evtiheeva_n_n__izmerenie_yelektricheskih _i_neyelektricheskih (1024281), страница 39
Текст из файла (страница 39)
4.2.12. Ионизационные преобразователи Принцип действия н конструкция. Оонлзапцолньця называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцннтилляционные и полупроводниковые детекторы. На рис. 4.51,а схематически показана ионизационная камера. Она состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, заполненного газом, и металлического электрода 2, расположенного по оси корпуса и изолированного от него изолятором 3.
Корпус служит катодом и заземлен, электрод служит анодом. При помещении камеры в простРанство с ионизируюшим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение 11, то ионы газа обРазуют ток. ВАХ камеры при некоторой постоянной интенсивности излучения приведена на рис.
4.51,б. Пока напряжение и ток малы, а ко- 187 Рис 4.51 личество ионов значительно больше, чем необходимо для обеспечения этого тока, ток возрастает пропорционально напряжению. С увеличением напряжения пропоршюнальность нарушается и при изменении напряжения от У до 1/, ток не меняется. В этом диапазоне напряжений все ионы доходят до электродов и участвуют в создании тока. Повышение напряжения не увеличивает числа носителей.
При дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, и если оно превышает 6~, то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей, а также и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участкеАВ ВАХ. С увеличением излучения ток камеры возрастает. Копструкпия камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц.
При работе с а-частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры. Газоразрядные счетчики предо~валяют собой ионизациоиную камеру, работающую при напряжении большем, чем У„на рис. 451,6. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный баллон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволока — анод.
Иа цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытие — катод Прикладьшаемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникший под действием ионизирующей частицы или излучения в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость н энергия возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряжен-, ности, энергия возрастает настолько, что электрон становится спэсобиым сам ионизировать газ.
Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 10з 188 104, а иногда более чем в 10 раз. Газовый разрвд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным газовым разрядом,ои возникаег при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее прекращении, Как и в ионизациоиных камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения. К электродам счетчика Гейгера — Мюллера подается еше большее напряжение, Под действием излучения происходят процессы, аналогичные процессам в пропорциональном счетчике.
Однако в прианодной области под действием увеличенной напряженности поля энергия электронов настолько возрастает, что возникает самостоятельный коронный разряд. Возникшее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны, они ионизируют газ и поддерживают возникший разряд. Для того чтобы можно было зарегистрировать приход новой ионизирующей частицы или кванта излучения, разряд должен быль погашен. Гашение производится либо специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процессов, происходящих внутри его. Счетчики первого типа называются несвмогасящимися, второго — свмогасящимися. Самоювсящиеся счетчики наполняются газовой смесью специального состава, которая поглощает ультрафиолетовое излучение и способствует прекращению разряда.
Импульсы тока в счетчике Гейгера — Мюллера возникают при попадании в него ионизирующих квантов или частиц. Амплитуда импульсов постоянна и ат энергии ионизирующих агентов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов. Ионизационные камеры и газоразрцпные счетчики могут работать в токовом или импульсном режиме. В первом измеряются средний ток преобразователя„численно равный общему заряду всех ионов, образованных за одну секунду. У ионизационной камеры ток составляет 10: га — 1О 'з А. Для ега измерения последовательнослреобразавателем включают нагрузочное сопротивление порядка 1Π— 1О' е Ом и напряжение на нем измеряют с помощью усилителя постоянного тока. у пэоопарциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядок 10 В.
В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда импульсов тока ионизациониой камеры и пропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ианизирующим излучением или частицей в камере. Ионизационные камеры часто используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, имеющих малую длину пробега. При их торможении в камере амплитуда импульсов пропорциональна полной энергии частицы, частота импульсов пропорциональна интенсивности излучения. Полупроводниковый детектор (рис. 452) — зто ионизационный преобразователь, представляющий собой манакристалл полупроводника (германия) с р-1п-переходом.
Проводящий слой с собственной про- 189 — водимостью (г'-проводимостью) выполнен )у путем диффузии лития в монокристалл германия. Измеряемое излучение иониэирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, и что приводит к увеличению проводимости. Под действием напряжения, приложенного р к р- и л-слоям, возникает импульс тока.
Чис- ло носителей, а следовательно, и амплитуда п импульса тока пропорциональны энергии излучения, средняя их частота пропорциональна интенсивности. Характеристики поЧпсглии,а лупроводникового детектора подобны ха- рактеристикам пропорционального счетчика. Рис. 4.52 Сциитилляционный счет жк состоит иэ сцинтиллятора — твердого тела, которое под действием излучения дает вспышку света, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Яркость вспышки, а следовательно, и импульс фототока ФЭУ определяются энергией частицы или излучении, поглощенной сцинтилйятором, их средняя частота — интенсивностью излучения. Особенности применении ионизационных преобразователей.
Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо меченые атомы, либо ис~очники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для изучения поведения вешеств и тел в различных физических, химических и физиологических процессах.
Их применение основано на том, что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Радиоактивные изотопы добавляются к стабильным и участвуют в процессе наряду со стабильными. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяются с помощью ионизационных преобразователей. Приборы с источниками излучения служат для измерения незлектрических величин, таких, как толщина материала, уровень жидкости„ расход жидкое~и и пр.
В этих приборах используется зависимосп интенсивности излучения от измеряемой величины. Приборы с иониэационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые обеспечили их распространение. Эти прибора| используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет изменение внешних условий: температуры, давления, напряжения питания, наличие агрессивных сред и т. п.
Интенсивность изменяется только вследствие естественного распада ядер радиоактивного изотопа. Благодаря большой проникаиапей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится 190 в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда и т.п.) . Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако разработка и использование высокочувствительных детекторов (сцннтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают иониэацнонные приборы практически безопасными.
Приборы, нмпользуюшие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате естественного радиоактивного распаца интенсивность излучения уменьшается, так что (1" 2/ 2 о э) г Х= Хее (4.152) где Хе — начальная интенсивность; Те э — период полураспада источника излучения. Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность — (1п212о,э) Г бХ = (Х вЂ” ХоИа = е — 1. (4.153) Для ее уменьшения следует периодически увеличивать чувствительность прибора. Другая погрешность обусловливается случайным характером ядерного распада. Случайны как время распада, так и направление траектории радиоактивной частицы или кванта излучения.
Случайный характер носят также захват и торможение излучения веществом ионизационного преобразователя. Вследствие этого последовательность ючпульсов преобразователя имеет непериодический, случайный характер. Если время подсчета импульсов мало, то количество импульсов может сильно различаться прн повторении измерений даже при неизменных условиях. При увеличении времени подсчета происходит усреднение, и относительная вариация показаний прибора и погрешность уменьшается.
4.2.13. Злектрохимические преобразователи Электролнтнческие (кс ндуктометрические) преобразователи. Принцип действия злектролитических преобразователей основан на зависимости злектропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала, При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) злектропроводность возрастает.
При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возРастают. При малых концентрациях электролита, когда количество ио- 191 20 О 5 1О 15 с г.молил /кг. моль) л ~ мл Рис.
4.54 Рис. 4.53 нов мало, увелиуение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается (рис. 4.53). Электролитический преобразователь (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
