Ионизационные камеры
Ионизационными камерами называют ионизационные детекторы с низкими значениями напряженности электрического поля в чувствительном объеме детектора. Газоразрядными счетчиками называют детекторы с высокими значениями напряженности электрического поля, использующими механизм газового усиления. В этом состоит их принципиальное отличие от ионизационных камер. Ионизационные камеры подразделяют по принципу действия (токовые и импульсные), конструктивным особенностям (плоские, цилиндрические, сферические), по назначению (для регистрации α-, β-, γ-излучения и нейтронов).
Ионизационные камеры, которые служат для измерения суммарного ионизационного эффекта (силы тока, вызванного значительным количеством ионизирующего излучения, или заряда, накопленного за значительное время на электродах камеры), называют токовыми или интегрирующими камерами. Камеры, которые служат для измерения отдельных ионизирующих частиц, называют импульсными камерами. К преимуществам ионизационных камер относится их высокая надежность, к недостаткам – низкое значение выходного сигнала.
Газоразрадные счетчики
Газоразрядные счетчики являются наиболее распространенными средствами обнаружения и измерения ионизирующих излучений. Эти детекторы отличаются от ионизационных камер большей чувствительностью – они способны зарегистрировать появление в их чувствительном объеме одной пары ионов. Так, если ионизационные камеры, регистрирующие суммарную ионизацию, в основном используются для целей дозиметрии, то газоразрядные счетчики, в основном, применяются в целях радиометрии.
Импульс тока, создаваемый одной частицей, очень мал и не может быть зарегистрирован без специальных усиливающих электронных устройств. Именно поэтому ионизационные камеры, как правило, используются для измерения большого числа ионизирующих частиц и имеют значительные размеры. По этим же причинам газоразрядные счетчики чаще всего используются для измерения отдельных частиц и имеют небольшие размеры. В зависимости от приложенного напряжения различают несколько типов газоразрядных счетчиков (рис.4).
Рис.4. Зависимость амплитуды импульса А от напряжения U для различных режимов работы импульсного ионизационного детектора
Счетчики, с помощью которых получают импульс тока, пропорциональный первичной ионизации, получили название пропорциональных счетчиков. Если еще повышать напряжение, то счетчик перейдет в область самостоятельного разряда, когда импульс тока, создаваемого счетчиком, не зависит от начального числа пар ионов в чувствительном объеме детектора. Такие счетчики называются счетчиками Гейгера-Мюллера (рис. 5).
Рис. 5. Схема стеклянного счётчика Гейгера-Мюллера:
1 – герметически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая натянутая нить)
С помощью ионизационной камеры можно измерить суммарную ионизацию, но нельзя установить число создающих ее частиц. Счетчиком Гейгера-Мюллера можно сосчитать число ионизирующих частиц, не идентифицируя их природы. Характерной особенностью счетчиков Гейгера-Мюллера – необходимость гашения самостоятельного разряда. В соответствии с применяемым методом гашения самостоятельного разряда счетчики разделяются на самогасящиеся (с внутренним гашением) и несамогасящиеся (с внешним гашением).
Импульсы, возникающие в счетчике, подаются на усилитель и далее регистрируются пересчетным прибором. Порог чувствительности усилителя обычно соответствует началу области Гейгера, поэтому импульсы с меньшей амплитудой не попадают на пересчетное устройство. Зависимость скорости счета импульсов от напряжения на счетчике при постоянной интенсивности излучения является счетной характеристикой (рис.6).
Рис.6. Счетная характеристика газоразрядного детектора
В начальной части (1) счетной характеристики скорость счета быстро возрастает до практически постоянного значения в области плато (2), которое является рабочей областью счетчика. На этом участке скорость счета не зависит от напряжения, т.к. она равна постоянной скорости образования первичных ионизаций в чувствительном объеме счетчика. Небольшой наклон кривой в рабочей области обусловлен эффектом прилипания электронов к молекулам галогенов. Потеря этого электрона в области ударной ионизации приводит к появлению после разряда, который и формирует ложный импульс. За областью плато расположен нерабочий участок (3), в котором число ложных импульсов быстро увеличивается с ростом напряжения и, в конце концов, возникает непрерывный разряд, не поддающийся гашению.
Эффективность регистрации α- и β-частиц, ионизирующих газ между электродами счетчика с самостоятельным разрядом, составляет практически 100%.
Вероятность ионизации газа внутри счетчика Гейгера-Мюллера гамма-квантами чрезвычайно мала, регистрация гамма-излучения обеспечивается за счет вторичных электронов, выбитых из стенки счетчика. Вторичный электрон вылетает в чувствительный объем и создает первичную ионизацию, которая запускает разряд. Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения от толщины стенки приведена на рис. 7.
Рис.7. Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения от толщины стенки (х) газоразрядного детектора
На начальном участке эффективность регистрации растет с увеличением толщины стенки, т.к. растет вероятность образования вторичного электрона в стенке счетчика. При толщинах стенки больше длины свободного пробега электрона вероятность проникновения вторичных электронов через стенку в чувствительный объем счетчика начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению вероятности регистрации гамма-кванта. Максимальное значение эффективности регистрации – при попадании наибольшего числа вторичных электронов в чувствительный объем счетчика. При этом толщина стенки должна быть близкой к длине свободного пробега электрона. Например, при регистрации гамма-квантов с энергией 1 МэВ счетчиком с латунным катодом оптимальная толщина стенки счетчика составляет 0,5 мм, а эффективность регистрации гамма-квантов – 0,026.
Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения от энергии счетчиком с тонкой стенкой (х < хmax) определяется соответствующей зависимостью линейного коэффициента передачи энергии для материала стенки. В случае толстой стенки (x > xmax) эффективность регистрации гамма-излучения пропорциональна его энергии, что используется для измерения мощности дозы гамма-излучения счетчиками Гейгера-Мюллера. Действительно, чем больше энергия гамма-кванта, тем больше энергия вторичного электрона, выбитого гамма-квантом из стенки счетчика. Чем больше энергия вторичного электрона, тем с большей толщины стенки он выбивается в чувствительный объем, т.е. увеличивается действующая толщина стенки. Таким образом, чем больше энергия гамма-кванта, тем выше эффективность его регистрации счетчиком с толстой стенкой (рис. 8), т.е. чем больше мощность дозы гамма-излучения (Рγ~Еγ), тем больше скорость счета импульсов счетчиком.
Рис.8. Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения счетчиком
Гейгера-Мюллера с толстой стенкой от энергии
Для регистрации β-частиц с энергией 0,05–0,3 МэВ, а также α-частиц применяются торцевые счетчики Гейгера-Мюллера с входным окном на торце, закрытым слюдяной пластинкой, нейлоновой пленкой или алюминиевой фольгой. Толщина входного окна определяет его проницаемость для регистрируемых частиц. Анодом счетчика служит вольфрамовая нить, впаянная в центре стеклянного корпуса, катодом – медная цилиндрическая стенка. Для регистрации β-частиц с энергией более 0,3 МэВ используются цилиндрические счетчики с тонким алюминиевым катодом. Анод – вольфрамовая нить – крепится в стеклянных трубках.
Для регистрации γ-квантов применяют цилиндрические счетчики, в которых катодом служит тонкий проводящий слой из графита, меди или вольфрама, нанесенный напылением на внутреннюю поверхность стеклянной трубки. Анодом служит вольфрамовая нить, натянутая по оси счетчика.
К основным преимуществам газоразрядных счетчиков относится значительная амплитуда выходного сигнала, а также простота конструкции, низкая стоимость и малое значение фона по сравнению со сцинтилляционными и полупроводниковыми детекторами. К основным недостаткам – ограниченный диапазон измерений и меньшая, чем у ионизационных камер, надежность.
При регистрации нейтронов используют ионизацию, произведенную атомными ядрами или возникающую в результате ядерных реакций и упругих соударений с нейтронами. Для регистрации медленных нейтронов применяют счетчики с борными наполнителями (BF3), для быстрых нейтронов – с органическими наполнителями. Т.к. детектирование нейтронов ведется, как правило, при наличии высокого уровня гамма-фона, дающего меньший импульс по сравнению с импульсом от атомных ядер и протонов отдачи, то для их регистрации используют счетчики, работающие в пропорциональном режиме.