Глава 6. Детекторы ионизирующих излучений

Выполнение химических исследований с использованием радиоактивных индикаторов всегда включает проведение операций по регистрации излучения, испускаемого ядрами радиоактивных атомов. Под регистрацией излучения понимают получение качественной и количественной информации об излучении радиоактивных ядер, содержащихся в исследуемом объекте. Регистрация излучения позволяет решить ряд задач: установить наличие радиоактивных атомов, определить тип и энергию излучения, находить содержание радиоактивных атомов в образце и т.д. Регистрацию излучения проводят при помощи соответствующих детекторов.

В настоящее время в арсенале физиков имеется большое число детекторов, а также установок, являющихся комбинацией различных детекторов.

Работа детекторов излучения основана на взаимодействии излучений с веществом детектора. Энергия излучения, поглощённая непосредственно или с помощью специальных устройств, вызывает в цепи детектора излучения электрический ток, прохождение которого регистрируется измерительными схемами. В некоторых случаях результаты взаимодействия излучения с веществом могут наблюдаться, например, по потемнению фотоплёнки, свечению фосфоров. В зависимости от того, на каком из эффектов основано действие детекторов, различают ионизационные, сцинтилляционные, трековые и другие детекторы. По агрегатному состоянию рабочего тела различают газонаполненные, жидкостные, твердотельные детекторы; по типу регистрируемого излучения-детекторы -частиц, -частиц, -квантов, нейтронов.

В радиохимической практике наибольшее распространение получили ионизационные и сцинтилляционные детекторы.

6.1 Газонаполненные ионизационные детекторы

Ионизационный метод регистрации состоит в следующем (рисунок 6.1). Заряженная частица, или гамма-квант, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое аморфное или кристаллическое тело), вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды. В результате, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы) и возбужденные атомы. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток.

Рис. 6.1. Ионизационный метод.

Существуют два метода измерения излучений ионизационными детекторами. Первый состоит в измерении среднего значения постоянного тока, возникающего в детекторе, а второй метод заключается в счёте числа импульсов, вырабатываемых соответствующим детектором под действием излучения. По агрегатному состоянию рабочего тела детектора из ионизационных детекторов наибольшее распространение получили газонаполненные и твердотельные.

Газонаполненные детекторы, благодаря хорошей чувствительности к излучениям разных видов, относительной простоте и дешевизне, являются широко распространенными приборами регистрации излучений. Такой детектор представляет собой наполненную газом оболочку, в объем которой введены два или три электрода. На рисунке 6.2 представлена принципиальная схема газонаполненного детектора.

Ядерное излучение, попавшее в объём детектора, производит в нём первичную ионизацию газа либо непосредственно за счёт потери энергии излучением (в случае заряженных частиц), либо через вторичные эффекты взаимодействия с газовой средой (в случае нейтральных частиц или γ-квантов). Электроны или ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа, движутся в электрическом поле между электродами, создавая тем самым ионизационный ток. При этом происходит собирание и накопление зарядов на электродах, а также «разряд» источника питания через среду рабочего объёма детектора. Под действием приложенного напряжения образовавшиеся в результате разряда электроны (ионы) собираются на электродах.

Рис. 6.2. Принципиальная схема газонаполненного детектора.

1 – нить-анод; 2 – цилиндрический катод; 3 – изолятор;

4 – траектория заряженной частицы; 5 – электронная лавина.

Электроны и ионы, созданные частицей в результате первичной ионизации атомов инертного газа, показаны соответственно темными и белыми кружочками.

При измерении излучений необходимо обеспечение пропорциональности между параметрами выходного сигнала (средний ток, или частота следования; амплитуда) и соответствующими параметрами измеряемого излучения. Следует отметить, что на выходной сигнал влияет величина первичной ионизации, т.е. число первичных пар ионов, создаваемых в объёме детектора. Первичная ионизация зависит от удельной величины ионизационных потерь (т.е. от энергии, необходимой для образования одной пары ионов), связанной с типом излучения и свойствами среды. Так, потери энергии заряженной частицы (α- или β-частицы) на ионизацию и возбуждение молекул газа зависят от массы, скорости и заряда частицы, а также от плотности и других свойств газа. В случае γ-квантов первичная ионизация определяется эффектами взаимодействия их с рабочей средой (фотоэффект, эффект Комптона, образование пар), вероятность возникновения которых зависит от энергии γ- излучения и свойств среды.

В соответствии с характером процесса, обеспечивающего регистрацию излучения, газонаполненные ионизационные детекторы подразделяют на ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Конструктивно ионизационный детектор достаточно прост. Он представляет собой два электрода различной конструкции, помещенные в баллон, заполненный газом или смесью газов. На рисунке 6.3 изображена схема включения газонаполненного детектора с центральным электродом, изолированным от стенок камеры.

Рис. 6.3. Схема включения импульсного газонаполненного детектора.

1 – Центральный электрод; 2 – Стенка камеры; 3 – Регистрирующий прибор.

Разность потенциалов U_пит приложена между стенками и собирающим электродом через резистор R2. Предположим, что ядерная частица создала в камере N пар ионов. Положительные и отрицательные заряды движутся внутри камеры по направлению к её стенкам и к собирающему электроду в соответствии с направлением электрического поля. При этом на сопротивлении R1 возникает скачок потенциала – импульс, который отмечается регистрирующим устройством. Величина амплитуды импульса зависит от вида и энергии излучения, типа счетчика и приложенного напряжения. Рабочее напряжение, подаваемое на электроды счетчика, зависит от давления газа, которое для различных режимов работы детектора может меняться в широких пределах. Для выяснения процессов в газовом разряде и выделения характерных областей работы различных типов ионизационных детекторов целесообразно рассмотреть его вольтамперную характеристику в координатах зависимости величины полного заряда q (выражаемого для простоты числом пар ионов), собираемого в результате единичного акта начальной ионизации, от напряжения на электродах U.

Рис. 6.4. Вольтамперные характеристики ионизационных детекторов излучения в импульсном режиме работы для трех значений начальной ионизации

n₀ = 10, 10³ и 10⁵ пар ионов.

На рисунке 6.4 схематически представлены вольт-амперные характеристики газоразрядного промежутка q = f(U) для трёх значений начальной ионизации n₀: 10⁵ пар ионов от α-частицы, 10³ от β-частицы и 10 от γ-излучения. Каждую кривую можно разделить на характерные участки. В отсутствии электрического поля (U=0) все ионы, созданные начальной ионизацией, полностью рекомбинируют в нейтральный газ. В электрическом поле ионы приобретают направленное движение к электродам, причём, их скорость зависит от напряжённости поля и подвижности ионов. При малых значениях U (участок I) происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. При увеличении поля скорость ионов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации. Однако здесь число пар ионов, уносимых полем из рабочего объёма на электроды, ещё незначительно по сравнению с числом ионов, которые рекомбинируют в том же объёме или вне его вследствие диффузии ионов в газе. Эта область называется областью рекомбинации и для детектирования не используется.

По мере увеличения напряжения число собираемых ионов возрастает до насыщения, при котором все ионы, созданные начальной ионизацией, оказываются полностью собранными на электродах. Рекомбинация при этом практически отсутствует. Насыщение сохраняется при дальнейшем увеличении U (горизонтальный участок II). Заряд, собранный на электродах, на этом участке определяется только ионизационной способностью ядерных частиц или гамма – квантов. Частице, обладающей большей ионизационной способностью, соответствует большая амплитуда (соответствует верхняя кривая). На этом участке величина собранного на электродах заряда равна суммарному заряду электронов, образованных в процессе ионизации. Этот участок кривой называют областью насыщения. Именно в этой области работают ионизационные камеры.

При дальнейшем увеличении напряжения электроны, созданные в результате первичной ионизации, ускоряются полем настолько, что становятся способными при столкновении с нейтральными атомами газа ионизировать их, т.е. создавать некоторое число вторичных ионов. Происходит газовое усиление. На участке III области газового усиления, называемой областью пропорциональности, амплитуда импульсов пропорциональна числу первичных пар ионов, созданных заряженной частицей. В этой области работают пропорциональные счетчики.

При дальнейшем увеличении напряжения прямая пропорциональность зависимость газового усиления от энергии частицы нарушается, и область пропорциональности сменяется областью ограниченной пропорциональности (участок IV).

На участке V газовое усиление возрастает настолько, что собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Благодаря газовому усилению, заряд возрастает до величины, ограничиваемой лишь характеристиками камеры и внешней цепи. Это, так называемая область Гейгера. Однако разряд, как и в предыдущих областях, остается вынужденным, т.е. начинается после прохождения ионизирующей частицы. Это область работы счётчиков Гейгера-Мюллера. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к непрерывному разряду (область VI), поэтому эта область для регистрации частиц не используется.

Кратко рассмотрим основные типы газонаполненных детекторов.