5.5.3. Детектирование радиоактивного газа.

Радиоактивные газы можно замерить, путём добавления их в заполненный газом объём ИК Входное и выходное окна камеры связаны напрямую с объёмом камеры и позволяют введение газа в качестве пробы,

Рисунок 5-12 ИК используемая для калибровки источников гамма-излучения.

Кривая на рисунке отображает поведение ионизационного тока при небольших изменениях пространственного положения источника излучения

непрерывным потоком. Примеры таких ИК представлены в Refs 7 и 13. Ионизационный ток, который образуется из-за данного количества газа в камере, равен:

где: I – ионизационный ток (А)

α –суммарная активность (Бк)

- среднее количество энергии, выделенное в газе (эВ)

е – заряд электрона (Кл)

W – среднее количество энергии, выделенное каждой ионной парой в газе

Величину достаточно просто определить только в случае небольшой энергии ионизирующего излучения , когда она почти полностью поглощается имеющимся в камере газом. Например, мягкие бета-частицы, образующиеся при распаде трития, обладают средней энергией 5,65 кэВ и примерно совпадает с данной величиной камеры, которая превышает диапазон энергий бета-частиц в газе. Так как энергия бета-частиц достаточно велика, типичные диапазоны сравнимы с размерами камеры, необходимо использовать более сложные методы для определения средней вложенной энергии.

При исследовании проб воздуха, содержащего некоторое количество радиоактивного газа, нужно постоянно наблюдать за процессом. Когда газ проходит через камеру, он становится причиной изменений в атмосфере, и возникают некоторые трудности. Эти мешающие эффекты могут возникать из-за влажности, аэрозолей, ионов и дыма, которые могут находиться в образцах воздуха. Для предотвращения подобных шумов, поступающий в камеру воздух можно предварительно обработать и отфильтровать на предмет большинства этих факторов.*

Камера также чувствительна к окружающему фоновому гамма-излучению, с этим можно бороться, предварительно перед замерами, засняв фон окружающей среды, а затем после замеров, вычесть его из получившихся результатов. Если же, гамма-излучение окружающей среды меняется с течением времени, то нужно снимать фон параллельно измерению ещё одной камерой и затем также вычитанием фона из общей картины, получить результат.

4. Импульсный режим

А. Общие положения.

В токовых ИК в которых гальванометром измеряется сила тока I, создаваемого электронами и ионами, зависимость I от V () вольтамперная характеристика имеет горизонтальный участок, где ток не зависит от напряжения (ток насыщения I0). Это соответствует полному собиранию на электродах всех образовавшихся электронов и ионов. Участок насыщения обычно является рабочей областью ИК. Токовые ионизационная камера

Рисунок 5-13. Эквивалентная схема И.К. работающей в импульсном режиме. Здесь Vr-внешнее приложенное напряжение, а С- емкость камеры плюс любые параллельные емкости.

дают сведения об общем интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 сек. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений. Помимо токовых есть ИК используемые в импульсном режиме. В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Как уже говорилось в 4 главе, импульсный режим обладает рядом преимуществ, особенно это касается чувствительности и разрешающей способности детектора. ИК с импульсным режимом используются в спектроскопии ионизирующего излучения, хотя раньше вместо них использовались полупроводниковые барьерные детекторы. Однако, импульсные ИК играют значительную роль при решениях задач, связанных с детектированием нейтронного излучения, о чем подробнее - в 14 главе.

Эквивалентная схема ИК в импульсном режиме, изображена на картинке 5-13. Напряжение на нагрузке R – главный электрический сигнал. При отсутствии ионизационного заряда, напряжение на сопротивление будет = 0, и сигнала не будет, а все начальное напряжение Vo уйдет на саму ИК. Когда ионизирующие частицы проходят сквозь объем ИК, создаются ионные пары, отклоняющиеся и дрейфующие под действием электрического поля. Как будет показано далее, эти дрейфующие заряды будут служить причиной индуцирования зарядов на электродах камеры и, как следствие, начальное напряжение Vo ИК будет уменьшаться. Затем появляется напряжение на нагрузке, которое равно значению, на которое снизилось напряжение на ИК Когда все заряды ИК находятся на противоположных электродах, это напряжение становится максимальным. Затем происходит медленное возвращение к состоянию равновесия за время, определяемое постоянной RC внешнего контура. В течение этого времени, напряжение на нагрузке достигает 0, а напряжение на ИК возвращается к начальному значению Vo. Если постоянная времени RC цепи превышает время сбора зарядов внутри ИК , образовывается сигнал с амплитудой, показывающей величину первичного заряда ИК.

Раннее, когда мы упоминали электроны и их подвижность в газах, мы говорили, что для сбора электронов в пространстве, диапазоном несколько сантиметров, необходимо всего несколько микросекунд. С другой стороны ионы (не играет роли , положительные или отрицательные ) передвигаются медленнее и для их сбора необходимо время , измеряемое уже миллисекундами. Сигнал, точно отражает первоначальный заряд и ионов и электронов, который будет создан, но постоянная времени и последующее время формирования импульса будет больше чем миллисекунды. В таких условиях, частота повторения импульсов И.К. не должна быть большой, чтобы избежать избыточного накопления импульсов. Кроме того, выходная чувствительность цепи с низкими частотами делает систему восприимчивой к микрофонным шумам, образующимся из-за вибраций внутри ИК. По этим причинам, ИК импульсного типа чаще всего работает в электронно-

чувствительном режиме. Здесь взята постоянная времени, которая находится между временем сбора электронов и времени сбора ионов. Амплитуда импульса, отображает дрейф электронов и постоянно меняется. Однако существенную ошибку можно допустить, в случае, если амплитуда исходящего сигнала становится чувствительней по отношению к радиационному взаимодействию внутри камеры и не отражает общее число сформированных ионных пар. Использование более сложных трехэлектродных - сеточных камер, описанных в следующем разделе, может в значительной степени помочь преодолеть данные трудности . Заполняющий газ любой электронно-ионной чувствительной камеры, конечно, необходимо выбирать из тех газов, в которых электроны остаются свободными и не образуют отрицательных ионов.

Выведение формы сигналов.

В следующих выводах, мы предполагаем, что насыщенное электрическое поле должно использоваться так, чтобы рекомбинация ионов была незначительна и, чтобы отрицательные заряды выступали в качестве свободных электронов. Первоначально, мы вывели выражение для формы импульса в случаи, когда собирательная постоянная времени цепи значительно дольше, чем время для сбора ионов и электронов.

Форма импульса зависит от конфигурации электрического поля и места, в котором происходит формирование ионных пар по отношению к эквипотенциальным поверхностям, определяющим геометрию поля. Для упрощения анализа, мы допускаем, что электроды в камере это параллельные пластинки, для которых эквипотенциальные поверхности равномерно и параллельно расположенные по отношению к поверхностям электродов и постоянная напряженность электрического поля определяется

V - напряжение на электродах камеры и d - расстояние между ними. Также, для того, чтобы упростить анализ, мы предполагаем, что все ионные пары образуются на равном расстоянии х от положительного электрода, где электрического потенциала равен εx (схема5-4).

Форма импульса наиболее легко выводится на основе аргументов, связанных с сохранением энергии. Поскольку постоянная времени цепи внешней нагрузки должна быть больше, незначительный ток может проходить за относительно короткий промежуток времени, необходимый для сбора зарядов внутри ИК. Таким образом, энергия, необходимая для перемещения зарядов с места их происхождения должна исходить от энергии первоначально накопленной в ёмкости C, то есть в ионной камере и связанными с ней паразитными ёмкостями. Эта энергия ½ .С* Vo ², где Vo - приложенное напряжение.

Через некоторое время t, ионы будут продвигаться по дистанции (v+)*t к катоду, где v+ - скорость дрейфа ионов. Кроме того, электроны продвинутся ближе к аноду (расстояние – (v-)*t).Оба эти движения представляют собой движение заряда в области низкого электрического потенциала, и разница в потенциальной энергии поглощается газом при многократных столкновений носителей заряда с молекулами газа при движении. Эта энергия равная Q * Δφ как для ионов, так и для электронов, где Q суммарный заряд ; Δφ - разность потенциалов. Заряд Q = No*e, No – количество первоначальных ионных пар и е - заряд электрона. Разность потенциалов –обусловлена наличием электрического поля Е и расстоянием между электродами.

Рисунок 5-14 Диаграмма для вывода формы импульса Vr(t) сигнала и.к. См. в тексте.

Закон сохранение энергии можно записать следующим образом:

Первоначальная энергия энергия остающаяся

Накопленная = поглощённая + поглощённая + накопленная

Энергия электронами электронами энергия

Напряжение измеряется на резисторе R в схеме 5-14 и обозначается как Vr. Его величина мала, по сравнению с Vo и вычисляется по следующей формуле Vo – Vch.

Приближённая формула для вычисления :

Подставляя эти значения в формулу, мы получаем:

Полученная формула описывает первоначальную часть сигнала импульса и указывает на линейное увеличение со временем. Но это происходит только во время дрейфа и ионов, и электронов в камере. Понятие наведённого (индуцированного) заряда иногда используется для описания изменений, связанных с дрейфом зарядов. При прохождении расстояния v(+)*t ионы вызывают снижение электрического напряжения камеры на No*e v(+)*t/dC. Такой же эффект может быть достигнут при уменьшении накопленного заряда в ёмкости C количеством No*e(v+)*t/d. Однако, при движении зарядов может произойти индуцирование заряда данной величины. Подобный заряд создаётся также при движении электронов. Стоит отметить, что наведённый заряд возникает лишь при движении зарядов внутри объёма камеры и не предполагает их сбора на электродах.

За времени t= x/(v-) электроды достигают анода. Их дрейф максимально влияет на сигнал напряжения и следующий временной период становится равным величине (t-). Это постоянная величина No*e v(-)*(t-)/dC. или No*ex/dC. . В течение следующего временного отрезка ионы продолжают дрейфовать и формула (5-14) приобретает следующий вид:

Через некоторое время t+ = (d-x)/(v+) Ионы достигают катодов. На этом этапе напряжение сигнала не увеличивается и становится, согласно 5-14

или

Форма сигнала импульса, описанная формулами (5-14), (5-15) и (5-16), показана на Рис. 5-15. Когда время сбора очень велик или RС ,больше t+, максимальная величина сигнала импульса может быть выражена в следующей формуле:

V max = NoE/ c (5-17)

И она зависит от места формирования ионных пар в камере. В этих условиях, измерение амплитуды импульса Vmax указывает на исходное число пар ионов, которые повлияли на импульс.

Рисунок 5-15. Выходной сигнал Vr(t), для различных постоянных RC из схемы 5-14

При электронно-чувствительном режиме, доля полученного импульса от дрейфе ионов практически теряется при выборе постоянной времени сбора, которая значительно меньше, чем время сбора ионов. Импульс сохраняется и затем отражает только дрейф электронов и его амплитуда, согласно (5-15) (при пренебрежительном ионном дрейфе) будет равна:

Форма импульса изображена на схеме 5-15. Доля импульса возрастает и сохраняется, и сейчас её величина зависит от позиции X,в которой электроны первоначально формируются в камере.

В любой ситуации ионизационное излучение создаёт ионные пары в различных местах внутри ИК. Жёсткие границы, изображённые на рисунке 5-15, стираются в результате полученного импульса. При электронно-чувствительном режиме так же возникает ситуация, когда диапазон величин импульса создаётся при моноэнергетическом падающем напряжении, что является минусом

С. Сеточные ионные камеры.

От зависимости величины импульса от места взаимодействия в электронно-чувствительной И.К. можно избавиться, при использовании устройства, изображённого на схеме 5-16. На данном рисунке объём И.К. разделён на две части с помощью сетки Frisch(названного в честь создателя).При использовании внешней коллимации или специального расположения источника радиации, все радиационные взаимодействия ограниченны объёмом между сеткой и катодом камеры. Положительные ионы должны дрейфовать от объёма к электродам. Сетка устанавливается на промежуточном потенциале, между двумя электродами и она должна быть максимально прозрачна для электродов. Однако на начальной стадии электроды искажаются при взаимодействии объёма и сетки. В связи с расположением нагрузочного сопротивления в цепи, ни нисходящий дрейф ионов, ни восходящий дрейф электронов не происходит, до тех пор, пока сетка не установит сигнал для измерения напряжения. Однако при передвижении к аноду электроны проходят через сеть, и анодное напряжение сети начинается опускаться и на резисторе создается напряжение. Вспомнив формулу 5-14, можно предположить, что для временной постоянной цепи, большей, чем время сбора электронов, сигнал напряжения, в зависимости от времени, можно вычислить следующим образом.

где d, пространство, от сетки до анода. Данная линейная зависимость продолжается до тех пор, пока электрон не достигнет анода. Максимальное напряжение сигнала – идентичное тому, что представлено в формуле 5-17. Данный сигнал получается в основном из-за дрейфа электронов, нежели из-за движении электронов и положительных ионов. Медленное увеличение, соответствующее дрейфу ионов не происходит, и временная постоянная

цепи может быть намного меньше, чем в обычном электронно-чувствительном режиме, описанном в предыдущей главе. Каждый электрон проходит разность потенциалов и вносит свой вклад к сигналу импульса, амплитуда импульса импульса тогда не зависит от местарасположения точки формирования ионных пар и просто пропорциональна общему числу пар, образованных на всем пути частицы.

Рисунок 5-16. (a) Принцип действия Сеточной И.К.. Все ионных пары должны быть образованы в нижней части камеры между катодом и сеткой. (b) форма импульса, образовавшегося от создания No пар ионов на расстоянии у от сетки, где d это расстояние от сетка до анода. [см. часть (а)]. Увеличение сигнала происходит из-за дрейфа электронов в районе Сетка-Анод. Через время, равное постоянной цепи RC , сигнал снова спадет до нуля.

D.Амплитуда сигнала

Обычно амплитуда сигнала ИК относительно мала. По опыту предыдущих глав, можно сказать, что максимальную амплитуду сигнала можно ожидать при образовании N_o в обычной или сеточной ИК и эта амплитуда будет равна:

Если потери заряженной частицы в объеме ИК равны 1МэВ, то число No можно вычислить:

Для обычных ИК и соответствующей электропроводности, емкость С будет порядка 10^-10 Ф. Затем считаем максимальную амплитуду:

Сигнал такого уровня может быть успешно обработан, но необходимо использовать относительно сложные предусилители и обработку данных для избегания потерь и минимизации шумов.

Сигналам от электронного или гамма - взаимодействия обычно соответствуют меньше оригинальных пар ионов, и у нас число пар может получиться в 100 раз меньше, чем в предыдущем примере. Поэтому очень трудно, если не невозможно, хорошо усилить эти импульсы и без значительных потерь вследствии воздействия различных источников шума в цепи сигнала. По этим причинам, детекторы, описанные в последующих двух главах, которые используют коэффициент газового усиления заряда, часто предпочтительнее из-за их относительной простоты использования.