3. Газоразрядные ионизационные детекторы

Для регистрации излучений в детекторах этого класса используется ионизационный метод. Такие детекторы основаны на измерении величины ионизации, создаваемой заряженными частицами исследуемого излучения в газе-наполнителе. Газовый ионизационный детектор - конденсатор, между обкладками-электродами которого имеется газовая среда. Электрическое поле, создаваемое между электродами внешним источником, вызывает дрейфовое движение образованных электрических зарядов и возникновение импульса электрического тока, который изменяет электрический заряд емкости детектора. Изменение величины электрического заряда емкости детектора используется для измерения величины ионизации. Чаще всего применяются детекторы с коаксиальными цилиндрическими электродами. Внутренний электрод является анодом и представляет собой тонкую прямую проволоку диаметром ~ 0,1 мм, расположенную по оси детектора, оба конца которой закреплены на изоляторах. Другой электрод (катод) составляет обычно часть о болочки детектора. Если оболочка стеклянная, то ее внутреннюю поверхность покрывают проводящим слоем. Для наполнения детекторов используются гелий, аргон и другие газы, давление которых составляет от несколько десятков миллиметров до несколько десятков сантиметров ртутного столба. Схема включения детектора показана на рис. 3. На этом рисунке:

A - центральный электрод (анод);

K - внешний электрод (катод);

U - источник напряжения для создания электрического поля между электродам детектора.

С₁ – конденсатор, который необходим, чтобы разделить по постоянному току источник постоянного высоковольтного питания и вход электронной схемы;

C₂ – суммарная емкость детектора и входной цепи электронной схемы;

R – сопротивление утечки, необходимое для зарядки емкости С₂ до рабочего напряжения U и для ограничения тока от источника питания при разрядке емкости С₂ в процессе регистрации излучения.

Ионизационный эффект определяется числом пар положительно и отрицательно заряженных ионов, создаваемых отдельными заряженными частицами в рабочем объеме детектора. На рис. 4 показана зависимость числа собираемых пар ионов N от разности потенциалов U между электродами для типичного газонаполненного детектора.

Область I. Увеличение числа пар ионов, достигающих электродов с ростом разности потенциалов, из-за уменьшения вероятности рекомбинации образованных свободных зарядов при росте скорости дрейфа электронов. Эта область обычно для регистрации не используется.

Область II. Режим ионизационной камеры. Почти горизонтальный участок соответствует насыщению - собираются все возникшие ионы. Используется для регистрации числа частиц и их энергии.

И онизационные камеры могут иметь два режима работы. Измерения числа и параметров частиц выполняют в импульсном (счетном) режиме. Если плотности потоков измеряемых излучений достаточно велики (~ 10 (см²с)^-1 и более) и стационарны, то с помощью ионизационных камер можно регистрировать средний уровень излучения. Такой режим работы называется токовым (интегральным). Режим работы ионизационной камеры определяется постоянной времени заряда емкости С₂ (см. рис.3). Для импульсного режима τ ≈ 10^-5 ÷ 10^-3с, а для токового – несколько секунд. Камеры в токовом режиме обычно используются для контроля мощности реактора.

Ионизационные камеры предназначены для регистрации и измерения энергии короткопробежных сильно ионизирующих частиц (например, α-частиц, осколков деления). При введении в газ соединений с большим сечением взаимодействия с медленными нейтронами (например, ¹⁰В) или при нанесении на электроды слоя ²³⁵U (камера деления) ионизационные камеры могут использоваться для регистрации нейтронных потоков, например, в ядерных реакторах. Ионизационная камера является основным прибором для измерения поглощенной дозы - количества энергии, поглощенной единицей массы вещества dE/dm, так как величина ионизации, вызываемая излучением в объеме газа, с высокой точностью пропорциональна полной энергии, которая передается этому объему излучением.

Область III. Режим пропорционального счетчика. Рост числа пар ионов, собираемых на электродах, вызван газовым усилением вследствие процессов вторичной ионизации, возникающей в газе-наполнителе. Возрастание разности потенциалов на электродах увеличивает среднюю скорость движения электронов в газе, и она становится достаточной для ионизации атомов или молекул газа. В результате возникает лавинообразный процесс образования свободных зарядов, причем сохраняется линейная зависимость (пропорциональность) между первоначальной ионизацией, вызванной частицей излучения, и собираемым числом пар ионов, что позволяет регистрировать не только число частиц излучения, но и их энергии. Используются для регистрации мягкого β-излучения и его энергетического распределения, например, β-излучения трития. Для регистрации медленных нейтронов используют реакцию ¹⁰B(n, α)⁷Li. С этой целью в рабочий объем детектора вводят газообразное химическое соединение BF₃, содержащее изотоп ¹⁰B, или же покрывают тонким слоем аморфного ¹⁰B внутреннюю поверхность катода. Такие детекторы позволяют измерять нейтронные потоки на фоне интенсивного γ-излучения, например, в ядерном реакторе, так как пропорциональный детектор имеет на выходе сигнал, амплитуда которого пропорциональна поглощенной энергии излучения.

Область IV. Режим ограниченной пропорциональности. На этом участке пропорциональность между первичной ионизацией и числом пар ионов, поступающих на электроды, нарушается тем сильней, чем больше разность потенциалов. Этот режим может использоваться для регистрации числа частиц, поступивших в детектор.

Область V. Режим газоразрядного счетчика (или самогасящегося счетчика Гейгера-Мюллера). Если частица излучения производит хотя бы одну пару ионов, то в счетчике возникает однолавинный стримерный разряд, величина тока которого не зависит от энергии, переданной частицей в рабочий объем детектора. Счетчики этого типа широко применяются для регистрации всех видов излучений из-за большой величины сигнала. γ-Излучение регистрируется по вторичным заряженным продуктам – электронам, возникающим в процессе взаимодействия γ-квантов с веществом. Для увеличения эффективности регистрации γ-квантов с высокой энергией используют их поглощение в стенках счетчика. Регистрация медленных нейтронов не отличается от регистрации в пропорциональном детекторе.

Область VI. Возникновение самостоятельного (самоподдерживающегося) электрического разряда. Ток разряда ограничивается только величиной сопротивления R. Прежде в этой области работали несамогасящиеся счетчики Гейгера-Мюллера. В настоящее время используется для регистрации излучений в детекторах с коронным разрядом, в котором ограничение силы тока обусловлено не сопротивлением внешней цепи, а большим сопротивлением самого разряда при относительно больших давлениях в газе. До зажигания короны детектор может работать как пропорциональный. При повышении напряжения и после зажигания коронного разряда ток электронных лавин, возникающих в результате первичной ионизации, значительно превышает ток короны ("шум"). Коронные счетчики применяются главным образом для регистрации -частиц и нейтронов, но могут быть использованы для регистрации - и -излучения.