1. Газовые ионизационные детекторы Введение

Детектирование нейтронов - нейтральных частиц, не вызывающих ионизации облучаемой среды, осуществляется посредством регистрации ионизирующих продуктов ядерных реакций с участием нейтронов (n,), (n,p), (n,), (n,f) и др., а также ионизирующих продуктов распада радиоактивных ядер, образовавшихся в ядерных реакциях с нейтронами.

В основе функционирования ионизационных детекторов [1, 2, 3] лежит хорошо известное свойство заряженных частиц вызывать ионизацию при взаимодействии с веществом (в частности, газом). Обнаруженные в веществе ионы и электроны (носители заряда) свидетельствуют о наличии ионизирующего излучения, а их количество об интенсивности излучения

Если среда (газ) находится в электрическом поле, то возникшие в среде носители заряда будут перемещаться под действием сил электрического поля и создавать ток в цепи, поддерживающей постоянную разность потенциалов на электродах. Величина этого тока (интенсивность и амплитудное распределение потока импульсов в импульсном режиме) позволяют судить о наличии и некоторых параметрах ионизирующего излучения.

Состав газовой смеси, величина и пространственное распределение напряженности электрического поля, ориентация следа заряженной частицы относительно электродов существенно влияют на амплитуду и длительность импульсов тока, вызванных в детекторе ионизирующими продуктами ядерных реакций. На протекание тока через газовый детектор влияют также ( см. стр. 8):

• рекомбинация ионов и электронов;

• прилипание электронов к нейтральным атомам с образованием тяжелых отрицательных ионов (в благородных газах явление не наблюдается), что существенно увеличивает вероятность рекомбинации зарядов;

• ионизация нейтральных молекул газа ускоренными в электрическом поле электронами (ударная ионизация);

• испускание фотонов возбужденными молекулами с последующей эмиссией электрона вследствие фотоэффекта;

• скорость перемещения (подвижность) носителей заряда в электрическом поле.

Полная картина этого явления достаточно сложная, но при определенной напряженности электрического поля можно выделить некоторые ведущие процессы, а другими пренебречь.

На рис.1.1 изображена зависимость тока через ограниченный плоскопараллельными электродами газовый объём, облучаемый ионизирующим излучением, от разности потенциалов между ними. Напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве пропорциональна разности потенциалов между электродами. В изображенной на рис. 1.1 зависимости выделены 5 областей.

В области I напряженность электрического поля невелика. Вероятность рекомбинации значительна и не все носители заряда попадают на электроды. По мере увеличения напряженности уменьшается время пребывания электронов в межэлектродном пространстве и, соответственно, уменьшается вероятность рекомбинации.

В области II влиянием рекомбинации можно пренебречь. Все ионы и электроны достигают электродов. Ток определяется количеством носителей зарядов, возникающих в чувствительном объеме детектора в единицу времени, и, практически, не зависит от напряженности электрического поля.

В области III напряженность электрического поля уже столь высока, что энергия, приобретаемая электронами между последовательными столкновениями, превосходит потенциал ионизации, и эти электроны при столкновениях с атомами вызывают ионизацию газа (такого рода ионизация называется ударной), создавая К_гу ионов на одну первичную ионизацию. Величину К_гу называют коэффициентом газового усиления. К_гу растет с увеличением напряженности электрического поля в детекторе. Область III ограничивается напряженностью электрического поля, при которой соблюдается пропорциональность между током в детекторе и интенсивностью первичной ионизации. По этой причине ее называют пропорциональной областью.

l n (i)

I

II

III

IV

V

U

Р и с. 1.1. Зависимость среднего тока в детекторе от разности потенциалов на его электродах при разной интенсивности облучения ионизирующим излучением.

Область IV называют областью ограниченной пропорциональности. Положительные ионы покидают чувствительный объем детектора значительно медленнее, чем электроны и образуют пространственный заряд, уменьшающий напряженность электрического поля. Это обстоятельство приводит к нарушению пропорциональности между ионизацией и током в детекторе. Практического интереса (с точки зрения детектирования ионизирующих излучений) область IV не представляет.

Область V. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля в детекторе приводит к росту К_гу - коэффициента газового усиления вследствие увеличения вклада процесса ионизации газа фотонами, излучаемыми возбужденными атомами. Возбужденные атомы возникают при рекомбинации ионов. Если доля фотоионизаций на один вторичный электрон превышает некоторый критический уровень, то возникает самоподдерживающийся газовый разряд. Для его возникновения достаточно появления одного электрона в объеме детектора. Ток в детекторе будет ограничен только параметрами газа, геометрией разрядного промежутка и величиной резистора в цепи питания детектора.

В соответствии с выделенными областями зависимости тока от разности потенциалов (см. рис.1.1) классифицируют и газовые детекторы:

• ионизационные камеры (область II);

• пропорциональные детекторы (область III);

• детекторы, в которых возникает самоподдерживающийся газовый разряд - счетчики Гейгера-Мюллера и коронные детекторы (область V).