Ионизационные камеры

Ионизационные камеры

Ионизационная камера представляет собой устройство из двух изолированных электродов, к которым приложено постоянное напряжение.

В простейшем случае ионизационную камеру можно представить себе в виде двух металлических параллель­ных пластин, пространство между которыми заполнено каким-либо газом, например воздухом.

При воздействии ионизирующего излучения на газ в нем образуются положительные и отрицательные ионы. При отсутствии напряжения между пластинами эти ионы, как и все другие нейтральные молекулы и атомы газа, бу­дут находиться в беспорядочном тепловом движении. Однако, если к пластинам приложить постоянное напря­жение, движение ионов становится ‘направленным: поло­жительные ионы под воздействием электрического поля будут двигаться к отрицательно заряженной пластине — катоду, отрицательные ионы — к положительно заряжен­ной пластине — аноду.

Движение ионов под действием электрического поля вызывает появление ионизационного тока в цепи камеры, который может быть измерен с помощью какого-нибудь электроизмерительного прибора. Сила ионизационного тока равна суммарному электрическому заряду, перене­сенному ионами к электродам камеры в течение одной се­кунды. Она определяется числом ионов и зависит от ско­рости их движения.

Наряду с процессами ионизации в газе одновременно происходит и обратный процесс — рекомбинация, то есть соединение ионов противоположных знаков, в результате чего образуются нейтральные атомы и молекулы. Реком­бинация происходит вследствие столкновения ионов раз­личного знака в процессе хаотического теплового движе­ния молекул газа. Чем больше скорость хаотического дви­жения, то есть чем выше температура газа, тем более вероятна рекомбинация ионов. С другой стороны, реком­бинация будет пропорциональна количеству ионов каж­дого знака. Действительно, рост числа положительных и отрицательных ионов в единице объема газа увеличивает вероятность их встречи между собой и, следовательно, вероятность образования нейтральной молекулы. Таким образом, в объеме газа между пластинами камеры при воздействии ионизирующих излучений происходят два конкурирующих между собой процесса — образование ионов и их рекомбинация. По этой причине зависимость ионизационного тока от напряжения, поданного на пла­стины, так называемая вольтамперная характеристика ка­меры, имеет характер, показанный на рис. 13.

С увеличением напряжения U и, следовательно, с ро­стом напряженности электрического поля в пространстве между электродами возрастает скорость движения ионов, что приводит к уменьшению вероятности их рекомбина­ции. В результате растет сила тока в цепи камеры (уча­сток О А, рис. 13).

Однако при дальнейшем увеличении напряжения на­ступает момент (точка А на кривой рис. 13), когда рост ионизационного тока прекращается вследствие того, что все образующиеся ионы достигают электродов камеры.

Ток, при котором практически все ионы, образующиеся в камере в результате воздействия ионизирующего излу­чения, собираются на электродах, называется током на­сыщения.

Участок АБ вольтамперной характеристики камеры со­ответствует режиму тока насыщения.

При увеличении напряжения (больше U2) ток в ка­мере снова начнет возрастать за счет того, что электроны, образованные под действием излучения, приобретают ме­жду двумя соударениями с молекулами газа достаточно большую скорость и в свою очередь начинают ионизиро­вать газ.

Если интенсивность ионизирующего излучения возра­стает в 2 раза, будет образовываться в 2 раза больше ионов. Это вызывает увеличение ионизационного тока, но одновременно в 4 раза увеличивается и вероятность ре­комбинации. По этой причине режим тока насыщения на­ступает при большем напряжении U\ на электродах ка­меры. Очевидно, что ток насыщения Ги будет в 2 раза больше тока /н-

Таким образом, в ионизационной камере, работающей в режиме тока насыщения, спустя небольшой промежуток времени после начала действия излучения наступает рав­новесие: число пар ионов, возникающих в камере в еди­ницу времени, равно числу пар ионов, попадающих на электроды за то же время. Отсюда величина тока насыще­ния равна

/H = JV • е • V ампер,

где N — число пар ионов, возникающих в 1 секунду в 1 см3 камеры;

V — объем камеры в см3;

е —заряд каждого иона в кулонах.

Из этой формулы следует, что величина тока насыще­ния может служить мерой мощности дозы излучения, ко­торая всегда пропорциональна числу пар ионов, образую­щихся в 1 см3 воздуха в единицу времени. Шкала электро­измерительного прибора, включенного в цепь камеры, мо­жет быть проградуирована непосредственно в единицах мощности дозы (например, рентген/час).

Следует отметить, что приведенная на рис. 13 вольт­амперная характеристика будет присуща ионизационной камере, между электродами которой электрическое поле строго равномерно, то есть напряженность поля в любой точке постоянна.

Для простейшей камеры, состоящей из двух парал­лельных пластин, это условие не выполняется. На рис. 14 силовыми линиями показан характер электрического поля между пластинами, находящимися в однородном воздуш­ном пространстве. Густота силовых линий пропорцио­нальна напряженности электрического поля.

В такой камере с ростом напряжения на пластинах сила ионизационного тока будет непрерывно увеличи­ваться.

Действительно, при каком-то напряжении наступит режим тока насыщения в пространстве между пласти­нами, где напряженность электрического поля макси­мальна (область АБ). Однако в других областях (БВ, ВГ) напряженность поля еще недостаточна, и при дальнейшем увеличении разности потенциалов между пластинами ионизационный ток будет нарастать. Процесс нарастания будет непрерывно продолжаться, так как электрическое поле ничем не ограничено. Таким образом, в такой про­стейшей ионизационной камере объем воздуха, из кото­рого происходит собирание ионов, неограничен и режим тока насыщения практически неосуществим. Следова­тельно, камера такого типа не пригодна для измерения мощности дозы излучения по величине тока насыщения.

Ограничение объема камеры может быть осуществлено двумя методами — электрическим полем и созданием за­крытого объема при помощи стенок.

В первом случае один из электродов камеры, в цепь которого включается измерительный прибор и который обычно называется собирающим, окружается дополни­тельным электродом, как показано на рис. 15.

Если на дополнительный электрод Д подать потен­циал, равный потенциалу собирающего, распределение электрического поля в камере будет иметь вид, показан­ный на рис. 15. Напряженность электрического поля в пределах, ограниченных размерами собирающего элек­трода, теперь уже строго равномерна.

При воздействии излучения ионизация воздуха, как и раньше, происходит во всем объеме камеры. Однако’ че­рез измерительный прибор теперь проходит только часть ионизационного1 тока из столба воздуха, ограниченного’ поверхностью собирающего электрода. Объем воздуха, из которого ионы попадают на собирающий электрод, при­нято называть рабочим объемом камеры. Как видно из рис. 15, рабочий объем камеры составляет часть ее геометрического объема.

Наличие равномерного электрического поля позволяет легко обеспечить режим тока насыщения и достаточно точно определить рабочий объем камеры как произведение площади собирающего электрода на высоту h.

Следует заметить, что даже небольшое различие в по­тенциалах собирающего и дополнительного электродов вызывает искажения электрического поля в камере. Это мало повлияет на величину напряжения, необходимого для обеспечения режима тока насыщения, но может вы­звать значительные отклонения действительного рабочего
объема от вычисленного по геометрическим размерам собирающего электрода.

Рассмотренный выше метод ограничения объема иони­зационной камеры вследствие некоторой сложности не пригоден для переносной и полевой дозиметрической аппаратуры.

Более простым является второй метод — создание за­крытого объема при помощи стенок. Схематическое изо­бражение камеры подобного типа показано на рис. 16

Высоковольтный электрод представляет собой прямоуголь­ную или цилиндрическую коробку, являющуюся корпу­сом камеры, внутри которой размещается собирающий (внутренний) электрод. Вывод собирающего электрода из корпуса камеры осуществляется через янтарный или по<- листироловый изолятор, имеющий очень хорошие изоля­ционные свойства. Между высоковольтным и собирающим электродами ставится так называемое охранное кольцо. Охранное кольцо предохраняет цепь собирающего элек­трода от токов утечки по изолятору между высоковольт­ным и собирающим электродами. Эти токи утечки всегда направлены в ту же сторону, что и ионизационный ток камеры, и могут привести к завышению показаний при­бора.

В камерах такого типа собирание ионов происходит из объема, ограниченного стенками. Форма и размеры элек­тродов, в зависимости от назначения камеры, могут быть самыми разнообразными. Встречаются камеры, электроды которых выполнены в виде пластин, концентрических ша­ров, коаксиальных цилиндров и иной формы. Совершенно понятно, что создание равномерного электрического поля в стеночных камерах весьма затруднено. Однако из-за наличия ограниченного объема режим тока насыщения в гаких камерах получить возможно, при этом напряжение па электродах должно быть более высоким.

Для цилиндрических и -сферических камер сам выбор конструкции уже предопределяет наличие неравномерного поля — с приближением к центральному электроду напря­женность поля возрастает. Наибольшую равномерность поля возможно обеспечить в камере со стенками в виде параллелепипеда и собирающим электродом в виде пла­стины, размещенной параллельно стенкам (так называе­мая плоская камера).

Общий вид ионизационной камеры цилиндрической формы приведен на рис. 17. При том же расстоянии ме­жду электродами, что и в плоской камере, режим тока насыщения в цилиндрической камере будет обеспечи­ваться при большем напряжении и разница в напряже­ниях будет тем больше, чем больше отношение диаметров внешнего и внутреннего электродов.

В ионизационной камере, состоящей из двух концент­рических шаров, неравномерность поля еще больше, чем в цилиндрической, что приводит к необходимости более значительного увеличения напряжения питания.

Рабочий объем стеночной камеры всегда меньше гео­метрического. Это получается, во-первых, вследствие того, что часть объема занимает собирающий электрод, и, во- вторых, вследствие утечки части ионов на охранное кольцо. Для уменьшения утечек конструкция охранного кольца делается так, чтобы его поверхность, выступаю­щая внутрь объема камеры, была возможно меньше.

Как уже указывалось выше, при одном и том же рас­стоянии между электродами наименьшее напряжение, обеспечивающее режим тока насыщения, имеет место для камеры плоской конструкции. Отсюда ясно, что иониза­ционные камеры для полевых приборов, где экономия пи­тания имеет существенное значение, должны иметь плос­кую конструкцию.