Страница 16 из 19
2. Ионизационные методы
В основе ионизационных методов регистрации лежит измерение электропроводимости вещества (в частности, газа), обусловленной его ионизацией при взаимодействии ядерных излучений со средой. Энергия, расходуемая на образование в воздухе одной пары ионов обоих знаков, постоянна для любого вида излучения и равна приблизительно 34 эВ. На основании этого можно подсчитать число пар ионов, образующихся при прохождении частицы с определенной начальной энергией. Так, например, при прохождении β-частицы с начальной энергией 1,7 МэВ образуется 1,7 • 106/34 =5 104 пар ионов.
Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, наполненные газовой смесью определенного состава. Внутри баллона находятся хорошо изолированные друг от друга металлические электроды. Такие детекторы различаются в зависимости от области напряжений, в которой они работают, поэтому следует познакомиться с особенностями регистрации излучения при разных напряжениях на электродах детектора.
Ионы, возникающие после прохождения ионизирующей частицы через внутренний объем детектора, под действием электрического поля перемещаются к электродам, обусловливая тем самым появление электрического тока в цепи детектора. Зависимость силы тока от приложенного на электроды напряжения представлена на рис. 1.14. Участок 0В графика соответствует области напряжений, в которой увеличение напряжения приводит к росту скорости перемещения ионов в межэлектродном пространстве. Вследствие этого уменьшается вероятность их рекомбинации и ток в цепи возрастает. По мере дальнейшего увеличения напряжения наступает момент (напряжение (Ub), когда все образующиеся непосредственно под действием ионизирующих частиц ионы оказываются в состоянии достичь электродов и дальнейшее увеличение напряжения от Ub до Uc не приводит к росту силы тока в цепи.
Ток, соответствующий этой области напряжений, называют током насыщения (участок ВС). Если напряжение на электродах и дальше увеличивать, то сила тока вновь начинает возрастать, причем значительно быстрее, чем на участке 0В.
Это новое возрастание сначала (при напряжениях, не намного превышающих Uc) вызвано только процессом так называемой ударной ионизации, заключающимся в том, что первично образующиеся ионы приобретают в электрическом поле детектора энергию, достаточную для осуществления при соударениях новых актов ионизации атомов и молекул. Заметим, что ионы, образовавшиеся при ударной ионизации, в свою очередь могут вызвать ионизацию нейтральных атомов и молекул.
Рис. 1.14. Зависимость тока i в ионизационном детекторе от приложенного к электродам напряжения
При дальнейшем росте напряжения соударения ионов с молекулами начинают приводить не только к ионизации, но и к возбуждению молекул. Возбужденные молекулы, возвращаясь в основное состояние, испускают кванты света. Энергия этих квантов достаточна, чтобы обусловить выход электронов с анода и катода в результате фотоэффекта. Электроны, вылетающие с анода, под действием электрического поля быстро возвращаются на анод, а электроны, покинувшие катод, перемещаются к аноду и участвуют в процессах соударения с молекулами и атомами газа, вызывая образование новых ионов. Фотоэффект имеет место не только на электродах, но и на компонентах газовой смеси. В итоге в рабочем объеме детектора образуется так называемый пространственный разряд, вследствие чего сила тока, проходящего через детектор, оказывается намного выше тока насыщения. Область CD называют областью газового усиления. Для характеристики газового усиления служит коэффициент газового усиления kгу
kгу = nобщ/nп,
где nобщ – общее число ионов, образовавшихся в детекторе под действием ядерной частицы; nп – число первичных ионов.
При достижении напряжения Ud в детекторе возбуждается самостоятельный разряд и сила тока скачкообразно возрастает. Отметим, что подавать на детектор напряжение, равное или большее, чем Ud, нельзя, так как любой детектор, в котором был возбужден самостоятельный разряд, быстро выходит из строя.
Для регистрации излучения используют две области напряжений: область UbUc, соответствующую току насыщения, и область UcUd в которой имеет место газовое усиление. Детекторы, работающие в первой области, обычно называют ионизационными камерами, во второй – счетчиками. Оба эти типа детекторов используются в различных системах регистрации ядерных излучений.
Системы регистрации могут предназначаться для регистрации либо отдельных ядерных частиц или γ-квантов (дифференциальные системы), либо для регистрации потоков ядерных излучений (интегральные системы). С точки зрения радиотехники различие между обеими системами связано с разными скоростями cтекания заряда с электродов детектора. Цепь, в которую включен ионизационный детектор, имеет эффективную емкость С и сопротивление R. При прохождении ионизационного тока накопленный на электродах заряд разряжается на сопротивлении R цепи. Время, за которое заряд на электродах 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 двумя последовательными попаданиями ядерных частиц в детектор, то достигается стационарный режим и вся система регистрирует наличие некоторого постоянного тока в цепи. Наоборот, если RC относительно мало, 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 интегральных систем регистрируемый ток должен быть прямо пропорционален числу попавших в объем детектора ядерных частиц или γ-квантов. Такая пропорциональность существует только при регистрации токов насыщения.
Обычно ионизационный ток, вызываемый прохождением 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 сложную проблему, поэтому ионизационные камеры обычно включают в интегральные системы регистрации. Такие приборы (токовые ионизационные камеры) нашли широкое применение для дозиметрии γ- и β-излучений высокой проникающей способности.
Для того чтобы обеспечить возможность работы ионизационной камеры 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 малые токи, протекающие через ионизационную камеру, создают падение напряжения на сопротивлении, составляющее около 1 В, которое относительно просто зарегистрировать.
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 высокой ионизирующей способностью, при определении энергии α-частиц (в α-спектрометрии) и в некоторых других случаях.