Приемники ионизирующих излучений

Назначение приемников излучения состоит в преобразовании энергии ядерного излучения в электрическую энергию. Приемники излучения основаны или на явлении ионизации газов при прохождении через них ядерного излучения или люминесценции некоторых веществ под действием ядерного излучения. В качестве приемников используются:

4. Ионизационные камеры (явление ионизации)

5. Газоразрядные счетчики (явление ионизации)

6. Сцинтилляционные счетчики (явление люминесценции)

Ионизационные камеры. В ионизационной камере, заполненной газовой средой, находятся два электрода, к которым подводится напряжение. Газовая среда ионизируется под действием ядерного излучения, цепь между электродами замыкается и появляется ток.

Зависимость ионизационного тока I от приложенного к электродам напряжения U при постоянном составе и плотности газовой среды выражается кривыми, изображенными на рис.2 для разной степени ионизации. На участке 1 наблюдается линейная зависимость ионизационного тока от напряжения, затем возрастание Рис.2 Вольт-амперная характеристика тока замедляется, и на участке 2 ток ионизационной камеры достигает насыщения, являясь тем самым мерой числа возникающих под воздействием ионизации пар «ион-электрон».

При дальнейшем повышении напряжения ток снова повышается (участок 3), так как, кроме ионизации под воздействием ионизатора, появляется вторичный процесс ионизации под действием ударов быстро несущихся электронов и ионов о нейтральные молекулы.

С некоторого напряжения U₃ начинается самостоятельный разряд (участок 4). В этом режиме импульс тока на выходе ионизационной камеры не зависит от величины начальной ионизации, т.е. интенсивности излучения J.

Ионизационные камеры работают в режиме насыщения (участок 2), газоразрядные счетчики – в режиме самостоятельного газового разряда (участок 4).

Токи, получаемые на выходе ионизационных камер, обычно малы и имеют порядок 10^-9 – 10^-13 а. Ионизационные камеры используются для приема a- и b-излучений, но конструкции камер сильно зависят от вида излучений. При a-излучении источник помещается обычно внутри ионизационной камеры или при нахождении источника снаружи в месте его установки делается окно.

Камеры для b-излучения имеют значительно больший объем (1-2 л), чем камеры для a-излучения. Источник излучения располагается обычно снаружи камеры против тонкого окно, выполненного, например, из алюминия толщиной 5-10 мкм.

На рис. 3 показана конструкция a-ионизационной камеры. Электрод, к которому присоединен усилитель (сетка электрометрической лампы), называется собирающим или сеточным. Другой электрод, на который подается постоянное напряжение U от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт, называется высоковольтным электродом. Обычно этим электродом является корпус ионизационной камеры. Так как ионизационные токи весьма малы (10^-9 – 10^-12 а), то токи утечки должны быть по крайней мере на 2 – 3 порядка меньше и сопротивление изоляции сеточного электрода относительно корпуса (высоковольтного электрода) должно быть порядка 10¹¹ – 10¹⁹ ом Поэтому сеточный электрод часто окружается через изоляцию третьим электродом, - так называемым охранным электродом (кольцом), на который подается постоянный потенциал, примерно равный потенциалу сеточного электрода. Обычно этот электрод соединяется с заземленной точкой измерительной цепи. В свою очередь он тщательно изолирован от корпуса (высоковольтного электрода).

Рис.3 Альфа-ионизационная камера

Назначение охранного электрода заключается в том, что он защищает сеточный электрод от проникновения на него токов утечки от высоковольтного электрода, принимая токи утечки на себя.

Уменьшение сопротивления изоляции между охранным и сеточным электродами не вызывает заметных токов утечек, поскольку оба эти электрода находятся практически под близкими потенциалами.

Сеточный электрод внутри камеры должен иметь диаметр, несколько больший диаметра его изоляции, чтобы экранировать изоляцию от воздействия излучения, ухудшающего ее свойства. Кроме того, сеточный электрод не должен примыкать непосредственно к поверхности изоляции, так как в этом случае уменьшается ее поверхностное сопротивление.

Камеры для g-излучений значительно отличаются от камер для a- и b-излучений. Устройство ионизационных камер для g-излучений определяется как большой проникающей способностью этих лучей, так и самим механизмом взаимодействия этих лучей с веществом. Основная роль в процессе ионизации камеры g-лучами принадлежит вторичным электронам, образующимся в стенках камеры.

Рис.4 Гамма-ионизационная камера

С увеличением толщины стенок ионизация сначала быстро возрастает (растет число электронов, образованных в стенке g-лучами), а затем медленно спадает вследствие поглощения стенками g-лучей. Максимальная ионизация соответствует толщине стенок из алюминия – 1 мм, из графита – 3 мм. В качестве примера на рис. 4 показано устройство маленькой ионизационной камеры.

Для измерения ионных токов камер используются электрометрические усилители постоянного тока.

 

Газоразрядные счетчики (счетные трубки). В счетной трубке ионизационный ток усиливается за счет самостоятельного газового разряда, благодаря чему чувствительность преобразователя, работающего как спусковое устройство, резко увеличивается; это дает возможность регистрировать каждую пару ионов, образованную в трубке.

 

Рис.5 Принципиальная схема устройства ионизационной счетной трубки

Счетная трубка (рис. 5) выполняется в виде металлического или стеклянного цилиндра 1, покрытого изнутри слоем металла, проводящего ток, и заполненного аргоном, азотом или другими газами. Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута металлическая нить 2, изолированная от цилиндра; между нитью и цилиндром прикладывается напряжение. Обычно цилиндр является катодом, а нить – анодом. Трубка герметизирована в стеклянном баллоне 3.

Счетчик с самостоятельным разрядом может регистрировать отдельные акты ионизации только в том случае, если возникающий самостоятельный разряд будет гаситься до возникновения следующего акта ионизации. В зависимости от метода гашения разряда различаются медленные (несамогасящиеся) и самогасящиеся счетчики.

В медленных счетчиках (часто называемых счетчиками Гейгера-Мюллера) возникающий при ионизации разряд гасится гасящей цепью, подключенной к счетчику и уменьшающей мгновенное напряжение на электродах счетчика во время импульса.

Примером гасящей цепи является цепь, изображенная на рис. 6. Высокое напряжение подается на нить счетчика через высокоомное сопротивление, одновременно служащее нагрузкой в анодной цепи лампы. При отсутствии импульса в счетчике на сетку Рис.6 Гасящая цепь подается отрицательный потенциал, запирающий лампу. При возникновении импульса лампа открывается; напряжение на аноде счетчика и лампы падает. При уменьшении напряжения на счетчике прекращается возникший в нем разряд. После восстановления напряжения счетчик регистрирует следующий импульс.

В самогасящихся счетчиках для гашения разряда в газ, заполняющий счетчик, вводятся специальные примеси с многоатомными молекулами. Длительность импульсов самогасящихся счетчиков обычно не превышает 10^-4 – 10^-5 сек, а «мертвое время» (время, в течении которого счетчик восстанавливается после разряда) не превышает 10^-4 сек. Недостатком счетчиков с многоатомными наполнителями является их ограниченный срок службы (10⁸ – 10⁹ импульсов), в течении которого распадаются многоатомные молекулы и счетчик выходит из строя.

Особенно широкое распространение получили так называемые галогенные счетчики, заполняемые инертными газами (аргон, неон) и небольшой примесью галогенов (хлор, бром).

Отличительными особенностями этих счетчиков являются большой срок службы и относительно низкое рабочее напряжение.

Основной рабочей характеристикой счетчиков является их счетная характеристика (рис. 7), выражающая зависимость частоты импульсов f на выходе счетчика при Рис.7 Счетная характеристика постоянной интенсивности облучения от газоразрядного счетчика напряжения U, приложенного к счетчику.

Участок аб является рабочим участком и называется «плато». Чем больше плато и чем меньше его наклон, тем лучше счетчик. Галогенные счетчики имеют протяженность плато от 60 до 100 в при наклоне не более 0,125% на 1 в.

Эффективность (т.е. отношение поглощенных лучей к падающим) галогенных счетчиков очень невелика и для g-излучения составляет доли процента.

 

Таблица 2

Тип счетчика	Диаметр трубки, мм	Длина трубки, мм	Рабочее напряжение, В	Тип излучения
СТС-1	10	90	380	g
СТС-2	18	180	380	g
СТС-3	18	260	380	g
СТС-8	18	215	380	g
СГС-5	18	60	380	g
СТС-5	10	110	400	b
СБТ-7	18	--	380	b
САТ-7	25	--	360	a

 

В измерительных приборах применяются 2 режима работы счетчиков:

1) Режим среднего тока, при котором импульсы счетчика поступают на интегрирующую цепочку и измеряется средний ток счетчика;

2) Счетный режим, при котором импульсы счетчика усиливаются, формируются и поступают на счетное устройство.

В таблице 2 приведены данные галогенных счетчиков.

 

Сцинтилляционные счетчики. Принцип действия счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах (фосфорах) под действием ядерных излучений слабых световых вспышек – сцинтилляций. Свет подается на светочувствительный фотокатод и выбивает из него электроны, образующие фототок. Комбинация фосфора, фотокатода и фотоэлектронного умножителя в общем светонепроницаемом корпусе и называется сцинтилляционном счетчиком.

Для регистрации a-частиц в сцинтилляционных счетчиках в качестве фосфора часто применяется сернистый цинк, активированный серебром или медью. Излучение этого фосфора лежит в сине-зеленой части спектра. Каждая частица с энергией 10 эв дает световой выход 1 фотон, при этом практически существуют пропорциональность между световым выходом и энергией падающих на фосфор частиц. Эффективность этого фосфора к a-лучам составляет 28%. Кристаллы сернистого цинка прозрачны до толщин, характеризуемых значением .

Сернистый кадмий, активированный серебром, дает излучение с максимумом в красной области спектра, и эффективность его к a- и b-лучам достигает 20%. Длительность импульса сцинтилляции около 2*10^-4 сек. При регистрации g-лучей в сцинтилляционных счетчиках широко применяются кристаллы иодистого натрия, активированного таллием. Эффективность счетчика 75 – 85%. Длительность импульса около 0,25 мксек.