В.Б. Лукьянов - Радиоактивные индикаторы в химии (1133872), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Время, за которое заряд наэлектродах уменьшается в е раз, равно произведению RC. Это произведение имеет размерность времени и называется постоянной времени.Если RC велико по сравнению со временем, проходящим между двумяпоследовательными попаданиями ядерных частиц в детектор, то достигается стационарный режим и вся система регистрирует наличиенекоторого потоянного тока в цепи. Наоборот, если RC относительномало, то аппаратура, соответствующим образом сконструированная,сможет фиксировать электрические импульсы от отдельных частиц.Значения R и С можно в определенных границах менять, поэтому любой ионизационный детектор пригоден для включения в схемы регистрации обоих типов.На практике ионизационные камеры используют чаще в интегральных системах регистрации, счетчики — в дифференциальных.Причины разграничения областей применения двух типов ионизационных детекторов состоят в следующем.
В случае интегральныхсистем регистрируемый ток должен быть прямо пропорционален числу попавших в объем детектора ядерных частиц или у-квантов. Такаяпропорциональность существует только при регистрации токов насыщения. Ток насыщения / н а с можно найти так: допустим, что в ионизационную камеру за 1 с попадает п частиц, каждая со средней энергией Е МэВ. Число пар ионов ппас(соответствующих току насыщения), которые образуются в камере за 1 с, равнол н а с = £ .
10бп/34.(2.4)Принимая во внимание, что заряд одного электрона равен 1,60хXlO~19 Кл, а 1 К л/с — это 1 А, получаем ток насыщения (А):1,60 • кг196• Ю £п4,471015£(2.5)59Из формулы (2.5) следует, что ионизационный ток, вызываемыйпрохождением одной частицы (п = 1), очень мал и для того, чтобы регистрация отдельных частиц ионизационной камерой стала возможной, его необходимо значительно усилить.Измерение очень слабых токов представляет довольно сложнуюпроблему, поэтому ионизационные камеры обычно включают в интегральные системы регистрации. Такие приборы (токовые ионизационные камеры) нашли широкое применение для дозиметрии у- ир-излучений высокой проникающей способности.Для того чтобы обеспечить возможность работы ионизационнойкамеры в интегральных системах, значение RC должно быть достаточно велико. С этой целью в цепь включают высокоомное сопротивление R = 1011—1012 Ом.
При таких больших R даже очень малыетоки, протекающие через ионизационную камеру, создают падениенапряжения на сопротивлении, составляющее около 1 В, котороеотносительно просто зарегистрировать.Пример 24. Рассчитаем ионизационный ток f'Hac в камере и падение напряжения Д£/, если в камеру за 1 с попадает 103 Р-частиц кальция -45.
Сопротивление R — 1011 Ом. Размеры камеры таковы, что пробеги всех р-частиц укладываются в ее объеме. Препарат находится внутри камеры, и поэтому ослабленияР-излучения стенками камеры не происходит.Из табл. П.1 находИхМ, что для кальция-45 Етях=0,256 МэВ. Согласно(1.3).£ = 0 , 4 £ т а х = 0,4 • 0,256 = 0,102 МэВ.Подставляя это значение в формулу (2.5), находим«нас = 4,7 • 10~15 • 0,102 . 103 = 4,8 • 10~13 А.Заметим, что с помощью гальванометров трудно надежно регистрировать стольмалые токи.Рассчитаем падение напряжения AU на сопротивлении R:Д£/=1нас# = 4,8 • Ю- 13 - 1 0 1 1 - 0 , 0 4 8 В.Такое падение напряжения уже может быть зарегистрировано с достаточной степенью точности.Для специальных целей применяются ионизационные камеры,работающие в дифференциальных системах (импульсные ионизационные камеры).
Такие камеры используются, например, при регистрации осколочных ядер, обладающих большой энергией и высокойионизирующей способностью, при определении энергии а-частиц(в а-спектрометрии) и в некоторых других случаях.Электрические импульсы, возникающие при прохождении ядерныхчастиц через счетчик, достаточно велики, что, как уже пояснялось,связано с механизмом газового усиления. Поэтому счетчики можноприменять в тех случаях, когда необходимо обнаружить попаданиев детектор каждой отдельной частицы или ^-кванта. Значение параметра RC для дифференциальных систем со счетчиком как детекторомизлучения должно быть относительно мало, вследствие чего нагрузочное сопротивление подбирают равным не более чем 107—10s Ом.В заключение отметим, что приведенные рассуждения об областях60применения детекторов, работающих в дифференциальных и интегральных системах регистрации, справедливы не только для ионизационных, но и для других методов регистрации излучений (в частности, сцинтилляционных).
При проведении химических исследований сиспользованием радиоактивных индикаторов чаще всего применяютсяимпульсные детекторы — счетчики.2. Принцип работы газовых счетчиковСчетчики, работа которых основана на ионизационном методе регистрации излучений, заполняют газовой смесью определенного состава, поэтому их часто называют газовыми счетчиками. Схема включения счетчика изображена на рис.
30. Как уже говорилось, прохождение ядерной частицы через счетчик вызывает появление импульсаэлектрического тока. Этот импульс в свою очередь создает мгновенноепадение напряжения (импульс напряжения) на нагрузочном сопротивлении R. Если построить график зависимости амплитуды импульса при регистрации частицы определенной энергии от напряженияна электродах счетчика, то получится кривая, представленная нарис. 31.Как видно из сравнения рис. 29 с рис. 31, изменения силы токаи амплитуды импульса от напряжения описываются аналогичнымикривыми. В частности, при напряжении UXU2 амплитуда импульсаостается постоянной (рис.
31), что соответствует области плато ВСна рис. 29 (режим работы ионизационной камеры). Рис. 29 использовался для анализа работы токового детектора (см. §1,1 этой главы).Применительно к импульсным детекторам — счетчикам лучше говорить не о силе протекающего через нихтока, а об амплитуде импульсов, и поэтому для анализа работы счетчиковследует обратиться к рис. 31.Рассмотрим область газового усиления, соответствующую напряжениямtIо и,Рис.
30. Схема включениягазового счетчика:1 — катод; 2 — анод; 3 — изоляторы;4 — источник высокогостабилизированногонапряжения; R — нагрузочное сопротивление; С — конденсаториРис. 31. Зависимость амплитуды импульса, В прирегистрациичастицы сэнергией Е (/) и 2£ (2) отнапряжения U на электродах ионизационного детектора61U2Ub. В ней можно выделить три характерных участка. Научастке U2U3 газовое усиление обусловлено только процессами ударной ионизации.
Увеличение амплитуды импульса на этом участкенапряжений за счет газового усиления строго пропорциональночислу актов первичной ионизации. Это означает, в частности, что в любой точке на участке U2U3 отношение амплитуд импульсов, вызванных двумя различными ядерными частицами, зависит только от соотношения между энергиями, израсходованными этими частицами внутри детектора. Счетчик, работающий в области напряжений U2U3,называют пропорциональным, а саму область напряжений U2U3 —областью пропорциональности.
На участке напряжений U3U± амплитуда импульса продолжает увеличиваться. Хотя она по-прежнемузависит от числа актов первичной ионизации, но прямая пропорциональность нарушается. Участок напряжений U3U4 называют областью ограниченной пропорциональности.При росте напряжения выше (У4 газовое усиление обусловлено нетолько ударной ионизацией, но и, во все возрастающей степени, процессами фотоэффекта. Амплитуда импульса в данной области напряжений перестает зависеть от числа первично образующихся ионов и,следовательно, от энергии регистрируемых частиц. Например, одинакт первичной ионизации может вызвать в этой области такой же импульс, как и 1000 первичных актов. Область напряжений U^Ub называют областью Гейгера, а счетчики, работающие при таких напряжениях, — по имени их создателей счетчиками Гейгера — Мюллера.Независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующей частицы делает счетчики Гейгера — Мюллера особенно удобными длярегистрации Р-частиц, обладающих непрерывным спектром энергий.Счетчик обычно представляет собой металлический цилиндр, играющий роль катода, по оси которого натянута металлическая нить —анод.
Радиусы катода и анода сильно различаются между собой —первый составляет, как правило, 1—2 см, второй •— несколько сотых миллиметра. Напряженность электрического поля вблизи нитина 2—3 порядка выше, чем около стенок цилиндра, и поэтому становится возможным подобрать такие напряжения, при которых областьгазового усиления охватывает только ближайшее к нити пространство. С ростом напряжения на электродах счетчика область газовогоусиления постепенно расширяется от нити к катоду, поэтому амплитуда импульса увеличивается с ростом напряжения на детекторе.3. Счетная характеристика счетчиковИтак, амплитуда импульса, возникающего в счетчике под действием ионизирующей частицы, зависит от напряжения на электродах,а для пропорциональных счетчиков - и от энергии частицы. Подаваемое на счетчик напряжение всегда колеблется в некоторых пределах, а энергии отдельных частиц могут сильно различаться междусобой (например, у |3-радиоактивных нуклидов).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
