16. Детекторы обнаружения ии. Ионизационная камера., газоразрядный счетчик и сцинтилляционный счетчик
Детекторы ИИ- это приборы для обнаружения и измерения интенсивности ИИ-ий. В качестве детекторов ИИ применяются газоразрядные счетчики, ионизационные камеры, сцинтилляционные счетчики, толстослойные фотопластинки и фотопленки.
Ионизационная камера. Представляет собой устройство, состоящее из двух электродов, между которыми находится газовая среда – воздух. Корпус ионизационной камеры изготавливается из воздухо-эквивалентного материала, бакелита. Дешевые приборы имеют камеры из алюминия, атомный номер которого значительно отличается от эффективного атомного номера воздуха(эффективный атомный номер алюминия 13, воздуха – 7,64). Толщина стенок камеры должна быть не меньше, чем длина пробега вторичных электронов, обладающих наибольшей энергией, благодаря чему в камере создается электронное равновесие, присущее данному материалу. Практически применяются камеры с толщиной стенок примерно 1 г/см2.Внутренние стенки камеры, если она изготовлена из изолятора, покрываются токопроводящим покрытием, например графитом. Если на камеру воздействуют ИИ, то в ней образуются свободные электрические заряды и газовая среда в рабочем объеме становится проводящей. С подключением к электродам камеры источников питания в ней создается электрическое поле. При отсутствии ИИ ток в цепи возникать не будет, т.к. в ней нет свободных электрических зарядов и сопротивление ее бесконечно велико. Когда под воздействием излучений в газовом объеме камеры возникают свободные положительные ионы и электроны, ее сопротивление уменьшается и даже при небольшом напряжении на электродах ионы приобретают направленное движение. Положительные тоны притягиваются к отрицательному электроду, отрицательные электроны – к положительному электроду камеры. В цепи возникает ток, называемый ионизационным.
Газоразрядный счетчик представляет собой устройство, состоящее из замкнутого резервуара, из двух электродов, между которыми находится газовая среда, где и создается электрическое поле. В отличие от ионизационной камеры, работающей в режиме насыщения, в счетчике используется режим ударной ионизации. Рабочее напряжение счетчиков составляет 410 ± 30 В. Величина рабочего напряжения зависит от конструкции счетчика и состава заполняющей его газовой смеси.
Газоразрядный счетчик СМБ-20 выполнен в виде тонкого металлического цилиндра (отрицательный электрод – катод).
С торцов цилиндр закрыт изоляторами, между которыми натянута тонкая металлическая нить (положительный электрод – анод). Оба электрода соединяются с контактами. Рабочий объем счетчика заполняется не воздухом, а газами, атомы которых обладают незначительной способностью к захвату электронов, в частности, инертными газами с полностью заполненными внешними электронными орбитами атомов – аргон, неон, гелий.
Давление газа внутри счетчика значительно меньше атмосферного (100–200 мм рт. ст.). При этом уменьшается вероятность столкновения электронов с атомами и молекулами, и между двумя очередными столкновениями они приобретают большие скорости и энергии, необходимые для ударной ионизации.
В газоразрядном счетчике используется принцип усиления газового разряда. В отсутствие ионизирующего излучения свободных ионов в объеме счетчика нет. Следовательно, электрического тока в цепи счетчика тоже нет. При воздействии ионизирующего излучения в рабочем объеме счетчика образуются заряженные частицы. Электроны, двигаясь в электрическом поле к аноду, площадь которого значительно меньше площади катода, приобретают кинетическую энергию, достаточную для дополнительной ионизации атомов газовой среды. Выбитые при этом электроны тоже производят ионизацию. Таким образом, одна частица ионизирующего излучения, попавшая в объем газоразрядного счетчика, вызывает образование лавины свободных электронов. На нити счетчика собирается большое количество электронов. В результате этого положительный потенциал резко уменьшается и возникает электрический импульс. Регистрируя количество импульсов, возникающих в единицу времени, можно судить об интенсивности излучения.
Сцинтилляционный счетчик состоит из оптически соединенных между собой люминесцирующего кристалла, в котором энергия ионизирующего излучения превращается в световые вспышки, и ФЭУ, преобразующего вспышки в достаточно большие электрические импульсы.
Рис. 2.1. Сцинтилляционный счетчик:
1 – источник ионизирующего излучения; 2 – сцинтиллятор (люминофор); 3 – катод; 4 – фокусирующий электрод; 5 – эмиттеры (диноды); 6 – анод
Процессы, происходящие в сцинтилляционном счетчике можно подразделить на следующие стадии:
1) поглощение радиоактивного излучения люминофором (сцинтиллятором);
2) возбуждение атомов и молекул люминофора поглощенной энергией и затем излучение фотонов света;
3) бомбардировка фотонами катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ);
4) поглощение фотонов на катоде ФЭУ и выход фотоэлектронов;
5) электронное умножение (вторичная эмиссия электронов эмиттерами). ФЭУ совмещает свойства фотоэлемента и усилителя тока с большим коэффициентом усиления и состоит из катода 3, динодов 5 (эмиттеров), анода 6, на которых происходит вторичная эмиссия электронов.
Сцинтилляционный счетчик (сцинтиллятор и ФЭУ) заключен в светонепроницаемый кожух, чтобы исключить попадание постороннего света на фотокатод и диноды (эмиттеры) ФЭУ. Кроме того, ФЭУ защищен от внешних электрических и магнитных полей, которые нарушают фокусировку электронов. Вся система ФЭУ размещена в стеклянном баллоне с высоким вакуумом, необходимым для сохранения поверхностей фотослоя и динодов, а также свободного движения электронов.
В сцинтилляционном счетчике ФЭУ работает в импульсном режиме. Световые импульсы (фотоны), возникающие в сцинтилляторе под действием ионизирующих излучений, вырывают из фотокатода электроны. Электроны ускоряются электрическим полем, существующим между электродами ФЭУ, которые обычно называются эммитерами или динодами.
Умножение числа электронов происходит при попадании потока первичных электронов на эмиттер 5. Выбитые электроны ускоряются полем и фокусируются на последующий динод, из которого они вновь выбивают примерно удвоенное количество электронов и т. д. Таким образом, лавина электронов возрастает от катода к аноду, происходит преобразование очень слабых вспышек, возникающих в сцинтилляторе, в электрические импульсы, регистрируемые прибором (РП). Коэффициент усиления ФЭУ составляет 105–106 раз.