Область ионизационных камер.

По мере увеличения напряжения на электродах ток растет, и, наконец, разность
потенциалов достигает такой величины, при которой практически все ионы, образованные
в чувствительном объеме детектора, достигают электродов. Дальнейшее увеличение разности
потенциалов не вызывает роста тока через детектор. В вольтамперной характеристике
наблюдается плато, а ток через детектор в этом случае принято называть током насыщения.

Область газоразрядных счетчиков (область ударной ионизации).

С увеличением напряженности электрического поля скорость дрейфа ионов будет
возрастать. При достижении определенной разности потенциалов кинетическая энергия
ускоренных в электрическом поле электронов на участке между двумя соударениями достигает
величины, при которой электрон сможет вызвать ионизацию нейтрального атома. Вновь
образованные электроны также будут ускоряться в электрическом поле и производить
ионизацию атомов, таким образом возникает лавинообразный процесс.

Область ударной ионизации имеет несколько подобластей, которые подробно будут
рассмотрены далее.

Ионизационные детекторы, работающие в области Π (ионизационные камеры),
регистрируют суммарную ионизацию и используются для измерения энергии, переданной
облучаемому веществу. Ионизационные детекторы, работающие в области Ш (газоразрядные
счетчики) используются в основном для определения количества радиоактивных веществ

Ионизационные камеры.

По конструкции ионизационные камеры подразделяются на цилиндрические, плоские
и сферические.

При конструировании и изготовлении ионизационных камер большое значение имеет
выбор изоляционного материала между электродами. В качестве изолятора используются
слюда, янтарь, фарфор, фторопласт и другие материалы.

Собирающий электрод в зависимости от применения изготовляется из вольфрама, стали,
сплавов металлов, а корпус камеры — из меди, латуни, нержавеющей стали, графита, алюминия
и др.

По назначению различаются ионизационные камеры для α-, β-, γ- и нейтронного
излучений, α- и β-ионизационные камеры имеют специальное входное окно, закрытое
тонкой пленкой слюды или алюминиевой фольги. Толщина пленок должна быть значительно
меньше пробега α-частиц в слюде и β-частиц в фольге, γ-излучение регистрируется по
электронам, образовавшимся в результате его взаимодействия с веществом. Ионизационные
камеры для γ-излучения бывают двух типов: нормальные (или камеры со свободным газом)
и стеночные. В качестве нормальных камер применяют плоские открытые и цилиндрические,
корпусом которых служит редкая сетка из тонкой металлической проволоки. Ионизацию
воздуха в нормальной камере вызывают электроны, возникающие при взаимодействии
γ-излучения на расстоянии от камеры, равному пробегу электронов. Нормальные камеры
используются для градуировки других ионизационных камер γ-излучения. В стеночных
ионизационных камерах ионизацию газа-наполнителя вызывают электроны, возникающие
в стенках камеры.

Если материал корпуса ионизационной камеры имеет атомный номер, близкий к
эффективному атомному номеру воздуха, заполняющего рабочий объем камеры, то его
называют воздухо-эквивалентным, а ионизационную камеру с такими стенками — воздухо-
эквивалентной ионизационной камерой.

Поскольку для целей дозиметрии важно измерять энергию, переданную ионизирующим
излучением живой ткани, которая по своему эффективному атомному номеру близка к
воздуху, воздухоэквивалентность детектора имеет важное значение

B ионизационных камерах ток насыщения однозначно связан с числом лар ионов,
образованных излучением в чувствительном объеме камеры Так при равномерной по
объему камеры ионизации

(7.15)

где N₀ — число пар ионов, образованных излучением в 1 см³ объема камеры за единицу
времени;

V — чувствительный объем камеры,

е — заряд электрона,

Р_эксп — мощность экспозиционной дозы излучения;

W₀ — 33,85 эВ — средняя энергия новообразования

Количество электричества (заряд образованных ионов) для камеры, заполненной воздухом.

(7.16)

где D_эксп — экспозиционная доза излучения

Таким образом, из формул видно, что ток насыщения в камере пропорционален мощности
экспозиционной дозы, а полное количество электричества, образованное в камере за некоторое
время, пропорционально экспозиционной дозе излучения за то же время.

На практике такой способ определения мощности дозы имеет некоторые недостатки. Так
для ионизационной камеры с чувствительным объемом 10^-3 м³, значение ионизационного
тока при мощности дозы 2,8 мбэр/ч равно 2,6 ^. 10^-13A, поэтому схема, содержащая
ионизационную камеру, неизбежно должна содержать блок усиления слабых сигналов

Ионизационные камеры, которые служат для измерения суммарного ионизационного
эффекта, называются токовыми или интегрирующими камерами. Камеры, которые служат
для измерения отдельных ионизирующих частиц, называют импульсными камерами.
У токовых камер сопротивление входной цепи значительно больше, чем у импульсных
(10¹⁵Ом и 10⁸ Ом соответственно) и следовательно больше постоянная времени — время,
за которое заряд, накопленный на собирающем электроде, разрядится до первоначального
значения (10⁴сек и 10^-3сек соответственно).

Токовая ионизационная камера, ионизация в чувствительном объеме которой создается
электронами, возникающими в результате взаимодействия γ-квантов с воздухом, называется
бесстеночной камерой.

Токовая ионизационная камера, ионизация в чувствительном объеме которой создается
вторичными электронами, возникающими в результате взаимодействия γ-квантов со стенками,
называется стеночной камерой.

Материал и толщина стенок влияют на зависимость чувствительности камеры от энергии
излучения. Этот нежелательный эффект можно устранить изготовлением стенок из
воздухоэквивалентных веществ, таких как плексиглас, полистирол и т. п. Однако, поскольку
изготовление и практическое использование камер с такими стенками затруднено, часто
используют камеры со стенками из алюминия. У таких камер ход с жесткостью отсутствует
при энергии излучения выше 200 кэВ.

Энергетическая зависимость чувствительности камер с воздухоэквивалентными и
алюминиевыми стенками приведена на рисунке 7.5.

Рис. 7.5. Энергетическая зависимость чувствительности для ионизационного детектора с
воздухоэквивалентными и алюминиевыми стенками.

 

Одной из широко применяемых разновидностей ионизационных камер является так
называемая конденсаторная камера. Конденсаторная камера заряжается до определенной
начальной разности потенциалов. Под действием излучения ионы, образовавшиеся в газовом
объеме камеры, разряжают ее. Соответствующее изменение разности потенциалов
пропорционально дозе излучения. Преимуществом конденсаторных камер является их более
высокая чувствительность.

Еще большей чувствительностью к ионизирующему излучению обладают газоразрядные
счетчики. По принципу устройства газоразрядные счетчики не отличаются от ионизационных
камер. Отличие состоит лишь в величине напряженности электрического поля между
электродами, которое приводит к возникновению в чувствительном объеме детектора газового
усиления.

Главной характеристикой этого процесса является коэффициент газового усиления
численно равный отношению количества ионов, пришедших на собирающий электрод, к
общему числу первоначально образованных ионов. В зависимости от конструкции счетчика
и приложенного напряжения коэффициент газового усиления может достигать 10⁷. Различают
несколько типов газоразрядных счетчиков. Для понимания их различий рассмотрим
вольтамперную характеристику. В целях большей наглядности будем рассматривать
вольтамперные характеристики для α и β - частиц.

I — область Ома,

II — область насыщения,

III— область пропорциональности,

IV— область ограниченной пропорциональности,

V — область самостоятельного разряда (область Гейгера),

VI— область непрерывного разряда

Рис. 7.5. Зависимость амплитуды импульсов от напряжения для раз личных
режимов работы ионизационного детектора.

Первые две области мы рассматривали ранее. Отметим только, что в области насыщения
амплитуда импульса (сила тока) пропорциональна первичной ионизации, то есть энергии
заряженной частицы, поглощенной в чувствительном объеме. Поэтому амплитуда импульса
для α-частицы, образующей около 10⁴ пар на 1 см, гораздо больше, чем амплитуда импульса
для β-частщы, образующей на том же пути около 30 пар ионов.