Ионизационный метод регистрации излучений. Ионизационная камера.

Ионизационный метод регистрации излучения основан на способности этого излучения вызывать ионизацию вещества. Ионизационные камеры, как и пропорциональные счетчики, а также счетчики Гейгера-Мюллера относятся к разряду газовых детекторов ионизирующих излучений.

Под действием любого ионизирующего излучения в веществе (газе) из нейтральных атомов или молекул образуются ионы, несущие положительные или отрицательные электрические заряды. Положительные ионы возникают в результате отрыва от атома, молекулы или группы молекул одного или нескольких внешних электронов. Такие электроны в зависимости от рода газа либо остаются свободными, либо присоединяются к нейтральным частицам газа, образуя отрицательные ионы. В обычных условиях образовавшиеся ионы существуют недолго, они рекомбинируют, то есть вновь соединяются в нейтральные атомы и молекулы.

Газ имеет ряд преимуществ по отношению к другим средам для детектирования. Подвижность ионов в нем является наиболее высокой. В электрическом поле ионы газа довольно быстро перемещаются к соответствующим электродам, вследствие чего их рекомбинация незначительна. Однако концентрация ядер газа, а как следствие степень взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, для них намного меньше, чем для конденсированных сред. Поэтому при работе с различными радиоактивными источниками приходится измерять силу ионизационного тока от 10^-16 до 10^-11 А.

По своей конструкции и схеме включения в измерительную цепь любой газовый счетчик напоминает работу конденсатора. Схема включения ионизационной камеры: 1-анод, 2-катод, 3-гальванометр, 4-источник напряжения, 5-ИИИ. Конденсатор детектора состоит из электродов, между которыми находится газ. Чаще всего в ионизационных камерах используется один из инертных газов (гелий, аргон, ксенон, криптон), а также водород, при повышенном или пониженном давлении (в зависимости от решаемой задачи). Конструктивно корпус ионизационной камеры может быть выполнен в форме плоского конденсатора, в виде цилиндра или сферы. К обкладкам конденсатора прикладывают напряжение для того, чтобы в рабочей области детектора напряженность электрического поля была величиной в несколько сотен В/см. Если в рабочую область попадает ионизирующая частица, то вдоль пути ее движения образуются пары ионов обоих знаков. Электрическое поле обеспечивает дрейф зарядов к противоположным по знаку заряда электродам камеры. Достигая поверхности электродов, заряды вызывают во внешней замкнутой цепи компенсационный электрический ток.

На рисунке представлена ВАХ ионизационной камеры. Физические явления, происходящие в ионизационной камере, можно объяснить следующим образом:

- Область I. Величина ионизационного тока определяется суммарным электрическим зарядом ионов, достигших соответствующих электродов в течение 1 сек. В слабом электрическом поле только часть образовавшихся ионов может попасть на электроды. Большая же часть ионов с разными знаками рекомбинируют друг с другом, то есть заряды их нейтрализуются, прежде чем они достигают электродов. В этом случае камера малоэффективна для регистрации излучения.

- Область II. В более сильном электрическом поле скорость движении ионов возрастает, а вероятность рекомбинации уменьшается до нуля. При этом все ионы, образующиеся в газе, попадают на электроды. Ионизационный ток возрастает и достигает значения насыщения i_нас. Ионизационные камеры обычно работают в режиме тока насыщения. По току насыщения можно определить интенсивность излучения и вычислить активность радиоактивного вещества. Таким образом, область II является рабочим диапазоном ионизационной камеры.

- Область III. При очень больших разностях потенциалов ток снова возрастает, пока не наступит пробой ионизационной камеры.

Уравнение ионного режима или изменение числа пар ионов со временем для ионизационной камеры будет иметь следующий вид:

N - число пар ионов, образующихся ежесекундно в единице объема газа (ионизация);

n - число ионов каждого знака, уже существующих в том же объеме газа;

e - заряд иона;

i - ионизационный ток;

α - коэффициент рекомбинации ионов;

V_i - ионизационный объем газа.

То есть, из ежесекундно образующегося в единице объема числа пар ионов N часть уходит на рекомбинацию, а другая часть отводится на электроды.

При установившемся режиме (в области II) dn/dt=0, тогда i=V_ie(N− α n²). Если электрическое поле отсутствует, то i=0 и N=α n². Отсюда концентрация существующих пар ионов будет иметь максимальное значение .

С возрастанием разности потенциалов на электродах рекомбинация ионов уменьшается, и сила тока возрастает (i> 0). Следовательно, N − α n²> 0, или N> α n². То есть концентрация существующих ионов убывает за счет их отвода на электроды. Когда ионизационный ток будет равен току насыщения нас i = i_нас, рекомбинация будет равна нулю.

Тогда нас i = i_нас =V_ieN, то есть ток насыщения i_нас не зависит от разности потенциалов между электродами, а пропорционален объему V_i, в котором происходит ионизация, и числу пар ионов, образующихся и единицу времени N = /ε (где - мощность экспозиционной дозы, e - средняя энергия ионообразования).

Зависимость мощности экспозиционной дозы от тока насыщения будет описываться выражением:

Так как доза облучения X = t, то, с помощью умножения обеих частей уравнения на время t, устанавливается зависимость экспозиционной дозы от заряда: i_нас t = V_ieX/ε, где i_насt = Q, (Q – собираемый на электродах заряд). Таким образом:

Откуда получаем, что ток насыщения прямо пропорционален мощности дозы, а заряд – дозе.

Если обозначить емкость ионизационной камеры C, а потенциал, сообщенный камере U₁, то будет справедливым следующее выражение Q₁ = CU₁. В результате облучения камеры потенциал уменьшится и станет равным U₂. Потенциалу U₂ соответствует заряд Q₂ = CU₂. Уменьшение заряда на электродах будет равно: т.е. исходя из предыдущих соотношений, измерение экспозиционной дозы облучения может выполнено по измерению падения напряжения на электродах камеры.

Ионизационные камеры удобны для регистрации суммарного ионизационного эффекта, вызванного излучением сравнительно большой интенсивности и небольшим пробегом в газовом наполнении (например, альфа-частиц). Использование их для регистрации отдельных электронов, или фотонов электромагнитного излучения, сопряжено с решением ряда проблем, связанных с улучшением параметров электронной аппаратуры, поскольку амплитуды импульсов сопоставимы по величине с шумами электронной аппаратуры.

Классификация ионизационных камер:

1. По назначению:

- Импульсные. Предназначены для измерения числа частиц и их энергий путем регистрации импульсов тока, возникающих в камере при прохождении через нее заряженных частиц);

- Интегрирующие. Предназначены для измерения ионизационного тока за некоторой интервал времени).

2. По конструкции:

- Камеры с внутренним расположением ИИИ. Предназначены для измерения излучения от альфа-частиц и нейтронов;

- Стеночные. В них ионизация, производимая в измеряемом объеме, в большей степени обусловлена частицами, выбитыми из стенок камеры (детектирование гамма-излучения, вета-излучения, нейтронов);

- Диафрагмовые. В измеряемом объеме ионизация создается не только частицами, образующимися в самом объеме, но и частицами, поступающими из окружающего газа. Используется для абсолютных измерений гамма-излучения и рентгеновского излучения.

 

Теория Грея

В теории Грея был рассмотрен случай твердой среды, пересекаемой вторичными электронами, и показано, что введение в эту среду небольшого объема газа не искажает углового и энергетического распределения вторичных электронов в месте расположения газовой полости. При этом, электронное равновесие в газовой полости будет обеспечено, если уменьшение ионизации в ней за счет выхода электронов из рассматриваемого объема будет компенсироваться за счет повышения ионизации, вызванной вторичными электронами, выбитыми из стенок камеры. При выводе теоретических соотношений теории Грея были сделаны следующие допущения:

1. Интенсивность ИИИ постоянна (твердом теле и газовой полости);

2. Размеры газовой полости должны быть значительно меньше пробегов вторичных электронов в газе (т.е. вклад в полную ионизацию от поглощения гамма-квантов в газовой полости будет незначительным);

3. Включение малой полости в большой объем твердого теле не меняет энергетическое и пространственное распределение вторичных электронов;

4. Газовая полость для достижения в ней электронного равновесия должна быть окружена тонким слоем твердого вещества, толщина которого должна быть равна максимальному пробегу вторичных электронов в этом веществе.

Отношение энергетических потерь электронов в стенках камеры к аналогичным потерям электронов в газе определяется соотношением:

- потеря энергии электронов, прошедших в стенке камеры расстояние, соответствующее единице массы вещества про площади 1 см²,

- потеря энергии электронов в воздухе,

, - массовые тормозные способности вещества (материала стенки и воздуха соответственно).

– плотность воздуха,

– линейный пробег электронов в воздухе,

– плотность вещества,

– линейный пробег электронов в веществе.

Эта величина определяет потерю энергии электрона на единице толщины слоя вещества, выраженной через массу, приходящуюся на единицу площади.

Пусть N_B – число пар ионов, образующихся в единице массы воздуха, а W – средняя энергия образования пар ионов в воздухе, тогда Используя формулы 1 и 2 получим основное соотношение теории Грея – формулу Брэгга-Грея:

В случае, если достигается электронное равновесие, будет справедливо следующее:

– линейные коэффициенты поглощения энергии электронов в воздухе и веществе соответственно. Тогда K можно записать как:

, – линейные тормозные способности в веществе и воздухе соответственно,

– число образующихся заряженных частиц.

Используя формулы 3, 4 и 5 получим:

– линейный коэффициент ослабления на 1ин электрон (аналогично для воздуха). Тогда:

– ионный ток,

– скорость,

– заряд электрона.

Расчет мощности экспозиционной дозы:

Электронное равновесие

Рассмотрим объем V воздуха, находящегося в поле гамма-излучения. В объем Vr попадают гамма-кванты и электроны в следствии облучения в объеме VR.

E_погл(Vr) равна разности между суммой всех электронов и фотонов входящих в объем и покидающих его:

Входящая в Vr энергия фотонов расходуется на кинетическую энергию фотонов после фотоэффекта и комптоновское рассеяние:

Предполагается, что гамма-кванты, покидающие Vr не создают электроны, способные вызвать ионизацию в этом объеме, следовательно, поглощённая энергия в общем случае не равна кинетической энергии электронов, освобожденных фотонами в пределах данного объема.

Равенство поглощённой энергии излучения в некотором объеме вещества и энергии, преобразованной в кинетическую энергию электронов в том же объеме будет только в том случае, когда удовлетворяются условия электронного равновесия:

1. Интенсивность и спектральный состав гамма-излучения постоянный во всем объеме Vr,

2. ,

3. Учитываются только те электроны, которые имеют одинаковый пробег.

При соблюдении этих условий полная энергия электронов в объеме будет компенсироваться поглощением в этом объеме части энергии электронов, образующихся в пределах объема. При наличии такой компенсации можно считать, что поглощённая энергия излучения равна суммарной кинетической энергии ионизированных частиц, созданных в этом объеме т. е. соблюдаются условия равновесия: . Тогда (Сумма всех энергий электронов, входящих в объем равна суммарной энергии электронов, покидающих его).

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: