Ионизационный метод регистрации ионизирующих излучений

Ионизационный метод - основан на измерении ионизации, возникающей в веществе чувствительного объема детектора под воздействием ионизирующего излучения. Для измерения количества ионизации к чувствительному объему ионизационного детектора прикладывается разность потенциалов. Наличие ионов увеличивает электропроводность чувствительного объема детектора, что и является измерительной информацией. В качестве ионизационных детекторов широко применяются газовые ионизационные детекторы - ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

Кроме того, находят применение полупроводниковые детекторы, в которых приложенное электрическое поле используется для собирания носителей зарядов, образованных излучением в полупроводниковом материале чувствительного объема детектора. Вольтамперная характеристика для ионизационного детектора представлена на рис. 3.1.

При движении разноименно заряженных ионов к электродам часть их может столкнуться и рекомбинировать, а другая часть под влиянием теплового движения атомов передвинуться не к электродам, а к другим конструктивным деталям камеры. По этим причинам на начальном участке вольтамперной характеристики ионизационной камеры ток отличается от значения тока на участке 3, которое соответствует собиранию на электродах всех ионов, образованных излучением в чувствительном объеме камеры. По мере повышения разности потенциалов, приложенной к электродам, все большая часть образованных излучением ионов "вытягивается" из чувствительного объема к электродам, не испытывая рекомбинацию и диффузию, и ток через камеру возрастает, несмотря на постоянство интенсивности облучения (участок 2). Когда все ионы, образованные излучением в объеме камеры, достигают электродов, ток, протекающий через ионизационную камеру, подвергаемую облучением, остается неизменным. Все образуемые излучением ионы достигают при этом электродов.

Рис. 3.1. Вольтамперная характеристика ионизационного детектора:

1 – область закона Ома; 2 – область переходная; 3 – область насыщения;

4 – область пропорциональная; 5 – область ограниченной пропорциональности;

6 – область самостоятельного газового разряда; 7 - область искровой камеры;

8 – область пробоя

Таким образом, амплитуда импульса в области насыщения пропорциональна первичной ионизации или энергии заряженной частицы, поглощенной в чувствительном объеме. Поэтому, амплитуда импульса для альфа-частицы, образующей на 1 см пути около 10⁴ пар ионов, гораздо больше, чем для бета-частицы, образующей на том же пути около 30 пар ионов.

После увеличения разности потенциалов выше области тока насыщения начинает действовать механизм газового усиления, в результате чего амплитуда импульсов от излучения пропорционально возрастает. На начальном участке этой области напряжений, где коэффициент газового усиления не зависит от амплитуды импульса, кривые зависимости тока, протекающего через газоразрядный счетчик, от приложенного напряжения идут параллельно друг другу для частиц с различной ионизацией.

Таким образом, счетчики, с помощью которых получают импульс тока, пропорциональный первичной ионизации, получили название пропорциональных, а соответствующая область напряжений - пропорциональной областью. При дальнейшем увеличении напряжения сказывается своеобразное насыщение процесса газового усиления, в большинстве случаев на нить приходит не более 10⁹ электронов, каким бы не было начальное число пар ионов. В этой области еще можно различать амплитуды импульсов, создаваемые альфа- и бета-частицами. По этой причине указанная область получила наименование области ограниченной пропорциональности.

В области самостоятельного разряда импульс тока, создаваемого счетчиком, не зависит от начального числа пар ионов, образовавшихся в чувствительном объеме счетчика. Амплитуда импульса здесь зависит только от приложенной разности потенциалов и значений конструктивных параметров счетчика. Газоразрядные детекторы, работающие в области самостоятельного разряда, называются счетчиками Гейгера-Мюллера. С помощью ионизационной камеры можно измерить суммарную ионизацию, но нельзя установить число создающих ее частиц. Счетчиком Гейгера-Мюллера можно сосчитать число частиц, не идентифицируя их природы.

Ионизационная камера - это плоскопараллельные электроды, изолированные друг от друга высоковольтным диэлектриком.

Пространство между электродами заполняется воздухом или каким-либо другим рабочим газом и является чувствительным объемом камеры. Чаще - это воздух при атмосферном давлении. На электроды подается постоянное напряжение от источника питания.

Если предположить, что в объеме камеры за каждую секунду образуется n₀ пар ионов, и ионы равномерно распределены по чувствительному объему камеры, и разность потенциалов между электродами камеры равна нулю, то ионы находятся в состоянии хаотического теплового движения. При этом они сталкиваются между собой и рекомбинируют. По истечении небольшого промежутка времени с момента начала облучения в чувствительном объеме устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость исчезновения ионов за счет рекомбинации становится равной скорости их образования за счет облучения.

Если между электродами камеры создать некоторую разность потенциалов, то под действием сил электрического поля ионы будут совершать направленное перемещение к соответствующим электродам; отрицательные будут двигаться к положительному электроду, а положительные - к отрицательному электроду. При этом часть ионов достигает соответствующих электродов и нейтрализуется на них. В цепи камеры потечет ток.

Если разность потенциалов на электродах камеры такова, что все ионы, образующиеся в объеме камеры, достигают электродов, то в цепи камеры течет максимальный при данных условиях облучения ток, называемый током насыщения. Ток в цепи камеры

i_a = q*n₀*V,

где q - заряд иона;

n₀ – число пар ионов, образующихся в сек в элементарном объеме камеры;

V - чувствительный объем камеры.

Из уравнения следует, что ток насыщения не зависит от разности потенциалов между электродами, пропорционален ионизирующему действию источника излучения и чувствительному объему ионизационной камеры. Для камеры с данным чувствительным объемом ток насыщения пропорционален только ионизирующему действию источника излучения и, таким образом, может служить его мерой.

В радиационном поле ток насыщения i_н постоянной интенсивности имеет простую связь с мощностью дозы излучения в ионизационном объеме камеры

,

где - плотность газа в камере;

- средняя энергия ионообразования.

Рис. 3.2. Вольтамперная характеристика

ионизационной камеры: 1 - начальный (омический) участок;

2 - область установившегося режима (область насыщения);

3 – промежуточная область

Умножив обе части равенства на время облучения t получим полное количество электричества Q образовавшееся в камере за время t.

Таким образом Q = f(D ), где D - доза облучения камеры.

При постоянном потоке или мощности дозы воздействующего излучения скорость ионообразования, рекомбинация ионов, их перенос под действием электрического поля и в результате диффузии, определяют вольтамперную характеристику ионизационной камеры (рис. 3.2).

Вольтамперные характеристики ионизационной камеры, полученные при различных мощностях доз воздействующего излучения, образуют так называемое семейство вольтамперных характеристик (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Семейство вольтамперных

характеристик токовой ионизационной камеры

Как видно из рисунка при большей мощности дозы ток камеры больше и насыщение наступает при более высоком напряжении на электродах.

Рабочее напряжение на электродах выбирается равным напряжению насыщения при наибольшей мощности дозы, на измерение которой данная камера рассчитана.

Если камера наполнена воздухом, имеет воздухоэквивалентные стенки, то ток насыщения камеры

I_н = 0,924*10^-13* * V,

где I_н - ток насыщения в камере, наполненной воздухом при 273 K и при давлении 1 атм;

- мощность дозы гамма-излучения, Р/час;

V - объем камеры, см³.

Как следует из формулы для конкретной камеры графическая зависимость тока насыщения от мощности дозы гамма-излучения должна выражаться прямой линией. Эта зависимость носит название нагрузочной характеристики ионизационной камеры (рис. 3.4).

При увеличении мощности дозы выше значения линейная зависимость нарушается. При > приложенного к камере напряжения питания уже недостаточно, чтобы обеспечить режим насыщения. В этих условиях ток через камеру нарастает медленнее, чем по линейному закону и поэтому нагрузочная характеристика имеет "завал". Значения мощностей доз, при которых нагрузочная характеристика линейна, то есть от 0 до , составляет диапазон измерения мощности дозы гамма-излучения.

Рис. 3.4. Нагрузочная характеристика

ионизационной камеры

Ионизационные камеры применяют не только для регистрации гамма-излучения, но и для регистрации нейтронов. Для регистрации тепловых нейтронов во внутренний объем ионизационной камеры вводятся вещества, содержащие бор или литий в виде твердых покрытий, либо в виде газа. Эти вещества называются радиаторами. Литиевые покрытия изготавливаются обычно из фтористого лития LiF, борные покрытия получают путем термического разложения карбида бора B₄C. Из газообразных соединений широко применяется трехфтористый бор B₃F. Толщины радиаторов выбираются равными длине пробега заряженных частиц, образующихся при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом радиатора. В литиевых и борных радиаторах протекают реакции захвата тепловых нейтронов ядрами лития и бора ⁶Li (n, ) ³H; ¹⁰B (n, ) ⁹Li. Образующиеся при реакциях альфа-частицы и производят ионизацию в чувствительном объеме камеры.

Ионизационные камеры для регистрации быстрых нейтронов наполняются водородсодержащим газом или имеют стенки, покрытые водородсодержащим материалом с внутренней стороны.

В качестве газовых радиаторов применяют водород, дейтерий и другие газообразные соединения. Твердые радиаторы выполняются из полиэтилена, полистирола, бакелита и т.д. Толщины твердых радиаторов сравнимы с длиной пробега протонов отдачи в веществе радиатора и, как правило, не превышают 100…200 мкг/см². Ионизационные камеры с газообразным радиатором имеют более высокую эффективность регистрации нейтронов, чем камеры с твердыми радиаторами. В некоторых камерах используются одновременно твердые и газообразные радиаторы в целях повышения чувствительности и уменьшения погрешности, обусловленной энергетической зависимостью чувствительности камеры.

Газоразрядный счетчик представляет собой газонаполненный ионизационный детектор. Принципиальное отличие газоразрядного счетчика от ионизационной камеры состоит в том, что в счетчике происходит усиление ионизационного тока за счет ударной ионизации, которая имеет место в сильных электрических полях.

Появление ударной ионизации возможно тогда, когда энергия приобретенная электроном на длине свободного пробега к аноду, окажется больше энергии ионизации газа. В этом случае столкновение электрона с нейтральной молекулой газа приведет к появлению пары положительный ион и вторичный электрон. Образовавшийся вторичный электрон, в свою очередь, может приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул газа. В результате, общее число электронов будет быстро возрастать - наступает лавинообразный процесс ионизации молекул газа-наполнителя.

Разряжаясь на соответствующих электродах, электроны и положительные ионы образуют импульс тока в цепи счетчика и, соответственно, импульс напряжения на его электродах. В качестве наполнителей газоразрядных счетчиков в большинстве случаев используются благородные газы - аргон и неон. Воздух в качестве наполнителя не используется, т.к. входящий в него кислород легко образует с электронами малоподвижные отрицательные ионы.

Мерой увеличения ионизационного эффекта газоразрядного счетчика служит коэффициент газового усиления. Полный коэффициент усиления равен отношению полного числа пар ионов n, образованных за счет газового усиления, к первоначальному числу пар ионов n₀ образованных в счетчике заряженной частицей M = n / n₀.

Коэффициент газового усиления M, а соответственно, и амплитуда импульса тока (напряжения) газоразрядного счетчика сложным образом зависит от напряжения на его электродах. На характер этой зависимости оказывает влияние и величина начальной ионизации n.

В зависимости от величины напряжения различают (рис. 3.1) несколько режимов работы счетчика:

а) импульсной ионизационной камеры;

б) пропорциональности;

в) ограниченной пропорциональности;

г) самостоятельного разряда;

д) коронного разряда;

е) искрового разряда.

Конечной стадией газового разряда, возникшего в результате ударной ионизации и вторичных процессов ионизации газа, является нейтрализация положительных ионов на катоде. Однако, в счетчиках с инертным газом, разряд после нейтрализации положительных ионов на катоде не прекращается и, если не принять специальных мер, будет продолжаться непрерывно.

Повторные разряды вызываются свободными электронами, которые вырываются ионами из материала катода. Это обусловлено тем, что возбужденные атомы катода переходя в основное состояние, испускают квант-ультрафиолетовые излучения, вызывающие фотоэффект катода с испусканием электрона, т.е. возникает вновь газовый разряд.

Такой самоподдерживающийся разряд называют самостоятельным разрядом, а область - областью самостоятельного разряда.

Естественно, что применение счетчиков с самостоятельным разрядом для регистрации ионизирующего излучения возможно только в том случае, если разряд, вызванный попавшей в чувствительный объем детектора частицей будет прекращен. В зависимости от примененного способа гашения счетчики делятся на несамогасящиеся (счетчики Гейгера - Мюллера) и самогасящиеся. В несамогасящихся - гашение разряда осуществляется радиоэлектронными схемами (внешнее гашение). Во вторых счетчиках – гашение производится с помощью специальных гасящих примесей (внутреннее гашение).

Коронный разряд возникает не под действием ионизирующего излучения, а вследствие неоднородности электрического поля. Корона у анода возникает в виде тонкого слоя светящегося газа, который называют коронирующим слоем. Носителями тока здесь являются в основном положительные ионы.

При попадании в объем счетчика сильно ионизирующей частицы, производящей значительную дополнительную ионизацию, ток в счетчике возрастает, превышая ток короны в десятки раз, наступает искровой разряд.

Зависимость скорости счета от напряжения питания счетчика, измеряемая при постоянном потоке или мощности дозы излучения и определенных параметрах измерительного устройства называется счетной характеристикой газоразрядного счетчика (см. рис. 3.5). Такие характеристики снимаются экспериментально.

При увеличении мощности дозы выше значения линейная зависимость нарушается. При > приложенного к камере напряжения питания уже недостаточно, чтобы обеспечить режим насыщения. В этих условиях ток через камеру нарастает медленнее, чем по линейному закону и поэтому нагрузочная характеристика имеет "завал". Значения мощностей доз, при которых нагрузочная характеристика линейна, то есть от 0 до , составляет диапазон измерения мощности дозы гамма-излучения.

Рис. 3.5. Счетная характеристика газоразрядного счетчика

Регистрируются только те импульсы, которые по амплитуде превышают некоторую определенную величину, называемую порогом чувствительности регистрирующей схемы.

По этой причине счетная характеристика начинается не с нуля, а с некоторого напряжения u_н, называемого началом счета, которое зависит как от типа счетчика, так и от параметров регистрирующей схемы.

При напряжении u_к амплитуда импульсов в этой области не зависит от начального ионизационного эффекта, а определяется только напряжением на электродах счетчика. Поэтому все попавшие в счетчик частицы будут зарегистрированы, а все импульсы будут иметь одинаковую амплитуду. При напряжении больше u_к быстрый подъем счетной характеристики связан с резким увеличением числа импульсов, обусловленного фотоэмиссией катода при нейтрализации положительных ионов на его поверхности.

Счетная характеристика позволяет оценивать качество счетчика и, следовательно, возможность его использования для регистрации излучения, выбрать величину рабочего напряжения, при котором счетчик работает стабильно, определить напряжение начала счета. Чем больше ширина и меньше наклон плато, тем выше качество счетчика.

Наклон плато принято оценивать относительным изменением скорости счета импульсов, выраженным в процентах на вольт изменения напряжения. Хороший результат - 0,1 % B. Рабочее напряжение u_р обычно выбирают по середине плато счетной характеристики, что обеспечивает стабильность числа импульсов при колебаниях напряжения питания счетчика.

Вероятность того, что частица или квант, попавшие в чувствительный объем счетчика, вызовут в нем процессы, позволяющие осуществить регистрацию этой частицы или кванта, называется чувствительностью счетчика.

Вследствие большой проникающей способности гамма-квантов вероятность их поглощения счетчиком очень мала и определяется поглощением их в корпусе счетчика с образованием вторичного электрона.

Отсюда, эффективность регистрации гамма-квантов счетчиками составляет от нескольких десятых до 1…3 %. Эффективность счетчика весьма сложно зависит от энергии гамма-квантов, атомного номера материала корпуса (катода) и его толщины. Эффективность нейтронных счетчиков зависит в решающей степени от принципа, который положен в основу метода регистрации нейтронов, то есть от вида реакции в радиаторе счетчика, с помощью которой энергия нейтрона преобразуется в энергию заряженной частицы. Для регистрации нейтронов в состав газа или на внутренней поверхности наносятся вещества содержащие элементы, при взаимодействии с которыми происходит образование заряженных частиц. Это могут быть элементы ¹⁰ B, ⁶ Li, ¹H и др.

Для борных счетчиков тепловых нейтронов эффективность достигает значения 10…15 % и более.

Газоразрядные счетчики (ГРС) классифицируют по режиму их работы, способу гашения разряда, по виду регистрируемого излучения и по конструкции.

По режиму работы ГРС подразделяют на:

• пропорциональные;

• ограниченно-пропорциональные;

• самостоятельного разряда;

• коронные;

• искровые.

По способу гашения разряда:

• несамогасящиеся;

• самогасящиеся.

По виду регистрируемого излучения:

• счетчики альфа-излучения;

• мягкого бета-излучения;

• жесткого бета и гамма-излучения;

• нейтронного излучения.

По конструкции:

• цилиндрические;

• орцовые.

Конструкция счетчика в основном определяется видом и энергией ионизирующего излучения. Типичная конструкция ГРС – металлический цилиндр, являющийся катодом, по оси которого натянута тонкая металлическая нить, служащая анодом. Наполнение ГРС может осуществляться галогенами и спиртом, которые входят в состав гасящей примеси.

Полупроводниковый детектор представляет собой ионизационную камеру, чувствительный объем которой является твердым телом. Ионизирующее излучение вызывает появление зарядов в полупроводнике, что приводит к изменению его проводимости. Использование твердого тела в качестве чувствительного объема вместо газа позволяет увеличить в 10⁴ раз поглощенную энергию в единице объема из-за высокой плотности вещества и уменьшения энергии образования пары носителей заряда.

Регистрация излучения полупроводниковым детектором может проводиться в импульсном и в токовом режимах.

Полупроводник при комнатной температуре имеет проводимость, промежуточную между проводимостями металла и изолятора. Это объясняется наличием в полупроводнике энергетических уровней электронов (рис. 3.6), которые состоят из большого числа так называемых зон валентных (запрещенных) и проводимости. Они и определяют электрические свойства кристалла.

Заряженные частицы поглощаясь в кристалле, передают свою энергию электронам. Электроны, получив дополнительную энергию, могут перейти из валентной зоны или из более глубоких зон в зону проводимости. В каждом таком акте затрачивается энергия, равная разности энергетических уровней. В результате этого процесса в зоне проводимости появляются свободные электроны, а в обычно заполненных валентных зонах такое же количество вакантных электронных уровней.

Наличие свободных уровней в валентной зоне делает возможным перемещение электронов этой зоны, которое, однако, зависит от движения других электронов других уровней. Такое движение электронов в валентной зоне эквивалентно движению частиц с положительным зарядом и называется движением дырки. В электрическом поле дырка ведет себя как положительный заряд, величина которого равна заряду электрона.

Рис. 3.6. Зонная модель энергетических уровней в кристалле

Введение атомов другой валентности в кристаллическую решетку полупроводника приводит к появлению примесной проводимости, которая связана с возникновением донорных и акцепторных энергетических уровней в запрещенной зоне.

Отрицательные ионы акцепторной примеси связаны в решетке кристалла и не могут двигаться во внешнем электрическом поле. Примесная проводимость, обусловленная акцепторными уровнями, определяется движением дырок в валентной зоне и называется дырочной (полупроводники р-типа).

Примесная проводимость донорных уровней обусловлена движением свободных электронов и поэтому является электронной. В соответствии с видом проводимости полупроводники с донорной примесью называются электронными (полупроводниками n-типа).

Если до облучения концентрация свободных электронов и дырок (равновесные носители электричества) равна соответственно n и p, то при облучении их концентрации увеличатся на .

Таким образом, в общем случае электропроводность в полупроводнике обусловливается электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне. После прекращения облучения исчезновение неравновесных носителей (дырок и электронов) происходит в результате их рекомбинации.

За счет большей, чем у газа в ионизационной камере плотности вещества, полупроводниковые детекторы обладают большей чувствительностью. А за счет высокой подвижности зарядов, что определяет малое время собирания их на электродах, высокую разрешающую способность.

Однако наличие начальной электропроводности кристаллов ограничивает возможность их применения в качестве детекторов излучений.

В зависимости от структуры чувствительного объема полупроводниковые детекторы подразделяются на однородные (однородный кристалл) и неоднородные (на основе n-p перехода). В дозиметрии преимущественно применяют неоднородные детекторы.

Для полупроводниковых детекторов на основе n-p перехода скорость счета импульсов и величина среднего тока пропорциональны мощности дозы или плотности потока излучения. Такой детектор может работать как в токовом, так и в импульсном режимах. Скорость счета импульсов и величина среднего тока пропорциональны мощности дозы или плотности потока излучения. То есть, такой детектор может работать как в токовом, так и в импульсном режимах. Наиболее высокая чувствительность достигается в режиме счета импульсов, который применяется при измерениях в области малых и средних мощностей доз гамма-излучения. При высоких мощностях доз используется токовый режим работы детектора.

Чувствительность детектора зависит от размеров активного объема, от атомного номера полупроводника, от геометрии измерения. Полупроводниковые детекторы обладают большой зависимостью чувствительности от энергии гамма-излучения, особенно в области малых энергий (меньше 300 кэВ). В определенной степени энергетическую зависимость чувствительности можно уменьшить применением фильтров из металлов.

Если считать, что весь заряд Q, образованный в чувствительном объеме детектора при поглощении в нем частицы с энергией E, будет собран на электродах, то максимальная амплитуда импульса напряжения u_m будет равна

где с – емкость в нагрузке детектора, состоящая из емкости детектора, емкости монтажа и емкости входного каскада усиления.

Пользуясь приведенным выражением можно показать, что при поглощении частицы с энергией 1 МэВ и реальных величинах емкости 10…100 пФ амплитуда импульсов будет находиться в пределах от долей милливольта до нескольких вольт. Этот сигнал легко может быть зарегистрирован и преобразован для дальнейшей передачи.

Небольшая длительность импульсов обеспечивает малое разрешающее время и, следовательно, высокую разрешающую способность. Позволяет их использовать для быстро протекающих процессов. Эти детекторы можно использовать для, например, схем совпадений с разрешающим временем порядка 10^-8с.

Полупроводниковые детекторы могут быть применены для измерения дозы облучения нейтронами. В детекторах образуются устойчивые радиационные дефекты, которые вызывают изменение сопротивления детектора, что может быть мерой дозы облучения. Но большая зависимость чувствительности от энергии нейтронов не дает возможности производить эти измерения при широком немоноэнергетическом спектре нейтронов.

Основными преимуществами полупроводниковых детекторов являются: линейная зависимость амплитуды импульса от поглощенной энергии, нечувствительность к магнитному полю, компактность конструкции, возможность регистрировать короткопробежные заряженные частицы при значительном фоне гамма-излучения, а также высокое энергетическое разрешение.

К недостаткам относятся: наличие собственной проводимости, изменение характеристик при больших дозах, невозможность создания чувствительной области большой толщины для полного поглощения гамма-излучения.

Главным недостатком полупроводниковых детекторов является наличие собственного шума при нормальной температуре, уровень которого увеличивается значительно при увеличении температуры окружающей среды. Поэтому они применяются при значительном охлаждении, до сотен градусов ниже нуля по Цельсию (жидкий азот – 77 К).

Наиболее полно преимущества полупроводниковых детекторов проявляются в стационарных спектрометрических установках, при диагностическом контроле основных устройств паропроизводящей установки АЭС.