2.2 Детекторы гамма излучения
Действие всех детекторов ядерного излучения, в том числе и детекторов γ-излучения, основано на эффектах ионизации или возбуждения атомов вещества детектора заряженными частицами (α-частицы, электроны, ионы и др.), образующимися в процессах взаимодействия регистрируемого излучения с веществом детектора [1, 2]. Главный метод регистрации γ-квантов — формирование электрического сигнала (тока или импульсов напряжения) с последующим его усилением и измерением схемами ядерной электроники, при этом сила тока или средняя частота импульсов напряжения является мерой интенсивности регистрируемого излучения [2].
К основным детекторам γ-излучения, применяемым в ядерной геофизике, относятся газонаполненные детекторы, использующие ионизационный эффект и сбор электродами разнозаряженных ионов, полупроводниковые кристаллические детекторы с ионизацией атомов и сбором пар «электрон — дырка» и, наконец, сцинтилляционные детекторы, использующие эффект возникновения световых вспышек (сцинтилляций) возбужденных атомов вещества детектора. Таким образом, принцип действия, параметры и, как следствие, область применения детекторов существенно различны, что необходимо учитывать при выборе типа детектора в зависимости от решаемых методами ядерной геофизики задач.
2.2.1 Ионизационные газонаполненные детекторы (ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера—Мюллера)
Данной группе детекторов свойственны эффект ионизации под действием регистрируемого γ-излучения того или иного газа детектора и сбор образующихся разнозаряженных ионов электродами детектора.
Все детекторы этой группы схематически представляют собой заполненный газом заряженный электрический конденсатор, к обкладкам которого приложена разность потенциалов. Различие между тремя типами газонаполненных детекторов связано с используемой ими областью вольт-амперной характеристики, то есть зависимости ионизационного тока от величины напряжения. Область I (рисунок 6, а), соответствующая малому напряжению между электродами, — это область рекомбинации части первичных ионов. В этой области с изменением напряжения питания AU пропорционально растет число пар ионов на одну частицу. В области II (область работы ионизационной камеры) все ионы достигают электроды без рекомбинации и поэтому ионизационный ток (число пар ионов) практически не зависит от напряжения U. В области III (область работы пропорционального счетчика) происходит газовое усиление, связанное с вторичной ионизацией под действием первичных ионов. Коэффициент газового усиления имеет величину порядка 105—106, причем этот коэффициент в пропорциональной области постоянен, и, следовательно, образуемое число пар ионов зависит однозначно от вида и энергии γ-кванта. Область IV— это область ограниченной пропорциональности, являющаяся переходной, неиспользуемой в газонаполненных детекторах. Область V (область счетчика Гейгера — Мюллера) связана с лавинообразной вторичной ионизацией и возникновением искусственно прерываемого газового разряда для счета отдельных частиц и γ-квантов. Область VI для детектирования не используется.
Ионизационная камера, используемая, например, в некоторых радиометрических методах анализа (рисунок 6, б), чаще всего заполнена воздухом при атмосферном давлении, что не требует герметизации объема измерительной камеры. Ионизационная камера может работать в интегральном и импульсном режимах. Интегральный режим связан с регистрацией суммарного ионизационного эффекта, пропорционального интенсивности регистрируемого излучения; это достигается при постоянной времени, большей среднего числа квантов, попадающих в камеру. Импульсный режим достигается при малой постоянной времени, позволяющей регистрировать импульсы отдельных частиц: величина импульса в этом случае пропорциональна энергии γ-кванта.
Зависимость: 1—для α-частиц; 2—для β-частиц.
Ионизационная камера: 1—цилиндрический корпус; 2—электрод;
3—изолятор; 4—излучатель.
Пропорциональный счетчик: 1— анод; 2—катод; 3—баллон.
Рисунок 6 – Зависимость ионизационного тока от величины напряжения (а) и схемы; устройства ионизационной камеры (б) и пропорционального счетчика (в)
Счетчик Гейгера—Мюллера в последние годы находит ограниченное применение, так как он не позволяет измерять энергию частиц и отделять один вид излучения от другого. Конструктивно счетчик Гейгера—Мюллера фактически не отличается от отпаянного пропорционального счетчика. Материалом катода служат медь, вольфрам, сталь или алюминий. Анод выполняется обычно из вольфрамовой нити. Газовый разряд, возникающий в счетчике под влиянием хотя бы одной пары первичных ионов, поддерживается за счет вторичных процессов. Обычно используются самогасящиеся счетчики, в которых гашение разряда достигается добавкой к инертному газу многоатомных органических соединений (пары спирта) или галогенов (хлор, бром). Для таких счетчиков время восстановления составляет порядка 10-4 с, поэтому они могут регистрировать без просчета примерно 103 имп/с.