Ионизационные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Ионизационным называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные 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 ионизирующим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение U, то ионы газа образуют ток. ВАХ камеры при некоторой постоянной интенсивности излучения приведена на рис. 4.51, б. Пока напряжение и ток малы, а количество ионов значительно больше, чем необходимо для обеспечения этого тока, ток возрастает пропорционально напряжению. С увеличением напряжения пропорциональность нарушается и при изменении напряжения от U_A до U_B 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 U_B, то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей, а также и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участке АВ ВАХ. С увеличением излучения ток камеры возрастает.

Конструкция камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц. При работе с a -частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры.

Газоразрядные счетчики представляют собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем U_B на рис. 4.51, б. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный балахон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволока – анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытия – катод. Прикладываемое 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 и энергия возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает настолько, что электрон становится способным сам ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 10^{3 -104}, а иногда более чем в 10⁶ раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным газовым разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее прекращении. Как и в ионизационных камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения.

К электродам счетчика Гейгера–Мюллера подается еще 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 быть погашен. Гашение производится либо специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процессов, происходящих внутри его. Счетчики первого типа называются несамогасящимися, второго – самогасящимися. Самогасящиеся 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 от энергии ионизирующих агентов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов.

Ионизационные камеры и газоразрядные 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^{-10 – 10-15} А. Для его измерения последовательно с преобразователем включают нагрузочное сопротивление порядка 10^{9 – 1010} Ом и напряжение на нем измеряют с помощью усилителя постоянного тока. У пропорциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядок 10В.

В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда импульсов тока ионизационной камеры и пропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ионизирующим 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) – это ионизационный преобразователь, представляющий собой монокристалл полупроводника (германия) с р-i-n - переходом. Проводящий слой с собственной проводимостью (i -проводимостью) выполнен путем диффузии лития в монокристалл германия. Измеряемое излучение ионизирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости. Под действием напряжения, приложенного к р– и n- слоям, возникает импульс тока. Число носителей, а следовательно, и амплитуда импульса тока пропорциональны энергии излучения, средняя их частота пропорциональна интенсивности. Характеристики полупроводникового детектора подобны характеристикам пропорционального счетчика.

Сцинтилляционный счетчик состоит из 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 излучения, поглощенной сцинтиллятором, их средняя частота – интенсивностью излучения.

Особенности применения ионизационных преобразователей. Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо меченые атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для изучения поведения веществ 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 неэлектрических величин, таких, как толщина материала, уровень жидкости, расход жидкости и пр. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины.

Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые обеспечили их распространение. Эти приборы 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 проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится 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 (сцинтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают ионизационные приборы практически безопасными.

Приборы, использующие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате естественного радиоактивного распада интенсивность излучения уменьшается, так что

(4.152)

где J₀ – начальная интенсивность; Т _{0,5 –} период полураспада источника излучения.

Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность

(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 импульсов преобразователя имеет непериодический, случайный характер. Если время подсчета импульсов мало, то количество импульсов может сильно различаться при повторении измерений даже при неизменных условиях. При увеличении времени подсчета происходит усреднение, и относительная вариация показаний прибора и погрешность уменьшается.