7.2 Ионизационный метод регистрации ионизирующих излучений

Ионизационный метод основан на способности излучения вызывать ионизацию молекул и атомов вещества. Наибольшее развитие и практическое применение получил метод, основанный на использовании изменения электрической проводимости газов. По конструкции, назначению, режиму работы ионизационные детекторы могут быть разнообразными, но их принципиальное устройство примерно одинаково. К основным ионизационным детекторам относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

Ионизационные детекторы по конструкции являются своеобразными конденсаторами. Как и всякий конденсатор, ионизационные детекторы имеют два электрода: внутренним (собирающим) электродом может служить металлический стержень (ионизационные камеры) или тонкая металлическая нить (газоразрядные счетчики), внешним электродом - металлический корпус или стекло с напыленным с внутренней стороны металлом. Пространство между электродами заполнено чистым газом или смесью газов. К электродам приложено большое постоянное напряжение (500-1500 В).

На рис. 8.2 показана схема включения плоской токовой ионизационной камеры в измерительную цепь (А-амперметр; БП-блок питания).

Рис. 7.2 Схема включения плоской токовой ионизационной камеры

-

ион⁺

е^- γ- квант

+

БП

В отсутствие ионизирующего излучения тока в измерительной цепи нет. Если к детектору поднести источник ионизирующего излучения, то в воздухе происходит ионизация: вырывание электрона из атома, который в результате превращается в положительный ион. Электроны в воздухе быстро захватываются нейтральными молекулами, что приводит к образованию тяжелых отрицательных ионов. Под действием электрического поля напряженностью E = U/L (U -разность потенциалов на электродах конденсатора, L - расстояние между электродами) происходит перемещение положительных ионов к отрицательному электроду (катоду), а электронов и отрицательных ионов - к положительному электроду (аноду). В результате этого в цепи потечет ток. Зависимость величины тока от приложенной к электродам ионизационной камеры разности потенциалов при неизменной интенсивности ионизирующего излучения (вольтамперная характеристика камеры) показана на рис. 8.3.

I, A 1 2 3

0 U, B

Рис. 7.3 Вольтамперная характеристика ионизационной камеры

При U = 0 электрическое поле в чувствительном объеме детектора отсутствует, и образовавшиеся при ионизации заряды рекомбинируют при столкновениях, образуя нейтральные молекулы; собирания зарядов на электродах не происходит. С увеличением U влияние рекомбинации на собирание зарядов уменьшается, что приводит к увеличению величины тока (участок 1 на рис. 7.3). В области насыщения 2, где влиянием рекомбинации можно пренебречь, все образовавшиеся ионы собираются на электродах. При дальнейшем увеличении U ионизационный детектор переходит в другой режим работы.

Рассмотрим подробнее различные режимы функционирования ионизационных детекторов (рис. 7.4).

Установлено, что энергия образования одной пары ионов практически не зависит от энергии ионизирующей частицы, ее массы, заряда и вида ионизирующего излучения. Для большинства газов эта величина составляет примерно 34 эВ.

Предположим, что частица производит в детекторе определенное количество ионизации, соответствующее начальному электрическому заряду Q₀ (кулонов). В зависимости от режима функционирования этот заряд может быть частично или полностью собран, а может быть даже усилен. Если между анодом и катодом приложенная разность потенциалов слишком мала, то заряд будет собран не полностью. При разности потенциалов, достаточной для сбора всех ионов, собранный на электродах заряд Q = Qо . Это режим работы ионизационных камер. При еще большей напряженности электрического поля первичные электроны, освобожденные детектируемой частицей, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы произвести ионизацию и освободить новые электроны - вторичные, которые могут, в свою очередь, освободить следующие электроны, и т.д. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, увеличивает число образующихся в газовом объеме пар ионов и является механизмом газового усиления ионизационного эффекта регистрируемого излучения. Таким образом, заряд на электродах увеличивается: Q > Q_o. Это режим работы газоразрядных счетчиков, конструкции которых весьма разнообразны.

Q

1 2 3 4 5 6

0 U, B

Рис. 7.4 Различные режимы функционирования ионизационных детекторов.

Наиболее существенное отличие газоразрядных счетчиков от ионизационных камер заключается в значении напряженности поля между электродами, от которого зависит коэффициент усиления заряда К. Данный коэффициент численно равен отношению количества ионов, пришедших на собирающий электрод, к общему числу первоначально образованных ионов. Коэффициент К зависит от природы газа-наполнителя и конструктивных особенностей детектора. С увеличением значения напряжения коэффициент газового усиления растет по нелинейному закону от единицы до нескольких тысяч.

Самое сильное электрическое поле действует вблизи тонкого анода. Чем больше напряженность электрического поля, тем шире становится область с сильным электрическим полем, в котором возможны ионизации и, следовательно, тем значительнее усиление заряда:

Q=KQ₀.

Область напряжений, в которой коэффициент К является постоянным для заданного значения напряжения независимо от энергии ионизирующей частицы, представляет собой режим пропорционального счетчика. Например, частица с энергией 1 МэВ, создающая в детекторе начальный заряд Q_o, приводит к конечному заряду KQ₀, частица с энергией 2 МэВ создает начальный заряд 2 Q₀ и конечный заряд 2KQ₀. Это позволяет в режиме работы пропорционального счетчика различать слабо и сильноионизирующие частицы, например, бета и альфа-частицы.

При дальнейшем увеличении напряжения нарушается пропорциональность между первоначально образованным зарядом и зарядом, собранным на электродах детектора. Следовательно, в данной области напряжений конечные заряды не являются в точности пропорциональными энергии детектируемой частицы.

Чем выше приложенное напряжение, тем слабее пропорциональная зависимость. Это полупропорциональный режим функционирования газоразрядного счетчика, который практически не используется для регистрации ионизирующих излучений.

При пропорциональном и полупропорциональном режимах работы детектора газовый разряд охватывает небольшую часть объема детектора. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к тому, что газовый разряд охватывает уже весь объем детектора. Объясняется это тем, что во время большинства ионизации в счетчике происходят возбуждения атомов, которые приводят к испусканию ультрафиолетового излучения. При определенных значениях напряжения испускание ультрафиолета становится весьма значительным и формирует разряд вдоль анода и по всему объему счетчика. Газовый разряд охватывает одинаково весь объем детектора при появлении в газе и одной, и нескольких тысяч ионных пар. В данном случае конечный заряд является постоянной величиной; его значение максимально и не зависит от начального числа ионов в. чувствительном объеме детектора и, следовательно, от энергии ионизирующей частицы. Это область самостоятельного разряда или так называемая область Гейгера. Газоразрядные детекторы, работающие в области самостоятельного разряда, называются счетчиками Гейгера-Мюллера. По указанным причинам счетчики Гейгера-Мюллера нельзя применять для определения вида и энергии излучения. Если в счетчике Гейгера-Мюллера еще больше увеличить напряжение, это приведет к внутреннему разряду, а в конечном счете, к разрушению счетчика.

Рассмотрим некоторые типы ионизационных детекторов, которые используются при проведении радиационного контроля на АЭС.

Ионизационные камеры представляют собой детекторы, работающие в режиме тока насыщения. По конструкции ионизационные камеры подразделяют на плоские, цилиндрические и сферические. В плоской ионизационной камере электродами являются параллельные диски; цилиндрическая камера имеет два соосных (коаксиальных) электрода; в сферической камере электроды представляют собой две концентрические сферы.

По назначению различают ионизационные камеры для регистрации альфа, бета, гамма и нейтронного излучений. Ионизационные камеры для регистрации альфа и бета-излучений имеют специальное входное окно, закрытое тонкой пленкой. Толщина пленки должна быть много меньше пробега альфа или бета-частиц в этой пленке. Регистрация гамма-излучения осуществляется по электронам, образующимся при взаимодействии гамма-излучения с веществом.

Ионизационные камеры для регистрации гамма-излучения бывают двух типов: камеры со свободным газом (сеточные) и стеночные («наперстковые»). В качестве камер со свободным газом применяются плоские открытые и цилиндрические камеры, корпусом которых служит тонкая редкая металлическая сетка. Ионизацию воздуха в таких камерах вызывают электроны, возникающие при взаимодействии гамма-излучения с атомами воздуха на расстоянии от камеры, равном пробегу электронов. «Наперстковыми» (или полостными) называют маленькие камеры, ионизационный объем которых окружен твердой стенкой. Обычно стенка является одним из электродов камеры, а второй электрод находится в газовой полости и изолируется от стенки. В таких камерах ионизацию газа-наполнителя создают электроны, возникающие при взаимодействии гамма-излучения с материалом стенки камеры.

Ионизационные камеры, которые служат для определения суммарного ионизационного эффекта, называют токовыми камерами.

В таких камерах ток насыщения пропорционален мощности дозы излучения, а полное количество электричества, образованное за некоторое время, пропорционально дозе облучения за это же время. Этим определяется дозиметрическое применение ионизационных камер.

Для целей дозиметрии важным является знание зависимости чувствительности ионизационной камеры, впрочем, как и любого другого детектора, от энергии ионизирующего излучения.

Под чувствительностью детектора понимают его отклик на единицу измеряемой величины, например, в случае токовых ионизационных камер чувствительность по мощности дозы

I_н / D_B, где D_B - мощность поглощенной дозы излучения в воздухе.

Ионизационную камеру можно использовать для измерения мощности дозы только в том случае, если ее чувствительность по мощности дозы не будет зависеть от энергии ионизирующего излучения. Это достигается подбором вещества стенки камеры и газа с одинаковыми значениями эффективного атомного номера Z_эфф, который для сложного вещества определяется с учетом его состава. Такие камеры называют гомогенными. Частным случаем гомогенной камеры является воздухоэквивалентная камера, эффективный атомный номер стенки которой равен эффективному атомному номеру воздуха, заполняющего чувствительный объем камеры. Следует отметить, что эффективный атомный номер тканей человека (~7.4) близок к эффективному атомному номеру воздуха (~7.6), в связи с чем воздухоэквивалентные камеры иногда называются тканеэквивалентными.

Недостатком описанных «наперстковых» ионизационных камер является их низкая чувствительность. Более чувствительны конденсаторные камеры, принцип работы которых основан на разрядке емкости конденсатора, образованного электродами камеры. Система из двух электродов, разделенных высококачественной изоляцией, заряжается внешним источником напряжения до начальной разности потенциалов U₀. В поле ионизирующего излучения уменьшение потенциала ΔU служит мерой дозы излучения D.

Чувствительность конденсаторной камеры по дозе излучения ΔU/D тем выше, чем больше объем камеры и чем меньше ее электрическая емкость.

Конденсаторные камеры нашли широкое применение в качестве простейших индивидуальных дозиметров. Предварительная зарядка таких дозиметров осуществляется от отдельного источника напряжения. Разность потенциалов (или накопленный на электродах заряд) после облучения определяют либо на отдельном измерительном пульте, либо с помощью специального электрометра, вмонтированного в корпус камеры-дозиметра.

Ионизационные детекторы, в которых используется газовое усиление первичной ионизации, представляют собой газоразрядные счетчики. Использование механизма газового усиления позволяет резко увеличить чувствительность счетчиков по сравнению с ионизационными камерами.

Газоразрядные счетчики классифицируются по режиму работы, конструкции, механизму гашения разряда и назначению.

По режиму работы различают пропорциональные газоразрядные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера; по конструкции - торцовые и цилиндрические счетчики.

По механизму гашения разряда различают самогасящие и несамогасящие счетчики. В газоразрядных счетчиках под действием ионизирующего излучения возникает непрерывный разряд. Этот разряд обусловлен выбиванием фотоэлектронов из катода ультрафиолетовым излучением, источником которого являются возбужденные атомы и молекулы, образующиеся в процессе газового разряда счетчика. Для регистрации новой частицы непрерывный газовый разряд необходимо автоматически прерывать.

Существует два основных метода гашения разряда. В одном случае применяют гасящие радиотехнические схемы. Счетчики, в которых гашение разряда происходит посредством воздействия внешних причин (радиотехнические устройства), называют несамогасящими. В настоящее время, в основном, используются самогасящие счетчики, непрерывный разряд в которых гасится в результате внутренних причин. К основному газу-наполнителю добавляют небольшое количество органических многоатомных веществ (этиловый спирт, метан и др.) или галогенов (хлор, йод, бром). Молекулярные добавки поглощают ультрафиолетовое излучение и непрерывный разряд прекращается.

По назначению различают счетчики для альфа, бета-частиц, гамма-излучения и нейтронов.

Схема включения газоразрядного счетчика показана на рис. 8.5

При прохождении ионизирующей частицы через чувствительный объем детектора в цепи возникает импульс тока, который регистрируется по изменению напряжения на сопротивлении R. Зависимость скорости счета n_сч (количества зарегистрированных импульсов в единицу времени) от напряжения U при постоянной интенсивности излучения называется счетной характеристикой газоразрядного детектора (рис. 8.5).

Наличие плато на счетной характеристике, определяемой экспериментально, свидетельствует о том, что счетчик находится в режиме Гейгера. Чем больше протяженность плато и меньше его наклон, тем лучше счетчик.

Поскольку в счетчиках Гейгера-Мюллера происходит регистрация самостоятельного разряда, возникающего даже от единственной образованной в чувствительном объеме пары ионов, используют эти счетчики, в основном, для измерения плотности потоков ионизирующих излучений или активности радионуклидов.

Рис. 7.5 Схема включения газоразрядного счетчика и его счетная характеристика

U, B

При регистрации больших плотностей потоков частиц необходимо учитывать разрешающую способность счетчиков, т.е. возможность регистрации прошедших через чувствительный объем детектора двух ионизирующих частиц, разделенных малым промежутком времени. Дело в том, что при ударной ионизации в газе электроны в течение 10^-8 с достигают анода и собираются на нем, образуя по пути новые электроны, ионы и возбужденные молекулы газа. Менее подвижные положительные ионы достигают катода лишь за 10^-4 с, образуя вокруг анода пространственный объемный заряд, так называемый «ионный чехол». Этот чехол обрывает разряд, снижая напряженность электрического поря вблизи анода до значений, при которых не может происходить ударная ионизация. Напряжение восстанавливается при зарядке от источника питания эквивалентной емкости С_экв через сопротивление R (рис. 8.5). Интервал времени от момента возникновения первичной ионизации до восстановления напряжения, при котором возможна ударная ионизация, называют мертвым временем счетчика. За это время определенная доля частиц, проникающих в чувствительный объем детектора, не регистрируется. Поэтому при детектировании ионизирующих излучений больших плотностей потоков истинную скорость счета необходимо определять с учетом зарегистрированных импульсов и мертвого времени счетчика.

Конструктивное оформление газоразрядных счетчиков зависит от вида и энергии регистрируемого излучения.

Для регистрации бета-частиц с энергией от 50 до 300 кэВ, а также альфа-частиц применяют торцовые счетчики с входным окном на торце, закрытым пластинкой из слюды или нейлона. Анодом счетчика служит вольфрамовая нить, впаянная в центре стеклянного корпуса. Цилиндрическая стенка счетчика, выполненная из металла, служит катодом. Для регистрации бета-частиц с энергией более 300 кэВ применяют цилиндрические счетчики, катод которых выполнен из тонкой алюминиевой фольги, а анод - из вольфрамовой нити, крепящейся на изоляторах.

Эффективность регистрации таких счетчиков, представляющая собой отношение числа зарегистрированных частиц к числу всех частиц, прошедших через поверхности катода счетчиков, составляет величину около 100%.

Для регистрации гамма-излучения применяют цилиндрические счетчики, в которых катодом служит тонкий проводящий слой, нанесенный напылением в вакууме на внутреннюю поверхность стеклянной трубки, а анодом - вольфрамовая нить, натянутая по оси счетчика.

Эффективность регистрации гамма-излучения счетчиками зависит от материала, из которого изготовлены стенки счетчика, их толщины, а также от энергии излучения и составляет величину в несколько процентов.

Применимость того или иного газоразрядного счетчика для дозиметрии гамма-излучения определяется зависимостью чувствительности n_сч/ D_B от энергии гамма-излучения: чем сильнее эта зависимость, тем менее благоприятно применение счетчика.

Обычные промышленные счетчики имеют значительную зависимость чувствительности от энергии гамма-излучения в области сравнительно низкоэнергетического излучения (до 600 кэВ). Лишь в узком интервале энергий с достаточной для практики точностью сохраняется пропорциональность между показаниями счетчика и мощностью дозы. До некоторой степени энергетическую зависимость чувствительности счетчика можно уменьшить применением дополнительных фильтров. Однако надежнее проводить градуировку приборов со счетчиками по излучению такого спектрального состава, который близок к измеряемому на практике.