Ионизационная камера. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Простейший ионизационный детектор представляет собой камеру, наполненную газом, в которой два изолированных электрода связаны сопротивлением с источником тока. Попадающее в ионизационную камеру радиоактивное излучение вызывает образование ионов и электронов, ко;

торые движутся в электрическом.

поле к электродам, в результате чего возникает электрический ток.

Рис. 3. Схема ионизационной камеры. Ионизационная камера — прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучений, действие которого основано на их способности вызывать ионизацию газа.

Ионизационной камерой измеряют или ионизационный ток, или электрические заряды, возникающие в газовом объёме. Для разделения разноимённых зарядов к газовому объёму прикладывают определённую разность потенциалов. Электрическое напряжение подают на элементы ионизационной камеры (электроды). Они ограничивают рабочий объём ионизационной камеры, т. е. тот объём газа, через который протекает ионизационный ток. Напряжение на электродах каждой конкретной ионизационной камеры обусловливается конструкцией, давлением и природой газанаполнителя. Если к электродам приложить напряжение, при котором все носители зарядов будут достигать электродов, то получают ток насыщения, сохраняющий постоянное значение независимо от приложенного напряжения. При таком напряжении ионизационная камера обладает максимальной чувствительностью. Ток насыщения зависит только от числа пар ионов, т. е. от вида и интенсивности источника излучения. Ток насыщения изменяется по линейному закону в зависимости от интенсивности излучения. Эт>' закономерность используют при измерении ядерных излучений ионизационной камерой. Количество ионов, образующихся в 1 смз рабочего объёма, при прочих равных условиях, зависит от природы газа (от плотности атомных электронов газа, равной числу атомных электронов в 1 смз газа, и от энергии образования ионной пары). При одних и тех же давлении и объёме газа ионизационный ток в ионизационной камере, наполненной аргоном, выше, чем в ионизационной камере, наполненной азотом. Так как а-частица вызывает более сильную удельную ионизацию, чем (3-частица, то а-частица вызывает и гораздо больший импульс. Альфа-частица с Е_а=4 МэВ образует около 105 пар ионов, что соответствует заряду 1,602-ю¹? Клеит¹* Ас. Столь малые заряды могут быть измерены только после большого усиления.

Ионизационная камера (рис. 3 и 4) состоит из корпуса с двумя электродами: собирающим, который имеет положительный потенциал и соединён с измерительным прибором, и высоковольтным, который обычно имеет отрицательный потенциал и подключён к источнику напряжения от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт, в зависимости от назначения и конструкции камеры. Бывают камеры, заполненные воздухом, но чаще их заполняют смесями газов (He+Ar, Ar+C₂H_a, Ne и др). Известны проточные ионизационные камеры, которые с постоянной скоростью продуваются рабочим газом при постоянном давлении.

Рис. 4. Устройство ионизационной камеры: 1 — высококачественный изолятор (янтарь, кварц); 2 — собирающий электрод; 3 — изолятор; 4 — охранное кольцо; 5 — высоковольтный электрод; 6 — окно для препарата; 7 — экран (корпус камеры).

Для работы ионизационной камеры важны следующие факторы: величина и форма камеры, пространственное распределение излучения в камере, материал и толщина стенок, природа и состояние наполняющего газа, и способ измерения ионизационного тока.

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 камеры применяют для измерения активности а-, ри упрепаратов, интенсивности a-излучения и мощности дозы от потока нейтронов, а также уи рентгеновского излучения. С помощью интегрирующих камер определяют мощности дозы у-, рентгеновского и жёсткого ризлучения, а также потока нейтронов.

В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются, и регистрируется ток, пропорциональный среднему энерговыделению. В токовых ионизационных камерах измеряется сила тока /, создаваемого электронами и ионами. Токовые ионизационные камеры дают сведения об общем интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 с. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений. Так как ионизационные токи в камере обычно малы (io-^{, 0}-rio-¹⁵ а), то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока.

В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Амплитуда импульса пропорциональна энергии частицы. Однако это условие выполняется только тогда, когда амплитуда импульса не зависит от направления движения частицы в газе. Для выполнения этого условия вблизи собирающего электрода помещают сетку из тонких проволок. На сетку подаётся отрицательный потенциал, немного меньший потенциала высоковольтного электрода. Сетка имеет большую проницаемость для электронов и практически все электроны попадают в объём газа между сеткой и собирающим электродом. Одновременно сетка экранирует собирающий электрод от воздействия положительных ионов, которые влияют на амплитуда импульсов в камере без сетки. Вследствие этого амплитуда импульсов в камере с сеткой зависит только от энергии частиц.

Обычно объектом исследования для импульсных ионизационных камер являются сильно ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (а-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. Энергия частицы равна произведению числа электронов п на среднюю энергию е, необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа ?"30 — 40 эВ). Важная характеристика импульсной ионизационной камеры — её разрешающая способность, т. е. точность измерения энергии отдельной частицы. Для а-частиц с энергией 5 МэВ она равна 0,5%.

Преимуществами ионизационной камеры является простота устройства, широкий диапазон измеряемых активностей любого типа излучения, высокая чувствительность к a-излучению, хорошая воспроизводимость результатов и возможность определения активности препаратов больших размеров. С помощью ионизационной камеры измеряют очень большие активности без погрешностей, связанных с «мертвым» временем.

Ионизационная камера применяется для измерения активности радиоактивных газов, в первую очередь — трития и радона. Она может быть использована и для измерений нейтронов. В этом случае ионизация вызывается ядрами отдачи (обычно протонами), создаваемыми быстрыми нейтронами, либо лг-частицами, протонами или у-квантами, возникающими при захвате медленных нейтронов ядрами ¹⁰В, ^;*Не, «3Cd. Эти вещества вводятся в газ или в стенки ионизационной камеры. Для исследования частиц, создающих малую плотность ионизации, используются ионизационные камеры с газовым усилением. Ионизационные камеры применяют также при исследовании космических лучей.