Методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений. Ионизационные методы детектирования ионизирующих излучений.
В дозиметрии используют те же методы, что и в радиометрии. Они основаны на регистрации тех эффектов, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом.
В зависимости от эффекта взаимодействия излучения с
веществом методы регистрации делят на: ионизационный, сцинтилляционный, фотографический, химический и калориметрический.
Ионизационный метод основан на возбуждении атомов и ионизации среды. Под воздействием ядерных излучений в изолированном объеме происходит ионизация воздуха или газа: из электрически нейтральных атомов образуются положительно и отрицательно заряженные ионы.
Если в этот объем поместить два электрода, к которым подано постоянное напряжение электрического тока, то между электродами создается электрическое поле, в котором возникает направленное движение заряженных частиц: отрицательно заряженные ионы притянутся к аноду, а положительно заряженные — к катоду, в результате чего разность потенциалов между электродами будет уменьшаться. Образуется так называемый ионизационный ток. Измеряя его величину, получают представление об интенсивности радиоактивных излучений.
Ионизационные детекторы излучения обычно представляют собой замкнутый сосуд, наполненный соответствующей газовой смесью, внутри которой находится металлический стержень или нить. Корпус сосуда и нить являются
электродами и разделены хорошим изолятором. К электродам прикладывается определенное напряжение.
Заряженные частицы (альфа- или бета-), попавшие в камеру детектора, производят в ней непосредственно первичную ионизацию газовой среды; гамма-кванты вначале образуют быстрые электроны (фотоэлектроны, комптон-электроны и электронно-позитронные пары) в стенке детектора, которые затем вызывают ионизацию газовой среды в камере.
Сухой газ (воздух) — хороший электроизолятор, так как электрически нейтральные молекулы, из которых он состоит, не перемещают электрических зарядов. Положение изменяется, если в газовую среду попадают заряженные частицы. Они образуют ионные пары, и газ (воздух) становится проводником электрического тока.
При отсутствии напряжения на электродах все ионы, созданные начальной ионизацией, полностью рекомбинируют в нейтральные молекулы. При возрастании напряжения ионы под действием электрического поля обретают направленное движение: положительные ионы собираются на катоде, а электроны — на аноде. В цепи возникает ионизационный ток, который может быть зарегистрирован прибором.
Сила ионизационного тока служит мерой количества излучения.
По принципу детектирования: газоразрядные, фотохимические, химические, фоточувствительные, биохимические, полупроводниковые.
Ионизационная камера.
Одним из распространенных детекторов излучения являются ионизационные камеры (рис. 18). Их применяют для измерения всех типов ядерных излучений. По конструктивному оформлению ионизационные камеры могут быть плоские, цилиндрические и сферические с объемом воздуха 0,5...5 л. Камеры с большим объемом более чувствительны, поэтому для измерения малых доз излучения используют камеры с большим объемом.
Есть миниатюрные ионизационные камеры — наперстковые, смонтированные в футляре, по форме похожие на авторучку. Их используют как индивидуальные дозиметры (ИД_1 (ДК_0,2), КИД_2, ДП_22В, ДП_24 и др.). Воздушный объем таких камер колеблется от нескольких кубических сантиметров до их долей.
В плоской ионизационной камере электроды имеют вид пластин. Они заключены в корпус и разделены газовым слоем. Цилиндрическая ионизационная камера состоит из полого цилиндра, по оси которого расположен металлический стержень — собирающий электрод. Высокое напряжение подводят к собирающему электроду, а цилиндрический корпус заземляют. Собирающий электрод всегда хорошо изолирован и обычно снабжается заземленным охранным кольцом, препятствующим проникновению токов утечки от высоковольтного электрода. Охранное кольцо в значительной степени снижает требования к материалам электроизоляции и повышает точность измерения. Высокочувствительные цилиндрические камеры измеряют ионизационный ток силой до 10–14...10–15 А.
Для работы ионизационной камеры существенны: материал, толщина стенок, величина и форма камеры, природа и
состояние наполняющего газа, пространственное распространение излучения в камере и способ измерения силы ионизационного тока.
Обычно стенки камеры изготовляют из воздухоэквивалентного материала, 1 г которого поглощает такую же энергию, как 1 г воздуха при одинаковых условиях облучения. Такими материалами служат органические пластмассы: плексиглас, бакелит, резит, полистирол и т. п.
Толщина стенок составляет 2...4 мм.
Сила тока насыщения, в режиме которого работают ионизационные камеры, достигается при напряжении 150...300 В.
Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конструкции могут работать в импульсном и токовом (интегральном) режимах.
Импульсные камеры используют для регистрации отдельных тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц, протонов и т. д.). Удельная ионизация легких частиц (электронов и позитронов) сравнительно мала, поэтому регистрация их в импульсном режиме неэффективна.
Токовые камеры применяют для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны средней силе тока, проходящего через камеру.
Ионизационные камеры могут быть использованы для измерения не только дозы излучения, но и ее мощности. Более подробно характеристики ионизационных камер изложены в технических инструкциях по их эксплуатации.