Детекторы ионизирующего излучения

Детекторами ионизирующих излучений называют приборы, регистрирующие , -рентгеновское и -излучения нейтроны, протоны и т.д. Детекторы используют также для измерения энергии частиц, изучения процессов взаимодействия, распада и т.п.

Работа детекторов основана на тех процессах, которые вызывают регистрируемые частицы в веществе.

С некоторой условностью детекторы могут быть представлены тремя группами: следовые (трековые) детекторы, счетчики и интегралъные приборы.

Следовые детекторы позволяют наблюдать траекторию частицы, счетчики регистрируют появление частицы в заданном пространстве, интегральные приборы дают информацию о потоке ионизирующего излучения. Еще раз отметим условность этой классификации. Так, например, следовые детекторы можно использовать, чтобы сосчитать пролетающие частицы, от «поштучной» регистрации частиц счетчиком можно перейти к суммарной оценке потока ионизирующего излучения и т.п.

К следовым детекторам относят камеру Вильсона, диффузионную, пузырьковую, искровую камеры и толстослойные фотопластинки. Общность всех этих устройств заключается в том, что наблюдаемая частица ионизирует молекулы или атомы вещества на своем пути. Образованные ионы проявляются по вторичным эффектам: конденсация пересыщенною пара (камера Вильсона и диффузионная); парообразование перегретой жидкости (пузырьковая камера); образование разрядов в газах (искровая камера); фотохимическое действие (толстослойные фотопластинки).

В качестве иллюстрации рассмотрим работу искровой камеры. Она состоит из электродов, пространство между которыми заполнено газом. Высоковольтное напряжение подается на электроды во время прохождения частицей пространства камеры, сигнал для включения напряжения поступает с других детекторов. Электроны, возникшие вдоль траектории частицы при ионизации атомов газа, ускоряются электрическим полем и производят сами ударную ионизацию. В результате на небольших участках образуется видимый глазом искровой разряд.

На рис. 6 показана схема узкозазорной искровой камеры. Расстояние между электродами, помещенными в камеру, порядка 1 см. Искровые разряды возникают перпендикулярно электродам, их совокупность указывает траекторию частицы. В стримерной (с тримерами называют светящиеся разветвленные каналы, образующиеся при электрическом разряде в газах) искровой камере расстояние между электродами 5—20 см. Высоковольтное напряжение снимается примерно через 10^-5 с после прохождения частицы.

Рис. 6

За это время искры зарождаются только в непосредственной области первичной ионизации, созданной регистрируемой частицей. Следы частиц в стримерной искровой камере изображены на рис. 7.

Рис. 7

К интегральным детекторам можно отнести фотопленки (фиксируется степень почернения после проявления пленки), ионизационные камеры непрерывного действия и др.

Рассмотрим устройство и работу ионизационной камеры непрерывного действия. Она представляет собой конденсатор K, внутри которого находится газ (рис. 8). При попадании излучения в газ происходит ионизация и по цепи протекает электрический ток, который обычно усиливают и измеряют. Сила тока пропорциональна числу ионов, образованных в камере в секунду, и, следовательно, потоку энергии проходящих ионизирующих частиц.

Рис.8 Рис.9

В некоторых приборах разрядка конденсатора под действием ионизирующего излучения фиксируется электрометром.

К счетчикам относят большую группу газоразрядных устройств (импульсные ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера - Мюллера), а также люминесцентные, полупроводниковые и др.

Проанализируем зависимость импульса тока I, возникающего при попадании частицы в газовый промежуток (число ионов, участвующих в одном импульсе), от напряжения U на электродах (рис. 9; кривые соответствуют ( - и -частицам).

Обе кривые могут быть условно представлены шестью областями, для которых характерны различные процессы.

В области I рекомбинации часть ионов рекомбинирует. С ростом напряжения число рекомбинирующих ионов уменьшается, увеличивается число ионов, которые достигают электродов. Так как ионизируюгцая способность -частиц больше, чем -частиц, то кривые для них различны.

Область II соответствует насыщению. Все первичные ионы доходят до электродов, но вторичной ионизации еще нет. В этой области работает ионизационная камера.

В области III начинает проявляться вторичная ионизация, однако импульс тока при этом остается пропорциональным начальной ионизации. Число N пар ионов, присутствующих после усиления, пропорционально числу N₀ первичных пар ионов, образованных ионизирующей частицей:

, (15)

где k — коэффициент газового усиления (k — 10³-10⁶). Он зависит от конструкции счетчика и природы используемого в нем газа. Именно в этой области работают пропорциональные счетчики.

Так как N₀ и, следовательно, N зависят не только от вида частицы, но и от ее энергии, то пропорциональные счетчики могут измерять и энергию частиц.

Область IV называют областью ограниченной пропорциональности. Здесь еще проявляется зависимость от начальной ионизации, но к значению U ₄ она eже пропадает. Значение U₄, называемое порогом области Гейгера, зависит от конструкции счетчика, а также от давления и вида газа, используемого в нем. В этой области импульс тока становится достаточно большим и при малой начальной ионизации.

В области V работают счетчики Гейгера - Мюллера. Здесь большой коэффициент газового усиления, но нельзя различать энергии частиц.

В области VI возникает непрерывный газовый разряд, который приводит к быстрой порче счетчика. Области V и VI соответствуют самостоятельному газовому разряду, который будет поддерживаться и после прекращения ионизирующего действия частицы.

В качестве примера газовых устройств рассмотрим счетчик Гейгера - Мюллера, он состоит из коаксиально расположенных цилиндрических электродов [рис. 10: 1 — анод (тонкая нить, натянутая вдоль оси), 2 — катод в виде напыленного на стеклянную трубку 3 металла]. Давление газа внутри счетчика 100—200 мм рт. ст. К электродам прикладывается напряжение порядка нескольких сотен вольт. При попадании в счетчик ионизирующей частицы в газе образуются свободные электроны, которые движутся к аноду. Так как нить тонкая (диаметр около 0,05 мм), то вблизи нити электрическое поле сильно неоднородно, напряженность поля велика. Электроны вблизи нити ускоряются настолько, что начинают ионизовать газ. В результате возникает разряд и по цепи (рис. 11) протекает ток.

Самостоятельный разряд в счетчике Гейгера — Мюллера необходимо погасить, иначе счетчик не прореагирует на следующую частицу. Для гашения разряда применяют радиотехнический метод и метод, основанный на добавлении в трубку многоатомных газов (самогасящиеся счетчики).

Рис. 10 Рис.11

Простейшим вариантом первого метода является включение последовательно со счетчиком высокоомного резистора. При протекании тока на этом резисторе происходит значительное падение напряжения, напряжение на счетчике уменьшается и разряд прекращается. Более распространены самогасящиеся счетчики, в которых благодаря специальному газовому наполнению разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях цепи.

Электрические импульсы, возникающие во внешней цепи на резисторе, усиливают и регистрируют специальным устройством. На рис. 12 показан внешний вид установки Б-4, которая работает совместно со счетчиком Гейгера — Мюллера.

Принцип действия сцинтилляционного (люминесцентного) счетчика основан на том, что под действием ионизирующего излучения в некоторых веществах происходят кратковременные вспышки света — сцинтилляции. На первом этапе развития ядерной физики сцинтилляции регистрировались при визуальном наблюдении. В люминесцентном счетчике они регистрируются автоматически с использованием фотоэлектронного умножителя.

Рис.12

Полупроводниковые счетчики реагируют на изменение электропроводимости р-n-перехода под воздействием заряженной частицы.

Как видно, все перечисленные выше детекторы работают тогда, когда частицы производят ионизацию в определенном объеме. В связи с этим для регистрации - и -частиц стенки счетчиков или камер должны пропускать эти частицы. В отдельных случаях для регистрации -излучения соответствующий источник помещается внутрь камеры, так как трудно сделать стенки камеры прозрачными для этих частиц.

Рентгеновское и -излучения регистрируются благодаря ионизации, которую вызывают заряженные частицы, образованные при фотоэффекте, Комптон-эффекте и т.д.

Счетчики должны удовлетворять некоторым общим требованиям, таким, как эффективность, разрешающее время и др. Эффективностью называют отношение числа зарегистрированных частиц к общему числу частиц, пролетевших через счетчик. Разрешающим (или мертвым) временем счетчика называют минимальное время, которое должно разделять следующие друг за другом частицы, чтобы они не были сосчитаны как одна.

Поиск по сайту: