Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Рисунок 77 - Ионизационная камера
Техническое исполнение ионизационных камер зависит от
области применения. В общем случае они состоят из небольшого
сосуда, наполненного газом, где находятся два плоских или
цилиндрических электрода. В однородном электрическом поле
возникшие носители заряда перемещаются к электродам, а во
внешней цепи при этом течет электрический ток, вызывающий
импульс напряжения Ua н
а сопротивлении Ra (рис. 78). Каждый
импульс свидетельствует о том, что через камеру пролетела частица.
Ионизационные камеры обычно работают в режиме насыщения; при
этом приложенное электрическое поле настолько велико, что все
носители заряда достигают электродов, не успевая рекомбинировать
друг с другом и не вызывая вторичной ионизации газа.
Скорость дрейфа электронов примерно в 1000 раз превышает
скорость дрейфа ионов, поэтому за коротким электронным импульсом
тока следует более слабый, но продолжительный ионный импульс.
Медленный дрейф ионов (порядка нескольких миллисекунд) приводит
к таким большим постоянным времени, что ионизационные камеры
могут фиксировать не более 100—1000 частиц в секунду.
191
Рисунок 78 - Импульс напряжения на выходе ионизационной камеры.
(Штриховая линия показывает импульс напряжения: его высота
пропорциональна N0 возникших носителей заряда); t- - время дрейфа
ионов
Этого недостатка лишены так называемые сеточные камеры, в
которых между анодом и катодом помещена сетка.
Кроме таких импульсных ионизационных камер применяют
так называемые токовые ионизационные камеры, которые работают в
токовом режиме, когда частицы, следуя одна за другой, создают
некоторый средний ток через камеру. Такие токовые ионизационные
камеры применяются прежде всего в дозиметрии радиоактивного и
рентгеновского излучения, где необходимо измерять интегральную
дозу за продолжительный промежуток времени. γ-лучи ионизуют газ в
таких счетчиках, выбивая вторичные электроны из стенок. Ток,
возникающий в ионизационных камерах, обычно очень мал (10
, поэтому к измерительным усилителям, которые используются
А)
-9
- 10
-12
вместе с ионизационными камерами, предъявляют очень высокие
требования. Отдельные импульсы напряжения тоже относительно
невелики, хотя в случае сильно ионизующего излучения их можно
регистрировать непосредственно. Так, например, в случае α-частиц
средняя энергия, необходимая для образования одной электронноионной пары в аргоне, равна е = 25,9 эВ. Таким образом, в камере с
емкостью С= 100 пФ одна α-частица с энергией 5 МэВ вызывает
импульс напряжения Ua = 0,3 мВ.
онизационные камеры обычно заполняют аргоном или
И
воздухом при атмосферном давлении. В ряде камер давление газа
может в несколько раз (до 30) превышать атмосферное. Если
192
заполнить ионизационную камеру BF3, то можно фиксировать даже
тепловые нейтроны. Они взаимодействуют с ядрами бора согласно
реакции
10
В + п →Li + α + 2,79 МэВ
Особенно эффективно захватываются ядрами 10В медленные
нейтроны. В результате появляются α-частицы с высокой энергией,
которые и вызывают ионизацию газа в счетчике.
Рисунок 79 - Принципиальная схема ионизационной камеры для
измерения мощности дозы или поглощенной дозы
Измерительный прибор состоит из камеры К с одним
внутренним и одним внешним электродами, источника напряжения,
системы индикации (показывающего прибора) G и измерительного
резистора R или измерительного конденсатора С (рис. 79).
Ионизационный ток (плотность потока или мощность дозы) измеряют
по величине падения напряжения на высокоомном резисторе R.
Измерение заряда как интеграла тока по времени (измерение потока
или дозы) определяется зарядкой конденсатора С.
В зависимости от требуемой чувствительности к поставленной
измерительной задаче применяют различные ионизационные камеры.
Диапазон измерения детекторами, работающими по принципу
ионизационной камеры, охватывает значения от долей микрогрэя до
тысяч грэй (от мкГй/ч до кГй/ч).
При заполнении воздухом ионизационные камеры пригодны
для измерения ионной дозы. Для этого необходимо применять
специальные конструкции, исключающие или компенсирующие
влияние стенок камеры, ограничивающих объем воздуха.
Пропорциональные счетчики. Если приложить к
ионизационной камере достаточно высокое напряжение, то в
193
промежутке между столкновениями с атомами электроны смогут
приобретать достаточно высокую энергию и ионизировать атомы, с
которыми они сталкиваются. Этот процесс может повторяться
многократно, поскольку вторичные электроны, возникшие при
ионизации, в свою очередь ускоряются и ионизируют атомы. Таким
образом, количество электронов возрастает и возникает так
называемая электронная лавина:
dN = aN(x)dx
Здесь α — так называемый первый ионизационный
коэффициент Таунсенда. Он равен числу пар ионов, образующихся в
результате столкновения с одним электроном на единице длины его
пробега. В двумерном случае, показанном на рис. 27, число электронов
на расстоянии х от анода составит
N = N0e
а на аноде будет равно
N = N
0
a(X0 -
α
e
x)
,
)(
xx
−
0
Величину М = еаx называют коэффициентом газового
усиления. Газовое усиление приводит к тому, что импульс
напряжения, возникающий в пропорциональном счетчике, выше, чем
в ионизационной камере.
Можно отметить, что наблюдается пропорциональность между
напряжением (а значит, и током) через счетчик и количеством ионноэлектронных пар, возникших при первичной ионизации. Этой пропорциональности счетчик обязан своим названием. Если в счетчике
образуется очень много ионов, то возникает объемный заряд и
пропорциональность нарушается. Величина α зависит от сорта используемого газа, его давления и величины электрического поля.
В отличие от ионизационных камер пропорциональные
счетчики обычно имеют цилиндрическую форму. В таких счетчиках
вдоль оси цилиндрической трубки натянута изолированная тонкая
нить толщиной обычно 20—100 мкм, которая служит анодом. Счетчик
заполнен аргоном с небольшими добавками метана или паров спирта.
Чаще всего используют смесь из 90 % аргона и 10 % метана. Давление
газа изменяется от 1 до 1000 ГПа.
Преимуществом такой конструкции является то, что при
относительно малых приложенных напряжениях U в
близи тонкой
194
проволоки возникает очень большая напряженность электрического
поля. При rа = 1 см, ri = 20 мкм и U = 1000 В напряженность
электрического поля на поверхности нити составляет уже Е = 8.104
В/см. В таком счетчике электроны вначале перемещаются к центру
цилиндра в относительно слабом электрическом поле, а в
непосредственной близости от нити начинается вторичная ионизация.
Таким образом, электронные лавины в газе возникают на расстоянии
от анода всего в несколько длин свободного пробега электрона. Это
означает, что электронные лавины очень быстро достигают анода и
вызванный ими импульс тока непродолжителен: он быстро нарастает
и составляет всего несколько процентов от общего импульса тока. Последующее нарастание импульса определяется более медленным
перемещением ионов, поэтому общая продолжительность импульса
составляет 0,1—1 мкс. Поэтому можно использовать высокие
скорости счета.
Пропорциональный счетчик применяется для тех же целей, что
и ионизационная камера. Благодаря высокому коэффициенту газового
усиления пропорциональный счетчик особенно удобен для
регистрации и измерения потоков низкоэнергетичных частиц, а также
γ
мягкого
- и рентгеновского излучения.
В так называемой пропорциональной камере используется
много нитей-анодов, расположенных в одном объеме параллельно
друг другу. Электроны, возникшие в результате первичной ионизации,
перемещаются к ближайшей нити-аноду, в окрестности которой они
вызывают электронную лавину. Каждая нить - анод действует как
независимый детектор, поэтому пропорциональная камера позволяет
не только подсчитывать частицы или кванты, но и фиксировать место,
вблизи которого частица или квант попала в ионизационную камеру.
Область вольтамперной характеристики, в которой измеренное
число ионов пропорционально числу первично образованных ионов,
имеет важное значение для техники измерений, потому что, вопервых, коэффициент газового усиления составляет здесь 103—105, и,
во-вторых, по числу первично образованных ионов можно определить
вид и энергию излучения. Поэтому пропорциональные счетчики
применяют в импульсном режиме, чтобы можно было полностью
195
использовать их избирательность по энергии; обычно с их помощью
определяют вышеперечисленные величины.
С целью защиты от излучений находят применение
пропорциональные счетчики большой площади с узким окном для
входа излучения, чтобы можно было измерять также и β-лучи. Такие
устройства обычно встраивают в мониторы для сигнализации о
наличии радиоактивных загрязнений. Важным параметром счетчиков
является вероятность их срабатывания или коэффициент полезного
действия, под которым понимают отношение числа
зарегистрированных частиц или квантов энергии к числу
поступивших в объем счетчика.
При частицах с малой длиной пробега (α, β, протонах и т. д.
сравнительно низкой энергии) можно без затруднений получить
вероятность срабатывания, близкую к 100 %; в случае рентгеновского
злучения коэффициент полезного действия по порядку величин
и γ -и
составляет всего около 1 %. Срок службы пропорциональных
счетчиков из-за необратимости изменений, происходящих в их
рабочем газе, ограничен примерно 1012 импульсами.
Счетчики актов испускания. Счетчик Гейгера. Подробное
изучение процессов в пропорциональном счетчике показало, что
кроме ударной ионизации γ-кванты или частицы могут приводить к
появлению возбужденных электронных состояний атомов или молекул. При релаксации этих возбужденных состояний происходит
эмиссия квантов в видимой или ультрафиолетовой области спектра.
Если эти фотоны обладают достаточно большой энергией, то в
результате фотоэффекта они будут выбивать из материала катода
дополнительные электроны, которые ионизируют компонент газовой
смеси с низкой энергией ионизации. Такие «фотоэлектроны» будут, в
свою очередь, вызывать электронные лавины, которые в свою очередь
вызовут возникновение новых фотоэлектронов и т. д. Часто в газ,
находящийся в счетчике, вносят специальные добавки, которые
поглощают ультрафиолетовые кванты без ионизации. Если повысить
напряжение, приложенное к счетчику, то пропорциональность
нарушится. Фотоны с высокой энергией будут образовывать
фотоэлектроны во всем объеме счетчика, и первоначально
локализованный разряд в газе менее чем за одну микросекунду
196
распространится на весь объем счетчика. При этом заряд
образовавшихся ионов уже не зависит от первичной ионизации. В
счетчике возникает коронный разряд. Приборы, в которых
используется это явление, называют счетчиками Гейгера — Мюллера
или, чаще, счетчиками Гейгера.
Возникшие в результате коронного разряда электроны за очень
короткое время порядка 10-8 с достигают нити-анода, а
положительные ионы, образующие объемный заряд, остаются в
счетчике. Они сильно понижают электрическое поле на нити,
последующие электроны, приходящие от катода, уже не могут
вызывать электронных лавин и коронный разряд гаснет.
Положительные ионы достигают катода в среднем за 1 мс, после этого
объемный заряд разрушается и поле в окрестности анодной нити
вновь возрастает. Счетчик вновь готов к работе. Ионы, попадающие
на катод, снова выбивают вторичные электроны, которые приводят к
образованию электронных лавин возле анодной нити, и коронный
разряд в счетчике не прерывается. В этом случае необходимо
искусственно гасить разряд в счетчике.
Для прерывания разряда в счетчике используют большое
сопротивление, включенное в измерительной цепи последовательно
со счетчиком. Анодный ток, проходя через такое сопротивление,
приводит к большому падению напряжения, напряжение на аноде
падает, и разряд гаснет. Такие счетчики Гейгера называют
несамогасящимися.
Следует отметить, что скорость счета таких приборов
невелика. В самогасящихся счетчиках используют специальные
газовые смеси, состоящие обычно из благородного газа и
специальных добавок (метана, изобутана, этанола и др.). Эти газы
поглощают кванты ультрафиолетового излучения и понижают выход
фотоэлектронов; с другой стороны, они уменьшают количество
вторичных электронов, выбиваемых на катоде ионизованными ионами
газа в счетчике. Эти ионы сталкиваются с молекулами многоатомных
газов и теряют часть своей энергии. Замедленные ионы уже не могут
вызывать вторичную ионизацию металлов. В измерительную цепь
самогасящихся счетчиков уже нет необходимости включать большое
197
сопротивление, и поэтому они обладают более высокими скоростями
счета по сравнению с несамогасящимися приборами.
Промежуток времени между началом коронного разряда и
повторной готовностью счетчика к работе называют временем
восстановления чувствительности. Это время определяется временем
дрейфа ионов к катоду. С другой стороны, в счетчиках могут
возникать повторные лавины меньшей интенсивности, которые
поддерживают в нем объемный заряд. Соответствующий интервал
времени называют мертвым временем счетчика.
Счетчики Гейгера-Мюллера имеют коэффициент газового
усиления от 107 до 1010. Имеется множество вариантов
геометрического исполнения счетчиков Гейгера-Мюллера - от
колокольных счетчиков или счетчиков с торцовым окном для
измерения мягкого β- или γ-излучения до счетчиков в виде стакана для
измерений в жидкости вплоть до игольчатых трубок диаметром в
несколько миллиметров и длиной в несколько сантиметров. Благодаря
высокому коэффициенту газового усиления и достигаемой при этом
простоте системы индикации такие счетчики часто встраивают в
простые контрольные дозиметры. Соотношение между результатом
измерения и измеряемой величиной здесь существенно зависит от
энергии. Срок службы счетчика Гейгера-Мюллера ограничен
примерно 1010 импульсами.
четчики нейтронов основаны на использовании вторичных
С
процессов. Например, если в веществе счетчика содержатся бор,
литий или гелий, то появление быстрых заряженных частиц, которые
легко регистрировать, вызвано ядерными реакциями:
B10 + n → 3Li7 + α
5
Li6 + n → 1H3 + α
3
He3 + n → 1H3 + p
2
Так называемый борный счетчик - это газовый счетчик
(Гейгера-Мюллера) в пропорциональном режиме, заполненный газом
фторида бора BF3 . Для того чтобы сигнал от нейтрона отличить от
импульсов, вызванных электронами или γ-квантами, используют тот
факт, что получающиеся α-частицы, протоны и т.д. вызывают гораздо
большую ионизацию. Поэтому на входе усилителя ставят
дискриминатор – устройство, не пропускающие слабые импульсы.
198
Эффективность таких счетчиков уменьшается с увеличением
энергии нейтронов, поскольку вероятность приведенных реакций
уменьшается с увеличением скорости нейтронов. Для регистрации
быстрых нейтронов их либо замедляют (например, окружая счетчик
парафиновой оболочкой), либо используют протоны отдачи (быстрый
нейтрон, сталкиваясь с ядром водорода, отдает ему свой импульс).
Полупроводниковые счетчики Если на pin-фотодиод падает
излучение с квантами высокой энергии (рентгеновское или γизлучение, α- или β-частицы), то под их воздействием в
полупроводнике возникают электронно-дырочные пары. Если к диоду
приложено запирающее напряжение, то носители заряда, возникшие в
запирающем слое, перемещаются к электродам, а во внешнем контуре
возникает электрический ток. При этом полупроводниковый детектор
работает так же, как ионизационная камера. Различие состоит в том,
что регистрирующая среда представляет собой твердое тело, а не газ,
и для возникновения пары носителей заряда требуется меньшая
энергия (у кремния она равна 3,6 эВ, а у германия 2,8 эВ). Таким
образом, при фиксированной энергии частиц число носителей заряда в
твердотельном детекторе выше, чем в газовом, а следовательно,
меньше относительная ошибка. Высокие значения напряженности
электрического поля в обедненной зоне приводят к очень высоким
дрейфовым скоростям носителей заряда, что понижает время
нарастания импульса тока. Оно лежит (в зависимости от толщины
переходного слоя) в интервале от 1 мкс до 0,1 нс. Кроме детекторов с
n-структурой используются приборы о p-n-переходом или
pi
поверхностно-барьерные полупроводниковые счетчики (с двойным
электрическим слоем возле контакта металл - полупроводник).
Кремниевые или германиевые диоды применяют аналогично
газонаполненным ионизационным камерам для измерения
спектрального распределения квантов излучения. Поглощенное
излучение создает в области диода, свободной от носителей заряда,
пары электрон—дырка; эти пары перемещаются в зону поля р - п -
перехода и наводят соответствующий электрический сигнал.
Преимущество полупроводниковых детекторов заключается в том,
что для образования каждой пары “электрон-дырка” требуется
примерно в 10 раз меньше энергии, чем для образования пары ионов в
199
ионизационной газонаполненной камере. Поэтому при одинаковой
поглощенной энергии измерительный эффект (сигнал) получается в 10
раз больше. Ввиду большей плотности и более высокого порядкового
номера твердого материала в единице его объема поглощается также и
значительно большее количество энергии, чем в газах. Однако для
полного использования высоких качеств полупроводниковых
детекторов кремниевые и германиевые детекторы необходимо
охлаждать до температуры около -200 °С, а также применять
электронные системы преобразования импульсов с малым
собственным шумом.
Для дозиметрических измерений применяют более простые
системы, например, кристаллы сульфида кадмия CdS, электрическая
проводимость которых изменяется под действием излучения. Такие
полупроводниковые зонды отличаются малыми размерами, однако
существенным их недостатком является сильная зависимость
характеристик от температуры и от энергии излучения.
Полупроводниковый счетчик на p-n п
ереходе по принципу
действия ничем не отличается от вентильного фотоэлемента. На
поверхности полупроводникового кристалла создается p-n-переход и
этот переход подключается к источнику тока в запирающем
направлении. Ионизирующие частицы, возбуждая электроны из
валентной зоны в свободную, создают в районе перехода (в
обедненном слое) неосновные носители: электроны и дырки. Эти
носители и создают ток, который затем усиливается усилителем и
регистрируется.
Следует отметить, что твердотельные детекторы излучений
обладают малыми размерами, так как в твердом веществе
ионизирующие частицы намного сильнее поглощаются и,
следовательно, производят большую ионизацию на единицу длины
пути. Место попадания частицы лучше локализуется.
Выбор конкретного полупроводникового детектора
определяется прежде всего областью применения, причем наиболее
важным фактором является ширина обедненной зоны. Следует
отметить, что при слишком больших дозах облучения в
полупроводнике возникают радиационные дефекты, которые
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]