6.1.1 Ионизационные камеры

Ионизационные камеры бывают токовые (интегральные), с помощью которых измеряют ионизационные токи от потока излучения, и импульсные, с помощью которых измеряют ионизацию, вызываемую отдельными частицами.

Токовые ионизационные камеры дают сведения об общем интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 сек. Они, обычно, используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений.

В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Для импульсной ионизационной камеры, работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорциональна энергии E, потерянной частицей в объёме ионизационной камеры. Обычно объектом исследования для импульсных ионизационных камер являются сильно ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (α-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае величина импульса ионизационной камеры пропорциональна полной энергии частицы, и распределение импульсов по амплитудам воспроизводит распределение частиц по энергиям, т.е. даёт энергетический спектр частиц.

К преимуществам ионизационных камер по сравнению с другими детекторами излучений следует отнести: простоту устройства, широкий диапазон измеряемых активностей любого типа излучений, высокую чувствительность к альфа-излучению, хорошую воспроизводимость результатов и возможность определения активности препаратов больших размеров.

Недостатком ионизационных камер являются очень низкие токи, которые трудно регистрировать, поэтому требуется применение очень чувствительной аппаратуры. Этот недостаток преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением, к которым относятся пропорциональные счетчики.

6.1.2 Пропорциональные счетчики

Механизм разряда в пропорциональном счетчике заключается в следующем. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути пары ион – электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы – к катоду. Но в отличие от ионизационной камеры, первичные электроны на своём пути к аноду в электрическом поле счетчика приобретают энергию, достаточную для вторичной ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны, в свою очередь, приобретают энергию, достаточную для следующей ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов, и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа электронов, достигших анода, к количеству первичных электронов называется коэффициентом газового усиления, который для пропорционального счетчика достигает 10³-10⁴. Электрический импульс, возникающий в пропорциональном счётчике вследствие попадания в него частицы, пропорционален энергии этой частицы, а точнее энергии, затраченной частицей на первичную ионизацию среды детектора.

Следует заметить, что кроме основного процесса образования электронной лавины – ударной ионизации, в пропорциональном счетчике имеются еще два механизма образования электронов. Первый заключается в том, что молекулы газа, переходящие в возбужденной состояние под действием электронов, возвращаясь в основное состояние, могут испускать не только электроны, но и фотоны, которые, попадая на поверхность электродов, вызывают фотоэффект. Фотоэлектроны, образовавшиеся на катоде, двигаясь к аноду, создают электронно-ионные лавины. Второй механизм заключается в том, что положительный ион при подходе к катоду, обладая сравнительно высокой энергией, может вырвать электрон, который, двигаясь к аноду, создает дополнительную лавину. Но для пропорциональных счетчиков описанные процессы являются вторичными, так как их вклад по сравнению с ударной ионизацией очень мал.

В общем случае, конструктивно пропорциональный счетчик выполнен в виде цилиндра (рисунок 6.5) и представляет собой катод-корпус и собирающий электрод, выполненный в виде металлической нити (вольфрам или сталь) диаметром 0,05-0,3 мм, натянутой по оси цилиндра. Верхний предел диаметра нити ограничивается очень высоким напряжением, которое необходимо подводить к счетчику, нижний предел – прочностью материала нити. Давление газов в корпусе изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм Hg и выше. Для регистрации альфа- и бета-частиц внешних источников в корпусе счетчика вырезают входное окно. Его закрывают тонкой фольгой.

Рис. 6.5 Конструкция цилиндрического пропорционального счетчика.

В связи с тем, что в отличие от ионизационных камер (работающих в режиме насыщения) пропорциональный счетчик обладает сравнительно крутой вольтамперной характеристикой, к применяемым для него источникам питания предъявляют гораздо более жесткие требования. Этим и объясняется предпочтение, отдаваемое иногда ионизационным камерам перед пропорциональными счетчиками в тех случаях, когда применимы оба типа детекторов.

Преимущество пропорциональных счетчиков перед ионизационными камерами заключается в том, что здесь импульсы значительно интенсивнее, поэтому пропорциональные счетчики используются для подсчета отдельных частиц.

Благодаря газовому усилению, можно проводить счет ядерных частиц данного типа, используя вторичное электронное оборудование с гораздо меньшим усилением, чем в случае ионизационных камер, что значительно упрощает оборудование. Кроме того, при помощи пропорциональных счетчиков можно регистрировать частицы с меньшей энергией, чем в ионизационных камерах (уровень шумов электронного усилителя ограничивает величину импульса). Зависимость величины импульсов от начальной ионизации позволяет дискриминировать излучения, которые различаются по производимой ими ионизации. Например, α-частицы можно легко считать в присутствии β-частиц, благодаря большому различию в величине удельной ионизации. Импульсы от β-частиц имеют меньшую амплитуду и могут быть легко отсортированы (дискриминированы).

Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых детекторов. Мертвое время пропорционального счетчика может достигать10^-7 с.

Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации, используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией менее 20 кэВ более 80 %. Для повышения эффективности регистрации высоко энергетических гамма-квантов используют ксенон.

В случае дальнейшего повышения напряжения на электродах газового ионизационного детектора его работа переходит из области пропорциональности в область ограниченной пропорциональности (рис. 6.4). Эта область характеризуется возникновением в объеме счетчика значительного положительного объемного заряда, который искажает электрическое поле вблизи анода. В результате чего последующие электронно-ионные лавины развиваются уже в ослабленном поле, и эффективное сечение коэффициента газового усиления будет ниже. Кроме того, эффективный коэффициент газового усиления в этой области зависит от типа регистрируемой частицы. Так, например, для альфа-частиц, обладающих большой плотностью ионизации, он значительно меньше, чем для электронов (вольт-амперные кривые сходятся – рис. 6.4). При дальнейшем увеличении напряжения, подаваемого на счетчик, последний переходит в режим самостоятельного (коронного) разряда (область Гейгера).