2.2 Детекторы

Ионизирующие излучения прямо или косвенно взаимодействуют со средой, в которой они распространяются и изменяют ее физические и химические свойства. Регистрация ионизирующих излучений осуществляется на основе этих изменений свойств среды [8], [9]. В [10] детектор рассматривается как устройство на вход которого поступают ионизирующие частицы, а на выходе появляются сигналы. В зависимости от типа детектора сигналом могут быть вспышки света (сцинтилляционный детектор), импульсы тока (ионизационный детектор), пузырьки пара (пузырьковая камера), капли жидкости (камера Вильсона). Все эти преобразования происходят в чувствительном объеме в котором энергия ионизирующих излучений взаимодействуя с веществом преобразуется в определенный вид сигнала. Вещество представляющее собой чувствительный объем может быть в любом агрегатном состоянии.

1. В зависимости от характера взаимодействия ионизирующих излучений со средой различают следующие основные методы регистрации:

- ионизационный метод;

- люминесцентные методы (сцинтилляционный, радиофотолюминесцентный, радиотермолюминисцентный);

- полупроводниковый метод;

- фотоэмульсионный метод;

- химический метод;

- колориметрический метод.

2. По агрегатному состоянию чувствительного объема:

- газовые;

- жидкостные;

- твердотельные.

3. По виду измеряемого излучения:

- измерение потока заряженных частиц;

- измерение потока гамма-квантов;

- измерение потока нейтронов.

4. По чувствительности:

- высокочувствительные детекторы;

- среднечувствительные детекторы;

- низкочувствительные детекторы.

Далее проводится обзор детекторов.

2.2.1 Ионизационный метод

Ионизационный метод основан на способности ионизирующих излучений вызывать ионизацию молекул и атомов газа, твердых и жидких веществ. Наибольшее развитие и практическое применение получил метод основанный на использовании изменения электрической проводимости газа. Основными ионизационными детекторами являются:

- ионизационные камеры;

- пропорциональные счетчики;

- счетчики Гейгера-Мюллера;

- искровые.

Для регистрации движения (треков) отдельно заряженных частиц применяется камера Вильсона.

По конструкции, назначению, режиму работы ионизационные детекторы разнообразны, но принципиально устройство их примерно одинаково. Они по своей конструктивной схеме являются «резистором» переменного сопротивления, величина которого зависит от интенсивности излучения. Схема подключения детектора показана на рис. 1. На нем показан детектор с плоскими электродами, его называют ионизационной камерой. В тоже время существуют различные другие конфигурации, например, анод – цилиндр, катод – нить на оси цилиндра. Такие детекторы называют газоразрядными счетчиками.

Рис. 1. Схема подключения детектора

На рис. 2 приведена общая вольтамперная характеристика газовых детекторов излучения.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика газовых детекторов

Примечание. В индивидуальной дозиметрии ионизационные детекторы представляют собой конденсатор, который постепенно разряжается под действием излучения.

Далее приводится обзор основных газовых детекторов.

1. Ионизационная камера.

Это – детекторы, работающие в области тока насыщения (см. рис. 2). В ее пределах величина тока ионизации не зависит от напряжения на электродах детекторов. Обусловлено это тем, что практически все заряды, созданные ионизирующим излучением, достигают электродов. Величина тока насыщения зависит от степени ионизации газа. Чем больше эффект ионизации тем больше и величина силы тока. Она определяется по формуле

(2.1)

где: - число пар ионов, образованных в 1с в 1см³ ионизационной камеры,

- рабочий объем камеры в см³,

- заряд электрона.

Формула не учитывает неизбежную частичную рекомбинацию.

Классификация ионизационных камер имеет следующий вид:

А. По конструкции выделяют:

- цилиндрические камеры;

- плоские камеры;

- сферические камеры.

Б. По назначению:

- для альфа-частиц;

- для бета-частиц;

- для гамма-квантов;

- для нейтронного излучения.

Камера, предназначенная для измерения заряженных излучений, имеет входное окно, закрытое тонкой пленкой слюды или алюминиевой фольги. Толщина пленок должна бать намного меньше пробега частиц в их материале.

Для измерения гамма-излучения используются камеры двух типов. Это – нормальные камеры и стеночные камеры. В нормальной камере (камера со свободным газом) ионизацию воздуха вызывают электроны, возникающие при взаимодействии гамма-излучения с атомами воздуха на расстоянии от камеры равном пробегу электрона. В стеночных камерах ионизацию газа в камере вызывают также электроны, но возникающие в стенках камеры. Толщина стенок ее равна пробегу электронов в материале стенки. Тогда стенка пропускает максимальное количество электронов. Если материал корпуса камеры имеет атомный номер близкий к эффективному атомному номеру воздуха заполняющего рабочий объем камеры, то его называют воздухоэквивалентным, а камеру называют камерой со стенками из воздухоэквивалентного материала, т.е. воздухоэквивалентной камерой. В такой камере под действием гамма-излучения 1 г. материала стенки образует столько же электронов, сколько и 1 г. воздуха.

В. По режиму работы камеры подразделяются на токовые и импульсные.

Импульсные камеры используются для регистрации отдельных частиц, а токовые для измерения суммарной ионизации. Принципиально токовая камера не отличается от импульсной, т.е. одна и также камера может использоваться в качестве токовой и импульсной. Это определяется характером измерительных схем.

Основные физические процессы, происходящие в объеме камеры - следующие. Под действием ионизирующего излучения происходит ионизация газа, заполняющего камеру, образуются электроны и положительные ионы. Число пар ионов, образованных в 1 см³ чувствительного объема в единицу времени определяется видом излучения и мощностью поглощенной, а также экспозиционной доз. Если разность потенциалов между электродами отсутствует, то ионы в камере находится в состоянии хаотического, теплового движения, сталкиваются друг с другом и частично рекомбинируют, образуя электрически нейтральные атомы и молекулы. Интенсивность процесса рекомбинации определяют коэффициентом рекомбинации , величина которого зависит от температуры, физико-химических свойств и давления газа в камере. Общее число n_p рекомбинирующих пар ионов в 1 см³ в единицу времени составляет

n_p = n₊n_- = n²

где: n₊ - концентрация положительных ионов,

n_- - концентрация отрицательных ионов, находящихся в 1 см³ объема камеры.

Для воздуха, в котором отрицательный заряд образован электронами, коэффициент рекомбинации составляет (10^-10 – 10^-7) см³/с. Динамическое равновесие между числом образующихся (n₀) и рекомбинирующих пар ионов будет равно

n₀ = n_p = n²

Так как разность потенциалов на электродах камеры отсутствует ток ионизации равен нулю. Если между электродами создать некоторую разность потенциалов, то электроны и положительные ионы начинают двигаться в направлении сил электрического поля. Электроны будут двигаться к положительному электроду, а положительные ионы к отрицательному. При движении к электродам ионы также сталкиваются и рекомбинируют. Но благодаря наличию электрического поля средняя скорость движения ионов увеличивается, возрастает время между столкновениями, уменьшается число рекомбинирующих ионов и часть ионов достигает электродов камеры, где и нейтрализуются. В цепи камеры теперь протекает ток. Его величина определяется числом пар ионов, достигших электродов в единицу времени. Увеличение напряжения на электродах камеры приводит к росту средней скорости движения ионов, а, следовательно, к уменьшению числа рекомбинирующих пар. В то же время число ионов, достигающих электродов и нейтрализующихся на них увеличивается, соответственно возрастает ионизационный ток в цепи камеры. Он пропорционален мощности дозы излучения и зависит от напряжения, приложенного к электродам. Эта зависимость, очевидно, представляет собой вольтамперную характеристику ионизационной камеры (рис. 3).

Рис. 3. Вольтамперная характеристика ионизационной камеры

На кривой вольтамперной характеристики можно видеть пять областей. В области I и II когда напряжение на электродах камеры еще мало не все ионы, образующиеся в результате ионизации, достигают электродов, часть их рекомбинирует. В области I выполняется закон Ома она и называется областью закона Ома. В области II уже отсутствует прямая пропорциональность между током и напряжением из-за уменьшения вероятности рекомбинации. К концу этой области средняя скорость движения ионов возрастает настолько, что рекомбинация практически прекращается и все ионы, образованные в единицу времени, достигают электродов. Дальнейшее увеличение напряжения в пределах области III не приводит к изменению ионизационного тока, так как в объеме камеры образуется, при данной мощности ионизирующего излучения, определенное число пар ионов. Имеем ток насыщения. Напряжение, при котором он достигается, есть напряжение насыщения, а область III, где ток не зависит от напряжения на электродах камеры, называется областью насыщения, именно он и используется в ионизационных камерах. Дальнейшее увеличение напряжения на электродах камеры (область IV и V) приводит к постепенному возрастанию ионизационного тока вследствие того, что энергия электронов, приобретаемая ими на длине свободного пробега, становится столь большой, что они при столкновении с нейтральными атомами и молекулами ионизируют их. В результате количество ионов, достигающих электродов, во много раз превышает число пар ионов, образованных под воздействием ионизирующего излучения. Отношение суммарного числа пар ионов к таковому, возникшему под воздействием излучения, составляет коэффициент газового усиления (к). Его удобно представить в виде отношения ионизационного газа в газе (J_г) к току насыщения (J_н), т.е. к = J_г / J_н . С ростом напряжения на электродах он растет по нелинейному закону от единицы до 10⁴. Область IV называют областью ударной ионизации или областью газового усиления. Ионизационные камеры работают в III области. Четвертая используется в пропорциональных счетчиках. Обзор конструкции ионизационных камер имеется, например, в [8]. Здесь рассмотрены камеры, нашедшие наибольшее применение в войсковой дозиметрической аппаратуре - это цилиндрические и плоские камеры. Цилиндрические камеры (рис. 4) используются в рентгенометрах типа: ДП-3; ДП-3Б.

Рис. 4. Цилиндрическая камера

Плоские камеры выполняются в виде прямоугольной коробки, часто из пресспорошка, внутри которой располагаются стержень или пластина (катод). Изнутри коробку покрывают слоем графита (анод). Для целей индивидуальной дозиметрии используют ионизационные камеры конденсаторного типа, входящие в комплекты: ДП-22В; ДП-24; ДП-23А; ДК-02. Конструкция таких камер показана на рис. 5, 6.

Рис. 5, 6. Конструкция камер

Отдельные заряженные частицы, в том числе атомные ядра, альфа-частицы, протоны можно регистрировать с помощью импульсных камер [11]. Регистрация электронов затруднена, так как импульсы от них слишком малы. Схема подключения камеры для регистрации электронов показана на рис. 7, 8.

Рис. 7, 8. Схема подключения камеры для регистрации электронов

Ионизационные камеры применяются для регистрации нейтронного излучения. В чувствительном объеме этих камер размещают борсодержащие вещество, так называемый радиатор, который, взаимодействуя с нейтронами, обуславливает появление ионов гелия и лития.

₅В¹⁰ + ₀n^/ → ₅В^11* →₂Не⁴ + ₃Li⁷

По их концентрации и судят о величине нейтронного потока. Для регистрации малых нейтронных потоков используют компенсированную ионизационную камеру рис.9.

Рис. 9. Компенсированная ионизационная камера

Камера А содержит радиатор и ток ионизации обусловлен нейтронным и гамма излучением:

J_А = J_n + J_y

Камера В не содержит радиатора и поэтому J_В = J_y. В измерительной диагонали моста протекает ток J_Д = J_n.

1. Газоразрядные счетчики.

К ним относятся пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. В отличие от ионизационных камер в счетчиках используются ударная ионизация, благодаря чему они имеют более высокую чувствительность. Простота самого счетчика, высокая чувствительность, малые габариты и удобство в эксплуатации обуславливают их широкое применение в дозиметрической аппаратуре для регистрации различных видов ионизирующих излучений. Ионизационный ток в газоразрядных счетчиках определяется по формуле

где: - коэффициент газового усиления равный ,

- заряд электрона, равный 1,6 * 10^-19 к,

N – число пар ионов, образованных излучением в 1 с в 1 см³ газа,

с – электроемкость камеры, Ф.

А – амплитуда импульса снимаемого с нагрузочного сопротивления.

Краткая классификация газоразрядных счетчиков:

1. По конструкции:

- цилиндрические;

- торцевые.

2. По режиму работы:

- пропорциональные;

- счетчики Гейгера-Мюллера.

3. По механизму гашения разряда:

- самогасящиеся;

- несамогасящиеся.

4. По назначению:

- для альфа-частиц;

- для бета-частиц;

- для гамма-квантов;

- для нейтронов;

- специальные.

Примечание 1. О механизме гашения разряда. В газоразрядных счетчиках под действием ионизирующего излучения возникает непрерывный разряд который необходимо автоматически прерывать для регистрации новой частицы. Непрерывный разряд возникает следующим образом. В процессе газового разряда в объеме счетчика образуется возбужденные атомы и молекулы, которые становятся источником ультрафиолетового излучения. Последнее воздействует на материал катода и «вырывает» фотоэлектрон. Существуют два основных метода гашения разряда. В первом методе используются гасящие радиотехнические элементы схем. Конкретно, последовательно с собирающим электродом включают большое сопротивление порядка 10⁹ Ом. При прохождении по нему ионизационного тока падает значительная часть напряжения источника питания и в этот момент напряжение на электродах счетчика уменьшается, непрерывный разряд обрывается. Существуют более сложные схемные рецепты, например, использование отрицательной обратной связи с помощью, которой на счетчик подается отрицательный импульс напряжения, снижающий разность потенциалов на электродах счетчика. Счетчики, в которых гашение разряда осуществляется описанными внешними причинами, называют несамогасящимися. В самогасящихся счетчиках непрерывный разряд гасится с помощью внутренних причин, конкретно, к основному газу-наполнителю добавляют небольшое количество органических многоатомных веществ (этиловый спирт, метан, ацетон и др.) или галогенов (хлор, йод, бром). Молекулярные добавки поглощают ультрафиолетовое излучение и непрерывный разряд прекращается. В дозиметрической аппаратуре применяют только самогасящиеся счетчики.

Примечание 2. Конструктивно цилиндрический счетчик представляет собой цилиндр, например, выполненный из стекла, на внутреннюю стенку которого напылен катод. Анод представляет собой нить, натянутую по оси цилиндра диаметром порядка 0,1 мм. Благодаря этому появляется возможность иметь большую напряженность электрического поля, необходимую для создания условий ударной ионизации при сравнительно небольшом напряжении на электродах счетчика. Для регистрации гамма-излучения, а также бета- излучения с энергией больше 500 кэВ могут использоваться цилиндрические тонкостенные счетчики с корпусом из алюминия. Газоразрядные счетчики для измерения нейтронов, прежде всего медленных нейтронов, отличаются от прочих тем, что, как и в ионизационных камерах в них помещается борсодержащее вещество, например, газообразный трифторид бора (ВF₃) или аморфный бор в твердом состоянии. В последнем случае стенки счетчика (катод) покрываются равномерным слоем бора, толщина которого должна быть равна пробегу альфа-частиц. При такой толщине слоя бора эффективность регистрации нейтронов оказывается наибольшей. В чувствительном объеме счетчика протекает с большим сечением реакция, в результате которой появляются ионы:

₅В¹⁰ + ₀n^/ → ₅В^11* →₂Не⁴ + ₃Li⁷

Таким образом, устроены промышленные счетчики СНМ (счетчик нейтронов металлический) [11].

Примечание 3. Торцевые счетчики предназначены для регистрации заряженных частиц (альфа-частиц, бета- частиц). Излучение поступает в окно счетчика, закрытое тонкой пленкой выполненной из слюды или алюминиевой фольги, имеющих поверхностную плотность 3 – 7 мг/см². Корпус счетчика – цилиндр со слоем меди внутри, являющимся катодом. Анод – это стальная или вольфрамовая нить толщиной до 0,3 мм впаянная одним концом в баллон счетчика. Другой конец свободный, на нем укреплена стеклянная бусинка для предотвращения ложных разрядов с острия нити. Она располагается на расстоянии 1 – 3 мм от поверхности окна.

Основные физические процессы, происходящие в газоразрядных счетчиках. Режим работы счетчика определяется величиной приложенного к его электродам напряжения. При малых напряжениях в счетчике возникает насыщенный ионизационный ток, и он работает как ионизационная камера (рис. 3). Амплитуда импульсов при этом не зависит от приложенного напряжения и определяется только числом пар ионов, образованных заряженными частицами в чувствительном объеме. Обычно сравнивают характеристики получившиеся при регистрации альфа-частиц и бета-частиц. У альфа-частицы плотность ионизации составляет примерно 10⁴ пар ионов на 1 см³ воздуха. У бета-частицы плотность ионизации составляет примерно 30 пар ионов [10]. Поэтому амплитуда импульса тока для альфа-частиц много больше таковой для бета-частиц. При дальнейшем росте напряжения на электродах начинается ударная ионизация. При этом сохраняется пропорциональность между количеством импульсов и начальной ионизацией, как для альфа-частиц, так и для бета-частиц. Эту область называют пропорциональной и счетчики, работающие в режиме пропорциональности, называют пропорциональными счетчиками. В этой области сохраняется влияние вида регистрируемых частиц и их энергии, что подтверждается величиной амплитуды и формой импульса. При дальнейшем увеличении напряжения коэффициент газового усиления становится зависимым от количества ионов в лавине. Эта зависимость будет разной у частиц с различной плотностью ионизации. Из-за этого нарушается параллельность вольтамперных характеристик частиц разных типов, но в этой области зависимость от начальной ионизации еще велика и кривые вольтамперной характеристики не сливаются. Область называют областью ограниченной пропорциональности. Она переходит в область самостоятельного разряда – область Гейгера. Здесь возникающий в счетчике импульс не зависит от начальной ионизации и любая заряженная частица, попавшая в чувствительный объем счетчика может вызвать самостоятельный разряд. При развитии самостоятельного разряда для восстановления чувствительности счетчика к появлению новых частиц необходимо разряд погасить. Как уже отмечалось, возможно, внутреннее гашение (самогасящиеся счетчики) и внешнее (несамогасящиеся счетчики). Счетчики, работающие в области Гейгера – это счетчики Гейгера-Мюллера. Основными характеристиками счетчиков являются.

Мертвое время счетчика. Оно определяет время в течении которого счетчик не чувствителен к очередной попадающей в него частиц. Мертвое время определяет разрешающую способность счетчика, то есть способность зарегистрировать раздельно прохождение через чувствительный объем счетчика двух ионизирующих частиц, поступающих через малые промежутки времени. Во многих случаях говорят о разрешающей способности, которая определяется величиной мертвого времени. Достижимая действительная скорость счета n₀ может быть определена из соотношения:

n₀ = n / (1 – n t_м )

где: n – число зарегистрированных импульсов,

t_м – мертвое время.

Выражение справедливо при nt_м < 1.

Счетная характеристика счетчика. Эта зависимость скорости счета (импульсы в секунду) обусловленной радиоактивным источником с неизменной интенсивностью от напряжения, приложенного к электродам счетчика. Счетная характеристика определяется экспериментально и представляется в виде графика (рис. 10).

Рис. 10. Счетная характеристика

Ее определяют для того, чтобы оценить пригодность счетчика к работе и найти рабочее напряжение, при котором будут проводиться измерения. Рабочее напряжение – это напряжение в середине или в первой трети горизонтального участка (плато), на котором скорость счета не зависит от напряжения. Плато имеет протяженность примерно 100 – 300 В и не является строго горизонтальным. Его подъем, то есть наклон обусловлен появлением ложных импульсов. Количественно наклон оценивается возрастанием скорости счета при увеличении напряжения на 1 В, обычно он не превышает 0,1 – 0,15 %. В процессе эксплуатации наклон может увеличиваться в связи, с чем счетчики периодически поверяются. Количественно оценка наклон описывается выражением

, %

где: N_нп – скорость счета в начале плато,

N_кп – скорость счета в конце плато.

Фон счетчика N_ф . Это средняя скорость счета при рабочем напряжении в отсутствие радиоактивного источника. Он в основном обусловлен космическим излучением, радионуклидами, входящими в материал счетчика, его загрязнением и ложными импульсами. Фон счетчика от космического излучения обычно составляет два, три импульса в минуту на 1 см² трубки. Для уменьшения фона от космического излучения счетчики помещают в массивные (свинцовые, стальные) светонепроницаемые экраны.

Эффективность счетчика ε. Это отношение числа частиц, вызвавших импульс (n₁) к общему числу частиц, попавших в счетчик в единицу времени (n₂) то есть:

ε = (n₁ / n₂) * 100%

У газоразрядных счетчиков  может иметь величину от долей процента до 100%. При эффективности в 100% счетчик на каждую влетевшую частицу выдает один импульс. Эффективность зависит от конструкции, материала счетчика, вида и энергии излучения. У счетчиков бетта-излучения эффективность может быть близкой к 100%. У счетчиков гамма-излучения она может составлять 3%.

Срок службы счетчика. Он определяется общим числом зарегистрированных данным счетчиком частиц. Для высоковольтных счетчиков это примерно 10⁹ – 10¹⁰ импульсов.