4.2.12. Іонізаційні перетворювачі

Принцип дії й конструкція. Іонізаційним називається перетворювач, що перетворює інтенсивність радіоактивного випромінювання в електричну величину. Найбільше застосування знайшли іонізаційні камери, газорозрядні лічильники, сцинтиляційні і напівпровідникові детектори.

На мал. 4.5,а схематично показана іонізаційна камера. Вона складається із циліндричного металевого корпуса 1, заповненого газом, і металевого електрода 2, розташованого по осі корпуса й ізольованого від нього ізолятором 3. Корпус служить катодом і заземлений, електрод служить анодом. При приміщенні камери в простір з іонізуючим випромінюванням газ, що перебуває в ній, іонізується. Якщо до електродів прикласти напруга U, то іони газу утворять струм. ВАХ камери при деякій постійній інтенсивності випромінювання наведена на мал. 4.51,б. Поки напруга й струм малі, а кількість іонів значно більше, ніж необхідно для забезпечення цього струму, струм зростає пропорційно напрузі. Зі збільшенням напруги пропорційність порушується й при зміні напруги від U_Aдо V_Вструм не міняється. У цьому діапазоні напруг всі іони доходять до електродів і беруть участь у створенні струму. Підвищення напруги не збільшує числа носіїв. При подальшому збільшенні напруги зростає швидкість іонів, і якщо воно перевищує U_В, то енергія іонів стає достатньою для вторинної іонізації газу. При цьому зростає число носіїв, а також і струм камери. Іонізаційні камери працюють на дільниці АВ ВАХ. Зі збільшенням випромінювання струм камери зростає.

Конструкція камери, склад і тиск газу залежать від її призначення, а також від виду і енергії іонізуючих часток. При роботі з α-частками, що мають малу довжину пробігу, джерело випромінювання поміщають усередині камери.

Газорозряднілічильники являють собою іонізаційну камеру, що працює при напрузі більшій, ніж U_Bна мал. 4.51,6. Вони бувають двох типів: пропорційні лічильники й лічильники Гейгера-Мюллера. Лічильники являють собою заповнений газом циліндричний скляний балон, по осі якого натягнутий тонкий металевий дріт — анод. На циліндричну частину балона зсередини нанесене металеве покриття — катод. Напруга, що прикладає до електродів, створює в між електродному просторі поле, напруженість якого різко зростає біля анода. Електрон, що виник під дією іонізуючої частки або випромінювання в області малої напруженості, дрейфує до анода, при цьому його швидкість і енергія зростають. Поблизу анода, в області підвищеної напруженості, енергія зростає настільки, що електрон стає здатним сам іонізувати газ. Ця іонізація збільшує число вторинних електронів. Відбувається збільшення імпульсу струму лічильника в 10³- 10⁴, а іноді більш ніж в 10⁶разів. Газовий розряд у пропорційному лічильнику є несамостійним газовим розрядом, він виникає при зовнішній іонізації газового середовища й припиняється при її припиненні. Як і в іонізаційних камерах, імпульс струму пропорційний енергії. іонізуючого випромінювання.

До електродів лічильника Гейгера—Мюллера подається ще більша напруга. Під дією випромінювання відбуваються процеси, аналогічні процесам у пропорційному лічильнику. Однак у прианодній області під дією збільшеної напруженості поля енергія електронів настільки зростає, що виникає самостійний коронний розряд. Виникле ультрафіолетове випромінювання вибиває з катода електрони, вони іонізують газ і підтримують виниклий розряд. Для того щоб можна було зареєструвати прихід нової іонізуючої частки або кванта випромінювання, розряд повинен бути погашений. Гасіння проводиться або спеціальною схемою, що зменшує напругу на лічильнику, або внаслідок процесів, що відбуваються усередині його. Лічильники першого типу називаються несамогасящимися, другого — що самогасяться. лічильники, Що самогасяться, наповнюються газовою сумішшю спеціального складу, що поглинає ультрафіолетове випромінювання й сприяє припиненню розряду.

Імпульси струму в лічильнику Гейгера-Мюллера виникають при влученні в нього іонізуючих квантів або часток. Амплітуда імпульсів постійна й від енергії іонізуючих частокне залежить; від інтенсивності випромінювання залежить лише середня частота імпульсів.

Іонізаційні камери й газорозрядні лічильники можуть працювати в струмовому або імпульсному режимі. У першому вимірюється середній струм перетворювача, чисельно дорівнює загальному заряду всіх іонів, утворених за одну секунду. В іонізаційної камери струм становить 10^-10— 10-¹⁵А. Для його виміру послідовне перетворювачем включають навантажувальний опір порядку 10⁹— 10¹⁰Ом і напругу на ньому вимірюють за допомогою підсилювача постійного струму. У пропорційних лічильників вихідна напруга має порядок 10^-2В.

В імпульсному режимі вимірюються амплітуди імпульсів струму, що відповідають кожному акту іонізації, і їх частота. Амплітуда імпульсів струму іонізаційної камери і пропорційного лічильника пропорційна числу іонів і характеризує енергію, втрачену іонізуючим випромінюванням або часткою в камері. Іонізаційні камери часто використаються для реєстрації сильно іонізуючих часток, що мають малу довжину пробігу. При їхньому гальмуванні в камері амплітуда імпульсів пропорційна повній енергії частки, частота імпульсів пропорційна інтенсивності випромінювання.

Напівпровідниковий детектор (мал. 4.52) — це іонізаційний перетворювач, що представляє собою монокристал напівпровідника (германія) з p-i-n-переходом. Провідний шар із власною провідністю (i-провідністю) виконаний шляхом дифузії літію в монокристал германія.

Вимірюване випромінювання іонізує шар із власною провідністю й збільшує в ньому число електронів і дірок, що приводить до збільшення провідності. Під дією напруги, прикладеного до р-і-n шарів, виникає імпульс струму. Число носіїв, а отже, і амплітуда імпульсу струму пропорційні енергії випромінювання, середня їх частота пропорційна інтенсивності. Характеристики напівпровідникового детектора подібні до характеристик пропорційного лічильника. Сцинтиляційний лічильник складається зі сцинтилятора - твердого тіла, що під дією випромінювання дає спалах світла, і фотоелектронного помножувача (ФЕП) або фотодіоду. Яскравість спалаху, а отже, і імпульс фотоструму ФЕП визначаються енергією частки або випромінювання, поглиненої сцинтилятором, їх середня частота - інтенсивністю випромінювання.

Особливості застосування іонізаційних перетворювачів. Вимірювальні прилади з іонізаційними перетворювачами можуть використати у своїй роботі або мічені атоми, або джерела ядерного випромінювання. Прилади з міченими атомами служать для вивчення поводження речовин і тіл у різних фізичних, хімічних і фізіологічних процесах. Їхнє застосування засноване на тому, що радіоактивні ізотопи елементів ідентичні стабільним ізотопам. Радіоактивні ізотопи додаються до стабільних і беруть участь у процесі поряд зі стабільними. Місцезнаходження й кількість радіоактивних ізотопів визначаються за допомогою іонізаційних перетворювачів.

Прилади із джерелами випромінювання служать для виміру неелектричних величин, таких, як товщина матеріалу, рівень рідини, витрата рідини та ін. У цих приладах використається залежність інтенсивності випромінювання від вимірюваної величини.

Прилади з іонізаційними перетворювачами мають ряд особливостей, які забезпечили їх поширення. Ці прилади використають радіоактивні джерела, випромінювання яких стабільне. На випромінювання не впливає зміна зовнішніх умов: температури, тиску, напруги живлення, наявність агресивних середовищ і т.п. Інтенсивність змінюється тільки внаслідок природного розпаду ядер радіоактивного ізотопу.

Завдяки великій проникаючій здатності випромінювання прилади можуть застосовуватися в тих випадках, коли об'єкт виміру перебуває у важких експлуатаційних умовах (високі температури й тиск, агресивне середовище й т.п.).

Негативною особливістю приладів є токсичність випромінювання. Однак розробка й використання високочутливих детекторів (сцинтиляційних і напівпровідникових) і зниження інтенсивності робочого випромінювання роблять іонізаційні прилади практично безпечними.

Прилади, які використовують радіоактивні ізотопи, мають специфічні джерела похибок. Із часом у результаті природного радіоактивного розпаду інтенсивність випромінювання зменшується, так що

де J₀— початкова інтенсивність; Т_0,5 — період напіврозпаду джерела випромінення.

Зниження інтенсивності створює зростаючу похибку

Для її зменшення варто періодично збільшувати чутливість приладу.

Інша похибка обумовлюється випадковим характером ядерного розпаду. Випадковими є як час розпаду, так і напрямок траєкторії радіоактивної частки або кванта випромінювання. Випадковий характер носять також захват і гальмування випромінювання речовиною іонізаційного перетворювача. Внаслідок цього послідовність імпульсів перетворювача має неперіодичний, випадковий характер. Якщо час підрахунку імпульсів малий, то кількість імпульсів може сильно розрізнятися при повторенні вимірів навіть при незмінних умовах. При збільшенні часу підрахунку відбувається усереднення, і відносна варіація показань приладу й похибка зменшується.