2. Принципы работы детекторов ионизирующих излучений
Детекторами называются приборы, применяющиеся для обнаружения ионизирующих излучений, измерения их энергии и других свойств. Детектор является важнейшим элементом большинства приборов и сложных установок, предназначенных для измерения исследуемых излучений.
Принцип работы детектора в значительной степени определяется характером эффекта, вызванного взаимодействием излучения с веществом детектора, а детектирование излучений связано с обнаружением и измерением этого эффекта. Как известно, прохождение ионизирующих излучений через вещество сопровождается потерей их энергии в различных процессах взаимодействия. Детектор преобразует поглощенную в нем энергию в какой-либо другой вид энергии, удобный для регистрации. Обычно применяются такие детекторы, в которых энергия излучения преобразуется в электрический сигнал.
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 ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.
Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство (рис. 6) и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик) 1, усилитель ионизационного тока (электрическая схема, включающая электрометрическую лампу 2, нагрузочное сопротивление 3 и другие элементы), регистрирующее устройство 4 (микроамперметр) и источник питания 5 (сухие элементы или аккумуляторы).
В ионизационной камере электроны и положительные ионы, образованные излучением, под действием сил электрического поля перемещаются к соответствующим электродам, что приводит к появлению тока во внешней цепи. Величина этого тока может служить мерой ионизационного эффекта.
Рис. 6. Схема прибора, работающего на ионизационном методе
В газоразрядном счетчике в отличие от ионизационных камер используется эффект газового усиления за счет вторичной ионизации, в результате которого число электронов и положительных ионов, достигающих соответствующих электродов, во много раз превышает число ионов, образованных при первичной ионизации.
При прохождении ионизирующих излучений через некоторые вещества возникает флуоресценция (свечение) в результате перехода возбужденных атомов или молекул в основное состояние. Световые вспышки с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуются в электрический сигнал. Детекторы, в которых используется эффект флуоресценции, называются сцинтилляционными счетчиками.
Поглощение энергии ионизирующих излучений в веществе может вызывать различные химические реакции, приводящие к необратимым изменениям в химическом составе вещества. Измеряя «выход» химических реакций, т.е. количество вновь образованных конечных продуктов реакций, можно определить поглощенную энергию. На этом принципе основаны химические детекторы ионизирующих излучений.
Ионизирующие излучения воздействуют на чувствительные фотоматериалы, подобно видимому свету, вызывают их почернение. Поглощенная энергия излучения определяется по плотности почернения. На этом принципе основаны фотографические детекторы.
Термолюминесцентный детектор способен аккумулировать энергию ионизирующего излучения оргстеклом особого состава и выделять ее в виде света при последующем нагреве оргстекла в специальном устройстве до 300 °С. Это позволяет измерять дозу излучений в огромном диапазоне: от тысячных долей рентгена до сотен и тысяч.
Калориметрические, или тепловые, детекторы основаны на измерении количества теплоты, выделяемой в детекторе при поглощении энергии излучения. Вся энергия, поглощенная веществом, в конечном итоге превращается в теплоту, о величине которой можно судить по повышению температуры тела или по увеличению его объема.
В зависимости от того, какие из этих изменений используются для регистрации, различают ионизационные, сцинтилляционные, химические, фотографические, калориметрические и термолюминесцентные методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений.