Ионизационные камеры. Устройство. Принцип работы.

Детектор является основным элементом приборов, служащих для обнаружения и измерения количественных характеристик радиоактивного излучения. Детектирование основано на регистрации эффектов, которые вызывает излучение при прохождении через вещество.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРА:

• Эффективность регистрации – отношение числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц прошедших через детектор.

• Разрешающая способность определяется минимальным промежутком времени между двумя последовательными актами регистрации, в течение которого детектор нечувствителен к излучению.

• Время восстановления - интервал времени, в течение которого детектор, зарегистрировав одну частицу (квант) успевает вернуться в исходное состояние для регистрации следующей частицы.

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ:

• Ионизационный метод;

Основан на обнаружении ионизации атомов под действием ионизирующих излучений

• Газоразрядный метод (пропорциональный счётчик и счётчик Гейгера-Мюллера).

• Фотографический метод;

Основан на потемнении фотоэмульсии под действием ионизирующих излучений.

• Химический метод;

Основан на изменении структуры вещества под действием ионизирующих излучений.

• Cцинтилляционный;

Основан на изменении интенсивности световых вспышек в люминесцирующих веществах при прохождении через них ионизирующих излучений.

В зависимости от подаваемого напряжения детектор может работать в режиме ионизационной камеры, пропорционального счётчика и счётчика Гейгера-Мюллера.

Простейшим ионизационным детектором является ионизационная камера, представляющая собой конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин, пространство между которыми заполнено каким-либо газом до заданного давления. К электродам прикладывается напряжение порядка 100 вольт, что соответствует 1 участку ВАХ. При отсутствии ионизирующего излучения промежуток между электродами является диэлектриком и ток в цепи отсутствует.

При действии ионизирующего излучения между электродами происходит ионизация молекул и атомов газа и образование положительных и отрицательных ионов. Отрицательные ионы движутся к положительному электроду, а положительные ионы наоборот. В цепи возникает ток. Напряжение между электродами подбирается таким, чтобы все образовавшиеся ионы достигли электродов, не успев рекомбинироваться, но и не разогнались бы до такой степени, чтобы вызвать вторичную ионизацию.

Размеры камеры и давления газа в ней подбираются таким образом, чтобы исследуемое излучение теряло в рабочем объеме камеры всю свою энергию или как можно большую ее часть.

В зависимости от формы электродов ионизационные камеры подразделяются на плоские, цилиндрические и сферические.

Электроды плоской камеры обычно выполняют в виде дисков, диаметр которых в несколько раз превышает расстояние между ними. Их размещают в плоской металлической коробке, служащей корпусом ионизационной камеры. Одна из пластин является собирающим, а вторая - высоковольтным электродом.

Цилиндрическая камера (рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса, служащего высоковольтным электродом, по оси которого смонтирован коаксиальный цилиндр (стержень) - собирающий электрод. Высоковольтный электрод заключают в электростатический экран, который защищает камеру от воздействия внешних электрических полей, предохраняет ее от механических повреждений, а персонал - от поражения электрическим током. Длина цилиндрической камеры, как правило, больше ее диаметра.

Рис. 1. Конструкция цилиндрической ионизационной камеры:

• 1 - собирающий электрод; 2 - высоковольтный электрод;
• 3 - электростатический экран; 4 - изоляторы; 5 - охранное кольцо

Сферическая ионизационная камера (рис. 2) применяется в экспериментальной физике для регистрации нейтронов. Сферический корпус наполняют изотопом Не под большим давлением. Центральным электродом (собирающим) служит металлический шарик, вводимый на стержне в центр сферы.

Рис. 2. Конструкция сферической ионизационной камеры: 1 - корпус; 2 - изолятор; 3 - собирающий электрод

В ряде случаев в конструкции ионизационных камер вводят дополнительные электроды, предназначенные для выполнения всякого рода вспомогательных функций.

Ионизационные камеры могут работать в токовом и импульсном режимах. Режим работы обеспечивается электрической схемой включения, конструкцией и наполнением. Многие типы ионизационной камеры, включенные в соответствующую электрическую схему, могут работать как в токовом, так и в импульсном режимах.

Импульсной камерой регистрируют отдельные заряженные частицы при условии, что моменты попадания в камеру отдельных частиц будут разделены промежутками времени, превышающими время сбора носителей заряда, образованных предыдущими частицами. В этом случае порция заряда, накопленная на электродах за счет сбора образованных частицей ионов, обусловливает кратковременное, импульсное протекание тока в электрической цепи.

Ионизационные камеры просты в эксплуатации, характеризуются высокой эффективностью регистрации, но недостатками является низкая чувствительность. Напряжение, подаваемое на электроды ионизационной камеры должно составлять порядка 100 В.

Обычно в качестве радиатора применяют материалы, содержащие изотоп бора 10В, который при поглощении нейтрона распадается на ядро изотопа лития 7Li и а-частицу или изотоп 235U, который при поглощении нейтрона распадается на два осколка деления, также являющихся ионизирующими частицами. За последние годы в качестве радиатора чаще используют «невыгорающие смеси» из двух или трех изотопов, в которых выгорание одной из компонент смеси в результате взаимодействия с нейтроном компенсируется образованием другого изотопа, способного взаимодействовать с нейтронами.