Физические методы регистрации излучений

Физические методы дозиметрии основаны на оценке степени ионизации вещества под влиянием ионизирующих излучений, изменения его электропроводности, характера свечения и др.

В процессе ионизации вещества наступает изменение его электропроводности. Так, газы в обычных условиях практически не обладающие электропроводностью, в момент ионизации становятся хорошими проводниками электричества. Ионизационные методы дозиметрии основаны на том, что число образованных пар ионов в каком-либо определенном объеме вещества находится в прямой зависимости от количества поглощенного в нем излучения. Другими словами, мерой количества ионизирующего излучения является ионизация, которая возникает в результате поглощения энергии излучения в веществе.

Ионизационный метод регистрации излучений основан на регистрации ионов, образуемых ионизирующими излучениями в облучаемой среде. В качестве облучаемой среды используют газ, заключенный в ограниченном объеме, — ионизационном детекторе излучений. Применяют три вида ионизационных газовых детекторов излучения: ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, газоразрядные детекторы (счетчики Гейгера—Мюллера).

Газоразрядные детекторы.

Действие большинства детекторов основано на обнаружении эффекта от ионизации или возбуждения атомов или молекул вещества ионизирующим излучением. К детекторам, основанным на обнаружении эффекта от ионизации в газе, относятся газоразрядные детекторы. Эти приборы состоят обычно из двух электродов, пространство между которыми заполнено газом. Питание их осуществляется от стабилизированных выпрямителей. Подаваемые напряжения не влияют на ионизационную способность регистрируемых частиц, а лишь обеспечивают условия как для сбора созданных первичной частицей ионов, так и для дополнительной ионизации газа.

В зависимости от подаваемого напряжения двухэлектродный промежуток работает в режиме ионизационной камеры, пропорционального счетчика или счетчика Гейгера-Мюллера.

Ионизационные камеры — это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующих участку 1, называемому областью ионизационной камеры.

Частица, пролетая в пространстве между электродами, ионизирует атомы и молекулы газа. Затрачивая энергию Е, она создает Nо пар ионов (электрон — положительный ион). Связанные с ними заряды обоих знаков имеют величину qo каждый. Если за время t в объем камеры влетело n таких частиц, то суммарный заряд Qo каждого знака, вызванный ими, будет:

.

где I-энергия ионизации атома (молекулы) газа в межэлектродном пространстве.

Если напряжение между электродами равно нулю, то возникшие ионы быстро рекомбинируют, в результате чего система возвращается в исходное состояние. Приложенное к электродам напряжение создает электрическое поле, которое:

• а) вызывает направленное движение ионов каждого знака в сторону соответствующего электрода,
• б) увеличивая скорость ионов, уменьшает вероятность их рекомбинации в объеме.

В результате через разрядный промежуток проходит ток, растущий при увеличении напряжения U. Начиная с некоторой разности потенциалов U1, все образованные в объеме ионы собираются на электродах. Достигается ток насыщения. Напряжения, при которых в цепи детектора течет ток насыщения, являются рабочими напряжениями ионизационной камеры (участок I). Трудности, связанные с измерением тока в цепи ионизационной камеры или зарядов, собираемых на ее электродах, станут очевидными, если оценить эти величины.

Для инертных газов I=30−40 эВ, в случае n=1 и Е=1МэВ, величина N0=3 10, а Q0=5 10−15 Kл. Таким образом, созданный в объеме заряд мал. Если t=1c, то максимальный средний ток I, протекающий в цепи, равен I=5 10−15А. Этот же заряд, попадая на обкладки конденсатора, изменяет разность потенциалов между ними на величину U=Q0/С. Для С=10 пФ U=5 10−4 В. Таким образом, измерение связано с регистрацией очень малых токов и напряжений и представляет известные трудности.

Пропорциональные счетчики — это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующие участку II, называемому областью пропорционального счета. В этих приборах первично созданные ионы обоих знаков за счет энергии электрического поля вызывают на пути к электродам дополнительную ионизацию газа. Очевидно, граничное напряжение между областью ионизационной камеры и областью пропорционального счета создает такое электрическое поле, в котором электроны на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа, наполняющего счетчик. Если каждая созданная первичной частицей пара ионов на пути к электродам образует К новых пар ионов, то общий заряд Q0' каждого знака, возникающий в объеме в результате пролета одной частицы, будет Q0'=KeE/ I, где К — коэффициент газового усиления.

Коэффициент газового усиления в области пропорционального счета зависит лишь от приложенного напряжения. Поэтому при данном напряжении импульс на выходе счетчика пропорционален энергии, затраченной частицей на ионизацию. Горящий в пропорциональном счетчике несамостоятельный разряд прекращается при устранении ионизирующего облучения.

Широко распространены цилиндрические пропорциональные счетчики, в которых возле анода, изготовленного в виде тонкой нити, создается сильное электрическое поле. Вторичная ионизация, происходящая в этой области, обуславливает усиление тока.

Счетчики Гейгера-Мюллера — это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующих участку IV, называемому областью Гейгера.

Для того чтобы создать необходимые условия для развития самостоятельного газового разряда при сравнительно невысоких напряжениях, рационально использовать неоднородные электрические поля и низкое давление газа. Поэтому счетчики Гейгера-Мюллера изготавливают в виде цилиндрического катода, по оси которого расположен тонкий проволочный анод. В отличие от ионизационной камеры и пропорционального счетчика, в счетчике Гейгера-Мюллера величина тока не зависит от количества первично созданных ионов, а обуславливается приложенным напряжением U и величиной сопротивления, включенного последовательно в цепь разрядного промежутка. Таким образом, счетчик Гейгера-Мюллера пригоден лишь для счета частиц.

Возникающая в таком счетчике пара ионов, приобретая энергию в электрическом поле межэлектродного промежутка, расходует ее на ионизацию атомов и молекул, заполняющих объем. Положительные ионы, попадая на катод, вырывают из него электроны (вторичная ионно-электронная эмиссия). Излучаемые возбужденными атомами кванты ультрафиолетового света также вырывают с поверхности катода электроны (фотоэффект). Таким образом, с поверхности катода в объеме счетчика идет поток электронов, ионизирующих газ. При этом вновь возникают как положительные ионы, так и кванты ультрафиолетового излучения, и все процессы повторяются. В счетчике зажигается самостоятельный разряд.

Для того чтобы прибор мог раздельно регистрировать пролетающие одну за другой частицы, необходим разряд, вызванный каждой из них, погасить. Из всех известных методов гашения наиболее приемлемы те, в которых устраняются механизмы, поддерживающие разряд: фотоэффект и вторичная ионно-электронная эмиссия. Это достигается введением в газовый наполнитель счетчика гасящих добавок: многоатомного газа или галоида.