Ионизационные камеры

В основе работы некоторых измерительных преобразова­телей, в том числе ионизационной камеры, лежит явление иониза­ции газа под действием проникающего излучения, представляющее собой сложный физический процесс, зависящий от многих факто­ров, в том числе от действия электростатического поля высокой на­пряженности.

В ионизированных газах встречаются самые разнообразные ионы: положительно и отрицательно заряженные, целые молекулы или даже комплексы молекул, несущие на себе электрический заряд. В газах не происходит выделения частиц на электродах (как в электролитах); здесь ионы, теряя заряд на электродах, превращаются в нейтральные частицы и диффундируют в газе до момента, когда они вновь превращаются в ионы под воздействием электростатического поля или проникающего излучения. Одновре­менно с ионизацией в газах происходит обратный процесс реком­бинации, т. е. превращения заряженных частиц в нейтральные. Скорость направленного движения ионов в газах обусловлена на­пряженностью внешнего поля и подвижностью заряженных частиц.

Ионзационные камеры (ИК) измеряют суммарные заряды ио­нов, созданные под действием проникающего излучения в газовой среде камеры, находящейся в электростатическом поле высокой напряженности. Схема ионизационной камеры приведена на рис. VI. 1.

Камера состоит из алюминиевого корпуса, являющегося отри­цательным высоковольтным электродом. Корпус камеры покрыт электростатическим экраном, который защищает камеру от помех и механических повреждений. В центре корпуса на высококачест­венном изоляторе смонтирован собирающий (положительный) электрод. Качество изоляции во многом определяет характеристики

камеры, поэтому удельное электрическое сопротивление материа­ла изолятора не должно быть ниже 10¹²—10¹⁴ Ом-м. Чтобы умень­шить погрешность измерений, возникающую под действием поверх­ностных токов утечки, на изоляторе устанавливают охранное коль­цо, на которое подается положительный потенциал.

Проникающее излучение вызывает ионизацию газа, заполняю­щего ионизационную камеру, и в ее электрической цепи появляет­ся ток, величина которого определяется числом ионов, нейтрали­зующихся в единицу времени на электродах камеры. Зависимость ионизационного тока / от приложенного напряжения U приведена на рис. VI.2.

На участке от 0 до U_A величина ионизационного тока при ка­ком-либо постоянном значении интенсивности излучения пропор­циональна величине приложенного напряжения. Эта область назы­вается областью усиленной рекомбинации, или областью, подчи­ненной закону Ома. Здесь число пар ионов, уносимых током из газа, мало по сравнению с числом рекомбинирующихся ионов. Наклон характеристики на этом участке обусловлен давлением в камере. Действительно, чем выше давление, тем меньше длина •свободного пробега носителя заряда и тем выше вероятность ре­комбинации.

Участок Uа — ^_Б соответствует области непрямой пропорцио­нальности. Увеличение приложенного напряжения нарушает здесь равновесие концентрации ионов, и плотность тока начинает расти, но медленнее, чем увеличивается напряжение.

Далее напряжение достигает величины, при которой рекомби­нация становится маловероятной, и все образованные излучением ионы начинают доходить до электродов. Плотность тока в этом случае не зависит от величины приложенного напряжения и опре­деляется только числом ионов, образованных излучением. Это зна­чение тока называется током насыщения ИК и является мерой излучения. Току насыщения соответствует область U_B-— U_B, кото­рая является рабочей областью.

Участок Uв—U_r соответствует началу процесса вторичной ионизации, когда некоторые ионы .приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом ионизировать его. Участок U_r — (7_Д соответствует области про­порционального увеличения ионизационного тока от приложенного напряжения и носит название области газового усиления. Здесь, как и на участке U_B — U_r> увеличение плотности тока происходит в результате вторичных процессов.

Помимо давления, на величину ионизационного тока влияет изменение температуры и влажности газа, содержащегося в ИК, что обусловливается изменением плотности газа и, следовательно, изменением коэффициента рекомбинации.

Величина тока насыщения ИК зависит от интенсивности излуче­ния и составляет 10~^п—10~¹⁵ А; это объясняет, почему для измере­ния тока ИК требуются соответствующие усилители. Их качество обусловливает точность измерений, но даже при лучших усилите­лях она невелика — погрешность около 10—20%.

Чтобы повысить точность измерений, рабочий объем камеры изолируют от внешней среды, а корпус камеры выполняют из воздухоэквивалентных материалов (некоторые многокомпонентные пластмассы).

Для повышения достоверности результатов измерений исполь­зуют дифференциальные схемы включения, которые можно реали­зовать либо с помощью одной камеры, состоящей из двух отсеков, либо с помощью двух отдельных камер, часто расположенных на значительном расстоянии друг от друга.