24. Детекторы, основанные на ионизации

24. Детекторы, основанные на ионизации

Как уже упоминалось, во многих приборах для радиационного контроля в качестве метода регистрации используется ионизация. Существует два типа наиболее часто используемых детекторов – это газонаполненные детекторы и твердотельные полупроводниковые детекторы.

2.1     Газонаполненные детекторы

Газонаполненные детекторы состоят из камеры, наполненной газом (часто воздухом) и двух пластинок с приложенным напряжением, называемых электродами. Положительный электрод называется анодом и, как правило, располагается в центре камеры. Он электрически изолирован от внешней оболочки. Внешняя оболочка камеры, как правило, является отрицательным электродом или катодом. На Рисунке 1 показана упрощенная схема газонаполненного детектора.

Упрощенная схема газонаполненного детектора

2.1.1     Как они работают

Падающее излучение взаимодействует со стенками камеры или молекулами газа и создает пары ионов. Если к электродам приложена разность потенциалов, положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а электроны движутся к положительно заряженному аноду. Заряд накапливается на аноде, вызывая изменение общего напряжения. Это изменение напряжения передается как импульс, а наличие такого импульса вызывает ток во внешней цепи. Регистрируя этот импульс или ток можно определять наличие ионизирующего излучения.

Амплитуда импульса зависит от количества электронов, собранных на аноде, что определяется количеством ионизирующего излучения, поступающего в камеру, а также его видом и энергией.

Кроме того, амплитуда импульса также является функцией напряжения, приложенного между катодом и анодом. Рисунок 2 показывает, как изменяется высота импульса по мере увеличения приложенного напряжения.

Рисунок  2

Зависимость амплитуды импульса от напряжения для газонаполненного детектора

Как видно из Рисунка 2, изменение амплитуды импульса с ростом напряжения имеет несколько четко выраженных областей. Эти области известны как область рекомбинации, область ионизационной камеры, пропорциональная, Гейгера-Мюллера и область непрерывного разряда.

2.1.1.1     Область рекомбинации

Когда напряжение, приложенное к камере низкое, сила, движущая ионы к соответствующим электродам, также достаточно мала. В этом случае одновременно протекают два процесса. Один из них – сбор ионов, а другой – рекомбинация ионов. Это означает, что после образования ионов, они могут рекомбинировать, становясь снова нейтральными, прежде, чем они будут собраны на электродах. Таким образом, импульс во внешней цепи зависит от конкуренции между этими двумя процессами.

По мере роста напряжения на электродах, все больше ионов достигают электродов и амплитуда импульса возрастает (смотрите Рисунок 2). Однако, рекомбинация ионов все еще существенна и поэтому эта область называется областью рекомбинации. Газонаполненные детекторы не могут нормально функционировать в этой области, так как рекомбинация ионов осложняет измерение величины излучения.

2.1.1.2     Область ионизационной камеры

Когда напряжение достаточно велико, почти все образовавшиеся ионы достигают электродов и потеря ионов при рекомбинации незначительна. В этой области происходит практически полный сбор заряда и величина импульса не растет с изменением приложенного напряжения. Происходит выход амплитуды импульса на плато, называемое областью ионизационной камеры (смотрите Рисунок 2).

Ток в цепи также достигает максимального значения, называемого током насыщения. Ток насыщения пропорционален интенсивности излучения, попадающего в камеру, и с ростом его уровня ток насыщения также возрастает.

2.1.1.3     Пропорциональная область

Если напряжение выше диапазона ионизационной камеры, амплитуда импульса снова начинает расти. Этот рост можно объяснить, если рассмотреть, что происходит с ионами. По мере роста приложенного напряжения, ионы не только приобретают энергию, необходимую, чтобы достичь электродов, но и энергию, достаточную для ускорения. Ускорение вызывает образование все большего количества ионных пар посредством вторичной ионизации молекул газа. Этот процесс называется газовым усилением и приводит к сбору все большего количества ионов, что вызывает больший импульс.

Рисунок 3 показывает, как отдельный электрон ускоряется в направлении анода, что приводит к созданию электронно-ионной лавины.

Рисунок  3

Газовое усиление в пропорциональной области

Увеличение количества собираемых ионов является функцией приложенного напряжения. Однако, величина результирующего импульса, пропорциональна начальному количеству образованных в газе ионов. По этой причине область напряжений приложенных к газонаполненному детектору, в которой это происходит, называется пропорциональной областью.

2.1.1.4     Область Гейгера-Мюллера

Если напряжение еще увеличить, газовое усиление будет настолько сильным, что отдельная ионизирующая частица вызовет многочисленные лавины по всей длине анода, в результате чего возникнет мощный импульс. Область напряжений, где это происходит, называют областью Гейгера-Мюллера, в этой области размер импульса не зависит от энергии частиц ионизирующего излучения. Амплитуда импульса регулируется больше внешней цепью, чем самим газонаполненным детектором, и амплитуда импульса почти не изменяется с изменением напряжения (смотрите Рисунок 2).

2.1.1.5     Область непрерывного разряда

Если напряжение возрастает сверх области Гейгера-Мюллера, и оно достаточно высоко, чтобы непосредственно ионизировать молекулы газа, то разряд наблюдается даже после прекращения действия на детектор ионизирующего излучения. Эта область называется областью непрерывного разряда и поскольку показания прибора в этом случае не зависят от наличия излучения, детекторы ионизирующего излучения не работают в этой области.

!

Газонаполненные детекторы ионизирующего излучения не функционируют в области непрерывного разряда.

Вопросы для Самопроверки 2

Теперь выясните, как много Вы усвоили, отвечая в ваших рабочих тетрадях на следующие вопросы:

1.             На каком методе регистрации ионизирующего излучения основана работа газонаполненных детекторов?

2.             Заполните пропуски подходящими словами или фразами:

Газонаполненные детекторы состоят из камеры, наполненной ____ и двух пластинок с приложенным напряжением, называемых __________. Положительный электрод называется _______, а отрицательный – __________. Попадающее излучение, взаимодействуя со стенками камеры или молекулами газа, создает ____ _______. Если к электродам приложено напряжение, _________ _____ притягиваются к отрицательно заряженному электроду, а _________  движутся в направлении положительно заряженного электрода. Это приводит к изменению напряжения в цепи. Это изменение напряжения воспринимается как __________, и так же вызывает ток во внешней цепи. Путем регистрации изменения напряжения или тока, можно детектировать и измерять интенсивность ионизирующего излучения.

3.      а) Перечислите пять областей работы газонаполненных детекторов.

б)      Заполните следующую таблицу, приводя в соответствие названия различных областей с их описанием.

Область Описание
1. а) Область, в которой приложенное напряжение достаточно велико, чтобы вызвать ускорение ионов.
2. б) Область, где происходит практически полный сбор ионов, и ток достигает постоянного значения, называемого током насыщения.
3. в) Область, где многие ионы не достигают электродов.
4. г) Область, в которой напряжение достаточно велико, чтобы вызывать самостоятельно ионизацию молекул газа.
5. д) Область, где амплитуда импульса не зависит от энергии падающего излучения.

4.      Какие из этих областей используются для регистрации ионизирующего излучения?

Теперь сравните свои ответы с правильными ответами в ваших рабочих тетрадях.

2.1.2     Временное разрешение, мертвое время и восстановительное время

Перед рассмотрением принципов работы различных типов газонаполненных детекторов, важно понять понятия «мертвое время», «восстановительное время» и «временное разрешение». Если время временного разрешение велико, при высокой скорости счета импульсы с детектора могут располагаться так близко во времени, что большое количество информации будет утеряно. Это означает, что общее количество отсчетов может быть значительно недооценено.

Временное разрешение детектора определяется как минимальное время, которое должно разделять два импульса, чтобы они были зарегистрированы как два отдельных события. Временное разрешение зависит от следующих факторов:

  • Мертвое время детектора (т. е. отрезок времени, в течении которого сигнал или импульс возрастает до величины достаточной, для его регистрации); и
  • Восстановительное время (т. е. время, в течение которого детектор восстанавливается после ионизационного воздействия и возвращается в исходное состояние).

На Рисунке 4 показано мертвое время и восстановительное время счетчика Гейгера-Мюллера, дающие в сумме временное разрешение.

Мертвое время    Восстановительное время
Импульс напряжения

Рисунок  4

Временное разрешение счетчика Гейгера-Мюллера

Временное разрешение детектора будет зависеть от того, какой тип взаимодействия произошел в детекторе. Однако, полное временное разрешение прибора также будет зависеть от мертвых времен, связанных с электронными компонентами счетной системы.

На практике термины «мертвое время» и «временное разрешение» часто используются как взаимозаменяемые понятия. Какой бы термин ни использовался, главный смысл в том, что это характеристика или мера способности прибора различать два отдельных события, происходящих с небольшим временным интервалом.

2.1.3     Типы газонаполненных детекторов

В следующем разделе мы рассмотрим три типа газонаполненных детекторов, используемых в приборах радиационного контроля. Это следующие три типа:

  • Ионизационные камеры;
  • Пропорциональные счетчики; и
  • Счетчики Гейгера-Мюллера.

2.1.3.1     Ионизационные камеры

Ионизационные камеры (ИК) предназначены для работы при токе насыщения в области ИК, показанной на Рисунке 2. Измеряется средние значение тока на выходе, которое пропорционально интенсивности излучения, которым облучалась камера. Поскольку выходной сигнал не зависит от напряжения, то нет необходимости использовать стабильный источник питания. Однако, важно, чтобы напряжение было достаточно стабильным, чтобы гарантировать поддержание тока насыщения.

Для предотвращения функционирования ИК в пропорциональной области приложенное напряжение ограничено его значением, вызывающим вторичную ионизацию молекул газа. Если используется источник питания с напряжением 25В, то энергия, приобретенная электроном при ускорении между электродами, не может быть больше 25 эВ. Этой энергии недостаточно, чтобы вызвать вторичную ионизацию.

Токи, генерируемые в ИК, очень малы и обычно составляют порядка  10-12 A, и потому они требуют усиления для их измерения. Поэтому, устройства, входящие в состав ИК, требуют, весьма сложных схем усиления для этих крайне малых постоянных токов.

Конструкция ИК и выбор наполняющего ее газа зависит конкретного применения прибора. В переносных приборах радиационного контроля камера, как правило, заполнена воздухом и выполнена из материалов с низким атомным номером. Если прибор предназначен для измерения альфа и бета излучения, камера должна иметь тонкие стенки или тонкое входное окно. Единственный способ, которым с помощью этого детектора можно различить виды излучения, это поместить фильтр перед тонким входным окном для предотвращения попадания в камеру альфа или бета частиц.

На Рисунке 5 показан типичный переносной бета-гамма-радиометр с ИК в качестве детектора. Обратите внимание на подвижную металлическую пластину, включенную в состав прибора. Помещая эту пластину поверх входного окна камеры, можно разделить бета и гамма излучения.

Подвижная металли­ческая пластина
Тонкое входное окно

Вид спереди                                       Вид сзади

Рисунок  5

Типичный бета-гамма радиометр на основе ионизационной камеры

Отметим, что ИК также могут использоваться в качестве детектора для разделения регистрируемого излучения по энергии при проведении спектрометрических измерений.

2.1.3.2     Пропорциональные счетчики

Пропорциональный счетчик функционирует в пропорциональной области, как показано на Рисунке 2. Эффект газового усиления может увеличивать количество образующихся ионов до 104 раз. Это означает, что на один электрон, образовавшийся при первичном акте ионизации, приходится десять тысяч дополнительных электронов. Поэтому каждый акт ионизации может быть зарегистрирован и подсчитан.

Выходной сигнал пропорционального счетчика представляет собой серию импульсов, которые подсчитываются счетным устройством. Вообще, разрешающее время таких счетчиков, как правило, небольшое (меньше микросекунды), поэтому высокочастотные импульсы могут быть подсчитаны. Однако, амплитуда отдельного импульса мала (около милливольта) и поэтому перед подсчетом импульсов необходимо их предварительное усиление.

Посмотрите снова на Рисунок 2. Обратите внимание, что наклон кривой в пропорциональной области достаточно высокий. Это означает, что незначительное изменение приложенного к детектору напряжения будет влиять на амплитуду импульса. Это важно, поэтому должны использоваться только стабилизированные источники высокого напряжения, так как это гарантирует, что любое изменение выходного сигнала обусловлено изменением падающего излучения, а не изменением приложенного напряжения.

Как отмечалось выше, величина выходного сигнала пропорциональна энергии, переданной излучением. Следовательно, пропорциональные счетчики могут использоваться в схеме дискриминации по высоте импульса (совместно с амплитудным дискриминатором) с целью разделения видов излучения на основе их ионизирующей способности. Например, если прибор подвергается облучению альфа и бета излучением приблизительно одинаковых энергий, то альфа излучение вызовет образование большего числа пар ионов при той же длине пробега, поэтому амплитуда импульса будет большей. При использовании различных внешних схем пропорциональные счетчики могут также использоваться для разделения падающего излучения по энергии (то есть использоваться для спектрометрии).

Газопроточные пропорциональные счетчики обычно используются для определения активности (смотрите Рисунок 6). Счетная камера имеет очень тонкое входное окно, позволяющее альфа и бета частицам проникать внутрь камеры. Термин «газопроточный» означает, что должен быть постоянный приток газа в камеру, чтобы вытеснять газ, который диффундирует извне через тонкое входное окно. Тип используемого газа обычно представляет собой смесь одного из инертных газов и углеводородов. Например, часто используется газ, известный как P-10. Этот газ состоит на 90% из аргона и на 10% из метана.

Рисунок  6

Газопроточный пропорциональный счетчик

2.1.3.3     Счетчики Гейгера-Мюллера

Счетчики Гейгера-Мюллера функционируют в области Гейгера-Мюллера, показанной на Рисунке 2, и используют в качестве газа-наполнителя P-10, как и в пропорциональных счетчиках. Амплитуда импульса на выходе не зависит от энергии ионизирующей частицы. Это означает, что невозможно с помощью электроники различить альфа и бета излучения. Также не возможно измерение энергии и разделение по энергии падающего излучения.

В области Гейгера-Мюллера разряд происходит вдоль анода. Этот разряд должен быть погашен, чтобы предотвратить его самопроизвольное продолжение и многократное формирование импульса. Использование подходящего газа, такого как органические газы (например, пары этилового спирта) или галогенов (например, хлор, бром) в качестве примеси к газу-наполнителю обеспечивает гашение разряда. Органические газы расходуются в процессе гашения, поэтому счетчики с органическими примесями имеют ограниченный ресурс использования, около 109 отсчетов. Галогены имеют преимущество: они не расходуются в процессе гашения, поэтому счетчики, наполненные галогенами, имеют намного больший ресурс и более пригодны для использования при высоких скоростях счета.

Счетчики Гейгера-Мюллера могут быть изготовлены различных форм и размеров. В большинстве случаев счетчик цилиндрический и носит название трубка Гейгера-Мюллера (смотрите Рисунок 7).

Трубка Гейгера-Мюллера с тонким входным окном

Рисунок 7

Прибор радиационного контроля с трубкой Гейгера-Мюллера

Маленькая трубка Гейгера-Мюллера может быть достаточно чувствительна для измерения низких мощностей дозы облучения, тогда как ионизационная камера с такой же чувствительностью должна иметь намного большие размеры. Если счетчик предназначен для измерения альфа и бета излучения, он должен иметь тонкое входное окно, позволяющее такому излучению попадать внутрь трубки.

Счетчик Гейгера-Мюллера обычно подсчитывает импульсы так же, как и пропорциональный счетчик. Однако, он может быть модифицирован для измерения среднего тока, как это делается в ионизационной камере. Преимущество счетчиков Гейгера-Мюллера в том, что выходной сигнал порядка нескольких вольт, поэтому он не нуждается в предусилении и электронная схема прибора на его основе может оставаться достаточно простой. Это означает, что счетчики Гейгера-Мюллера обычно более простые и надежные и поэтому обычно используются на рабочих местах для мониторинга гамма-излучения.

Если детекторы Гейгера-Мюллера используются для измерения дозы и мощности дозы, они должны быть такнеэквивалентными в широком диапазоне энергий. Поскольку трубки Гейгера-Мюллера очень чувствительны в области энергий ниже 200 кэВ, их окружают фильтром из специального материала, чтобы зависимость показаний детектора от энергии была линейна. Это называется коррекция хода с жесткостью.

Одним из недостатков счетчика Гейгера-Мюллера является большое временное разрешение. Оно обычно составляет примерно 100–300 микросекунд, что означает, что счетчик не применим при высокой скорости счета, когда импульсы формируются очень быстро. Эффект, называемый наложением сигналов, может произойти в интенсивных полях излучения, когда скорость счета импульсов настолько высока, что импульс присоединяется к концу предыдущего импульса прежде, чем анод очистится от заряда..

!

Счетчик Гейгера-Мюллера может показывать ноль в области высокой мощности дозы из-за наложения сигналов.

В детектор может быть встроена дополнительная схема, чтобы предотвратить эту потенциально опасную ситуацию. Если в инструкции по обращению с прибором, предоставленной изготовителем, утверждается, что наложения сигнала не происходит, все же следует допускать, что это может стать проблемой.

2.1.4     Резюме по газонаполненным детекторам

Во многих портативных приборах радиационного контроля используются газонаполненные детекторы. В Таблице 2 приведены их свойства и характеристики. Помните, что важно принимать во внимание толщину окна, через которое излучение попадает в детектор, если Вы хотите зарегистрировать альфа и бета излучение.

Таблица 2

Газонаполненные детекторы

Детектор Тип излучения Эффективность Примечание
Ионизационная камера Альфа Высокая (с подходящим тонким входным окном) Используется для подсчета импульсов и спектроскопии.
Бета Средняя (с подходящим тонким входным окном) Используется в портативных приборах радиационного контроля.
Гамма <0.1% Используется в портативных приборах радиационного контроля.
Рентгеновское Зависит от толщины окна Пригодна для большинства энергий, встречающихся в радиационной защите.
Пропорциональный счетчик Альфа Высокая (с подходящим тонким входным окном) Используется для подсчета и спектроскопии.
Бета Средняя (с подходящим тонким входным окном) Используется для подсчета частиц всех энергий.Может быть использован для спектроскопии при энергиях <200 кэВ.
Гамма <1%
Рентгеновское Зависит от толщины окна
Счетчик Гейгера-Мюллера Альфа Средняя (с подходящим тонким входным окном) Не позволяет различать энергии.
Бета Средняя (с подходящим тонким входным окном) Не позволяет различать энергии.
Гамма <1% Не позволяет различать энергии, однако используется (с соответствующей коррекцией хода с жесткостью) в портативных дозиметрических приборах.
Рентгеновское Зависит от толщины окна Не позволяет различать энергии, однако используется (с соответствующей коррекцией хода с жесткостью) в портативных дозиметрических приборах.

Практическое задание

Рабочие характеристики детектора Гейгера-Мюллера

Это практическое задание, в котором Вы должны научиться, как настроить трубку Гейгера-Мюллера, чтобы она правильно работала и давала верный результат. Подробности можно найти в рабочих тетрадях. Свяжитесь со своим руководителем, чтобы договориться о подходящем времени для выполнения этого практического задания.

Вопросы для Самопроверки  3

Теперь выясните, как много Вы усвоили, отвечая в ваших рабочих тетрадях на следующие вопросы:

1.             а) Подберите к следующим терминам подходящие определения:

Термин Определение
1. Временное разрешение а) Минимальное время, которое должно разделять два импульса, чтобы они были зарегистрированы как два отдельных импульса.
2. Мертвое время б) Время, в течение которого детектор восстанавливается после регистрации акта ионизации и возвращается в исходное состояние.
3. Восстановительное время в) Отрезок времени, в течении которого сигнал или импульс возрастает достаточно для того, чтобы быть зарегистрированным.

б) Почему важно принимать во внимание временное разрешение в газонаполненном детекторе?

2.             Какие два типа газонаполненных детекторов требуют усиления сигнала?

3.             а) Какой тип газонаполненного детектора требует использования стабилизированного источника высокого напряжения?

б) Почему?

4.             Какой тип газонаполненного детектора может быть использован в схеме дискриминации по высоте импульса (совместно с амплитудным дискриминатором) с целью разделения видов ионизирующего излучения?

5.             Какие типы детекторов требуют тонкое входное окно для определения вида излучения?

6.             а) Какой тип детектора обычно используется для регистрации гамма-излучения на рабочем месте?

б) Почему?

7.             а) Объясните термин «наложение сигнала» в отношении счетчиков Гейгера-Мюллера.

б) Почему важно принимать во внимание возможность наложения сигналов?

Теперь сверьте свои ответы с правильными ответами в ваших рабочих тетрадях.