будет понижено посредством какого-нибудь внешнего воздействия. Наиболее эффективным воздействием является включение последовательно со счетчиком высокоомного сопротивления  порядка 10⁹ ом.

Интенсивное образование разряда в счетчике уменьшает напря­женность электрического поля между электродами до такой величины, при которой дальнейшее образование разряда становиться невозможным.

Благодаря высокому сопротивлению в схеме включения счетчика восстановление разности потенциалов на нем происходит медленно. Очередной разряд в счетчике может произойти только после восста­новления необходимого напряжения на электродах счетчика.

Если несамогасящиеся счетчики наполнялись одним из одноатомных газов (аргоном, неоном и др.), то самогасящиеся счетчики, кро­ме адноатомного газа, наполняются некоторым количеством паров од­ного из многоатомных органических соединений (этиловый спирт, эти­лен, изопентан и др.). Потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа. Благодаря  такому составу  наполнителя счетчика происходит автоматическое гашение разряда без какого—либо внешнего вмешательства. Наибольшее распространение получили  самогасящиеся счетчики, наполненные смесью из аргона (потенциал ионизации 15,7 В) при давлении 85 мм рт. ст. и парами этилового спирта (потенциал.ионизации 11,3 В). В таком счетчике прекращение возникшего разряда под дейс­твием вторичных электронов, выбитых с катода счетчика, достигается за счет диссоциации многоатомных молекул спирта, которые поглощают кванты излучения  как  от возбужденных атомов аргона.,  препятствуя тем самым возникновению фотоэффекта на катоде так и при  нейтрали­зации положительных ионов аргона на катоде счетчика. Положительных ионов аргона образуется значительно  меньше,  чем  положительных ионов спирта,  так как спирт обладает меньшим ионизационным потен­циалом чем аргон.  При приближении  к  катоду  положительные  ионы спирта, которые,  также как и положительные ионы, аргона вырываются нейтрализации из него электроны,  превращаются в  возбужденные  молекулы. Время существования возбужденных молекул спирта настолько  мало, что они диссоциируют гораздо раньше, чем успеют прибли­зиться к отрицательному электроду на расстояние, которое необходи­мо для передачи энергии электронам катода.

  Практически катода счетчика достигают только лишь ионы спир­та. Это объясняется тем, что ионы аргона в результате столкновений с нейтральными молекулами спирта отбирают от последних электроны, так как ион аргона имеет большее сродство с электроном, чем моле­кула спирта. Образовавшиеся возбужденные атомы аргона возвращаются в основное состояние с испусканием фотонов, которые в свою очередь будут поглощены молекулами спирта.

Время жизни самогасящихся счетчиков определяется числом моле­кул спирта, наполняющих объем счетчика. Обычно счетчик содержит около 10²⁰ молекул спирта. При каждом импульсе диссоциирует 10¹⁰ молекул. Следовательно, продолжительность жизни счетчика составля­ет около 10¹⁰ отсчетов. Опыт показал, что устойчивое гашение полу­чается приблизительно после 10⁸ разрядов. Промежуток времени, в течение которого счетчик не способен зарегистрировать вновь посту­пающие частицы, называется "мертвым временем" счетчика.

"Мертвое время" наступает после возникновения лавины в счет­чике. За это время электроны собираются на аноде, а положительные  ионы движутся на катод. Потенциал вблизи нити снижается, и возник­новение нового импульса становится невозможным. Затем следует ста­дия восстановления.

  Временем восстановления  называется интервал времени от конца "мертвого времени" до момента полного восстановления разности  по­тенциалов на электродах счетчика,  т.  е. до момента времени, пока  положительные ионы не достигнут катода.

Самогасящиеся счетчики имеют  "мертвое  время"  порядка 10^-4 с, т. е. меньше, чем несамогасящиеся 10^-2 с,  поэтому их иногда называют быстрыми счетчиками.

  Длительность импульса (или разрешающее время)  определяется суммой "мертвого времени" и времени восстановления.

Широко применяются  гейгеровские счетчики с наполнением гася­щей смесью,  состоящей из инертных газов неона с примесью аргона и одного их галогенов хлора или брома (до 5 %),  потенциалы ионизации которых (12,8 и 13,2 В) ниже по сравнению с потенциалами ионизации неона (21,.5 В) и аргона (15,7 В). В результате всех процессов состав смеси не изменяется и галогеновые счетчики, вообще говоря, имеют неограниченный срок служ­бы. Кроме того, галогеновые счетчики имеют небольшое рабочее нап­ряжение 300...400 в, в то время как для обычных счетчиков необходимо напряжение составляет 700...1600 в, не боятся перегрузок, имеют сравнительно высокую скорость счета ( до 2•10³ имп/сек). К не­достаткам рассматриваемых счетчиков следует отнести значительный наклон плато (более 5 % на 100 в) и длительное время развития разряда (примерно на два порядка выше, чем у высоковольтных счетчи­ков). Из-за химического действия галогенов для изготовления счет­чиков применяются определенные материалы. Катод изготовляется из нержавеющей стали, тантала или углерода, а анод - из вольфрама»

Конструктивное оформление счетчика зависит от рода и энергии регистрируемых частиц. Счетчики, предназначенные для счета бета- и гамма—излучения,  имеют стенку из легкого материала во избежание полного поглощения излучения в самой стенке счетчика.  Для более жесткого излучения применяются более толстые стенки.

Для регистрации очень мягкого излучения бета-частиц с энерги­ей 0,1 Мэв и выше (иногда и  альфа-частиц)  предназначен  торцовый  счётчик. Особенностью конструкции торцового счетчики является окно в торце  счетчика,  закрытое пластинкой из слюды толщиной 0,01  мм или нейлона,  через которое бета-частицы входят внутрь счетчика, поглащаясь в незначительной степени.  Анодом счетчика фрамовая  нить,  один конец которой закреплен в стеклянном корпусе счетчика,  а на другом, свободном конце нити напаян стеклянный шарик предназначенный  для предотвращения искажения электрического поля  конце нити. Цилиндрическая стенка счетчика, выполненная из металла, служит катодом.

Для регистрации более жестких бета-частиц с  энергией  0,3...0,4 Мэв и выше применяются цилиндрические счетчики,  катод которых выполнен из тонкой алюминиевой фольги (толщиной 0,1 мм), а анод - из  вольфрамовой  нити,  крепящейся на стеклянных изоляторах.  Бе­та-частицы с энергией 0,2 Мэв полностью поглощаются стенками счет­чика, и поэтому он является непригодным для их подсчета.

Торцовые и цилиндрические счетчики наполняются гасящими газа­ми и работают в области Гейгера.

Эффективность описанных счетчиков для бета-частиц составляет около 1ОО %.

Эффективностью счетчика называется выраженное в процентах отношение числа регистрируемых частиц к числу всех частиц, прошедших через поверхность катода счетчика.

Для измерения числа гамма-квантов применяются стеклянные счетчики. Они выполнены в виде стеклянной трубки, внутренняя поверхность которой покрыта тонким проводящим слоем (медь, графит и др.), являющимся катодом, анодом служит вольфрамовая нить, натянутая по оси трубки. На концах трубки устроены выводы электродов, один конец со знаком + (плюс) соединен с нитью 2, другой конец со знаком - (минус) - с катодом.

Эффективность стеклянных счетчиков составляет менее 2 %.

Как известно,  эффективность счетчика для гамма-лучей зависит от материала,  из  которого сделаны стенки счетчика,  их толщины и энергии гамма-квантов.  Изготовить универсальный гамма-счетчик  с максимальной эффективностью для всех энергий практически невозмож­но, так как сам механизм взаимодействия гамма-квантов с материалом стенок зависит от энергии гамма-излучения. Если изготовить два счетчика: один со стенками из тяжелого материала (свинца), другой - из легкого, (алюминия) , то у первого счетчика коэффициент погло­щения энергии будут значительно выше, чем у второго (даже при ус­ловии, если алюминиевые стенки будут во столько раз толще, во сколько алюминий легче свинца). Поэтому при измерении мягкого гамма-излучения (соответствующего фотоэффекту с коэффициентом поглощения, пропорциональным Z³) более  эффективным был  бы  свинцовый счетчик, а не алюминиевый (рис.5).

При измерении жесткого изучения гамма-квантов (соответствующих  комптон-зффекту с коэффициентом поглощения, почти не зависящих от Z) материал стенок влияет на эффективность счетчика незначи­тельно.

Наибольшую эффективность, особенно в области малых энергий,  имеет  свинцовый  счетчик;  при средних энергиях гамма-лучей эффективность свинцового, алюминиево­го и медного счетчиков возрастает,  достигая значений  около  1,5 % при 2 Мэв.

Обратите внимание на лекцию "4. Философские основы".

Для регистрации альфа-частиц используются пропорциональные счетчики, импульсные и диффузионные камеры. Счетчик с самостоятельным разрядом, у которого величина импульса не зависит от на­чальной ионизации, использовать довольно трудно, так как он нарав­не c импульсами, создаваемыми альфа-частицами, будет регистриро­вать; и фон, что внесет большую ошибку в измерения.

  Для счета альфа-частиц применяется цилиндрический пропорцио­нальный счетчик, в который альфа-частицы направляются через его торец. Иногда источник альфа-частиц помещается внутри рабочего объёма. Примером такой конструкции служит счетчик «вакуум-эксикатор», предназначенный для счета альфа-частиц и мягкого бета-излу­чения твердых препаратов. В корпус помещается диск, укрепленный на вертикально вращающейся оси, и счетчик. В гнезде диска ставятся исследуемые образцы.

Диск с осью может перемещаться с помощью наружного магнита, приводящего в движение малый металлический диск, находящийся, на верхнем конце оси. Вращая диск, можно подвести под счетчик один из помеченных  препаратов.  Из  вакуум-эксикатора  вначале откачивают воздух через кран, а затем заполняют его газовой смесью до опреде- лённого давления. Недостатком такого типа счетчика является чрезмерный расход заполняющей газовой смеси.

Для абсолютного измерения числа альфа- и бета-частиц (с эф­фективностью 100 %) от данного радиоактивного препарата применяются счетчики с 4π-геометрией. В этих счетчиках радиоактивное вещество наносится на тонкую пленку, натянутую на отверстие металлической ставки. Вставка помещается внутрь счетчика таким образом, чтобы препарат находился в центре объема. В нижней и верхней частях счетчика натянута вольфрамовая нить (анод), изолированная от ме­таллического корпуса (катода). Аноды соединяются вместе и включа­ются на вход усилителя, а катод заземляется. 4р-счетчик через шту­цер и отверстия вставка заполняется метаном с избыточным давлением 3...5 мм рт. ст.

Пропорциональные счетчики применяются также и для регистрации нейронов, в этом случае они заполняются BF₃.