2.1.1. Ионизационная камера –

представляет собой устройство, состоящее из двух электродов, между которыми находится газовая среда – воздух.

ИИ мощностью Р₁, проходя через камеру, ионизирует в ней воздух, образуя отрицательные (электроны) и положительные (атомы без электрона) электрические заряды – ионы, которые в электрическом поле, создаваемом источником питания, дают в электрической цепи ионизационный ток, измеряемый микроамперметром.

Рис. 19. Принципиальная схема ИК Рис. 20. Вольтамперные характеристики ИК

График, показывающий зависимость между напряжением на электродах ИК и ионизационным током называется вольтамперной характеристикой ИК. На Рис. 20 изображена характеристика для 3-х мощностей доз излучения.

Вольт – амперная характеристика имеет три области:

I – область рекомбинаций (U=0…U _нас), которая работает с момента включения детектора до повышения напряжения до напряжения насыщения U _нас, при дальнейшем увеличении которого возрастание тока не происходит.

В этой области из-за недостаточно высокого напряжения на электродах и недостаточной скорости движения положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация, то есть их соединение с образованием нейтральных атомов и этот процесс прекращается только с достижением U _нас.

II – область насыщения (U _нас…U _уд), в которой для данной мощности P излучения ток достигает постоянной величины, называемой током насыщения. Когда рекомбинация ионов прекращается.

В этой области вольт-амперной характеристики и работает ИК, так как величина тока насышения зависит лишь от мощности дозы излучений; в этом режиме ионязационную камеру можно использовать для определения мощности доз, для чего ее рабочее напряжение U _раб берут примерно в средине между напряжением насыщения U _нас и напряжением ударной ионизации U _уд.

III – область ударной ионизации, в которой из-за дальнейшего повышения напряжения на электродах, образующиеся в газовой среде ИК электроны, приобретают такую скорость в электрическом поле, что начинают сами ионизировать другие атомы, вызывая лавинообразное возрастание ионизационного тока.

В этой области вольтамперной характеристики работают газоразрядные счетчики.

С увеличением мощности дозы излучений (P₂, P₃) возрастает количество ионов, образующихся в 1 см³ в 1 сек. Следовательно, при одном и ТОМ же напряжении на электроды камеры поступит больше ионов, увеличится ионизационный ток (Рис.20).

Возникновение ударной ионизации не зависит от мощности дозы излучений и

во всех случаях наступает при одном и том же напряжении на электродах U _уд, при котором в газовой среде с данным давлением электрону между двумя его последовательными столкновениями сообщается энергия, достаточная для ударной ионизации.

2.1.2. Газоразрядный счетчик (грс)

ГРС конструктивно представляет собой: 1. Металлический (стеклянный, покрытый изнутри

слоем металла) цилиндр – отриц. электрод 2. Тонкая металлическая нить—полож. электрод

З. Изоляторы

4. Выводные контакты

5. Газовая среда — смесь инертных газов Рис. 21. Газоразрядный счетчик с галогенами при пониженном давлении

б

Рис. 22. Изменение напряженности электрического поля в газоразрядном счетчике

В таком счетчике между электродами создается неравномерное электр. поле (Рис.22 а), что позволяет даже при сравнительно небольших напряжениях между электродами получить большие напряженности электр. поля вблизи внутреннего электрода, особенно при его малых диаметрах. Характер изменения напряженности поля между электродами счетчика в зависимости от расстояния до центра счетчика показан на Рис. 22 б. Электрон, возникший в счетчике под воздействием ионизирующих излучений, перемещаясь от внешнего электрода к внутреннему, испытывает все возрастающее воздействие сил электр. поля и приобретает дополнительную скорость. Столкнувшись с атомами или молекулами наполняющего счетчик газа, электрон теряет свою скорость, но под действием сил электрического поля вновь приходит в ускоренное движение, В области, примыкающей к внутреннему электроду, где напряженность поля велика, электрон приобретает энергию, достаточную для производства ударной ионизации атомов и молекул газа, наполняющего счетчик.

Воздух не подходит для заполнения рабочего объема счетчика, так как атомы присутствующего в нем кислорода, легко присоединяя к себе электроны, превращаются в отрицательные ионы. Эти частицы, как и образующиеся при ионизации положительные ионы, обладая большой массой, в меньшей по сравнению с электронами степени способны к ударной ионизации. Ударная ионизация в счетчике вызывается электронами. Чтобы исключить образование отрицательных ионов, рабочий объем счетчика заполняется не воздухом, а инертными газами с полностью заполненными внешними электронными орбитами атомов — аргон, неон, гелий с добавкой галогенов (бром, хлор) при пониженном давлении. 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.

Ударная ионизация носит в ГРС лавинообразный характер. Образованный ионизирующим излучением электрон, сталкиваясь с нейтральным атомом, производит его ионизацию, высвобождая новый электрон. Следующий этап ионизации вызывается уже двумя, затем четырьмя электронами и т. д. Электроны, не обладающие достаточной энергией для ионизации, сталкиваясь с атомами и молекулами, производят их возбуждение. Возбужденные атомы и молекулы через некоторое время испускают кванты ультрафиолетового света — фотоны, которые в свою очередь ионизируют и возбуждают атомы и молекулы и, поглощаясь поверхностью металлического цилиндра, выбивают из него электроны. Эти электроны, двигаясь к положительному электроду, создают новые возбужденные молекулы в атомы газа и новые лавины электронов. Благодаря тому, что фотоны распространяются во все стороны практически мгновенно, очень скоро процессом ударной ионизации охватывается область вокруг центральной нити по всей ее длине.

Процесс лавинообразной ударной ионизации и движения электронов к нити называется разрядом. Электроны, двигаясь с большой скоростью, примерно за 10 сек притягиваются к положительной нити, переходя на нее из газовой среды. Вокруг нити остается пространственный заряд—плазма из положительных ионов, которые медленно перемещаются к внешнему цилиндру. Этот заряд уменьшает напряженность электрического поля вокруг центральной нити до величины, при которой ударная ионизация становится невозможной – таким образом, ток в ГРС имеет импульсивный характер.

Так как ГРС имеет два электрода, разделенных диэлектриком - газовой средой, то он обладает емкостью C и импульс напряжения на его электродах можно выразить следующим образом:

, где

q – общий заряд, достигший электродов;

C – электрическая емкость;

N – количество пар ионов, образовавшихся в результате импульса ударной ионизации;

e – заряд элктрона.

Понятно, что N значительно больше N₀ – первоначального количества пар ионов, созданных непосредственным воздействием на счетчик ИИ, что выражается величиной, называемой к о э ф ф и ц и е н т о м г а з о во г о у с и л е н и я счетчика:

Отсюда импульс напряжения на электродах счетчика может быть выражен так:

То есть, благодаря ударной ионизации импульс напряжения на электродах ГРС в A раз больше, чем импульс напряжения, получаемый в ИК и может достигать десятков вольт, что позволяет сравнительно легко обнаруживать отдельные частицы, попадающие в счетчик.

Коэффициент газового усиления А в зависимости от напряжения на электродах счетчика меняется в широких пределах — от 1 до 10¹⁰. Соответственно изменяется и величина импульса напряжения па электродах счетчика и импульса тока в его цепи.

На Рис. 23 показана зависимость величины импульса тока в цепи счетчика от напряжения между его электродами.

Обозначения областей вольтамперной характеристики:

I – область рекомбинаций

II – область насыщения

III – область пропорциональности

IV – область относ. пропорциональности

V – область самостоятельного разряда

VI – область непрерывного разряда.

Рис. 23. Вольтамперная характеристика газоразрядного счетчика

Кривая 1 снята для случая попадания в счетчик бета-частиц, кривая 2 - для случая попадания в счетчик альфа-частиц. Различие в величинах амплитуд и импульсов объясняется неодинаковой ионизирующей способностью излучений.

ГРС, работающие в пропорциональной области, называются пропорциональными счетчиками, так как в них количество пар ионов, попадающих на электроды счетчика, и величина импульса тока будут пропорциональны числу пар ионов, образованных ионизирующим излучением. Коэффициент газового усиления в них 1 – 10³. Наиболее точные измерения ИИ дают ГРС, работающие в области самостоятельного разряда. Эти ГРС называют еще счетчиками Гейгера – Мюллера. Коэффициент газового усиления в них может достигать 10⁷ – 10¹⁰.

К электродам ГРС прикладывается достаточно высокое рабочее напряжение от 300 В и выше.