Газонаполненные детекторы ионизационного типа

Ионизационные детекторы излучения представляют собой заполненный газом объём, в котором создано требуемое электрическое поле.

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 у-квантов). Электроны или ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа, движутся в электрическом поле между электродами, создавая тем самым ионизационный ток. При этом происходит сбор и накопление зарядов на электродах, а также «разряд» источника питания через среду рабочего объёма детектора. Под действием приложенного напряжения, образовавшиеся в результате электроны (ионы) собираются на электродах. Возникающий ионизационный ток создаёт на нагрузке некоторое напряжение, которое регистрируется радиометрическим устройством, фиксируя тем самым попадание излучения в объём детектора.

В зависимости от режима работы детектора выходной сигнал с него может поступать в непрерывном или дискретном виде. В первом случае интенсивность излучения, попавшего в объём детектора, определяется средней величиной ионизационного тока (интегральный режим), а во втором случае — числом импульсов в единицу времени (импульсный режим). Энергия излучения определяется по амплитуде выходного сигнала в импульсном режиме.

Сама детектирующая среда может быть газообразной, жидкой или твёрдой. Наиболее обширную группу детекторов этого типа образуют газонаполненные детекторы.

Газонаполненные ионизационные детекторы благодаря хорошей чувствительности к излучениям разных видов, простоте и дешевизне являются широко распространенными приборами регистрации излучений. Такой детектор представляет собой наполненную газом оболочку, в объём которой введены два или три электрода.

При измерении излучений необходимо обеспечение пропорциональности между параметрами выходного сигнала и параметрами измеряемого излучения. 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 (аили р-частицы) на ионизацию и возбуждение молекул газа зависят от массы, скорости и заряда частицы, а также от плотности и других свойств газа. В случае у-квантов первичная ионизация определяется эффектами взаимодействия их с рабочей средой (фотоэффект, эффект Комптона, образование пар), вероятность возникновения которых зависит от энергии у-излучения и свойств среды. При регистрации нейтронов первичная ионизация связана с вероятностью п-р — столкновений в водородсодержащей среде (протоны отдачи), вероятностью реакций захвата нейтрона лёгким ядром (^{, 0}В) или деления тяжёлых ядер (²35U). На выходной сигнал детектора влияет характер происходящего в нём газового разряда, а также входные электрические параметры последующего регистрирующего устройства.

Простейшим газонаполненном детектором является ионизационная камера, представляющая собой систему двух электродов в объёме, заполненном инертным газом. Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда легко определить энергию частицы. Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи, которые трудно регистрировать. Этот недостаток преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Газовое усиление — это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику. Пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра. Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и довести коэффициент газового усиления до 104Ч-Ю5, то нарушается пропорциональность между энергией, потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц.

При достаточно высокой напряжённости электрического поля (и газового усиления) счётчик переходит в режим работы, когда достаточно появления в его объёме одного электрона, чтобы он запустил мощный лавинообразный процесс, способный ионизовать всю область вблизи нитианода. При этом импульс тока достигает предельного значения и не зависит от первичной ионизации. Такой счётчик называется счётчиком Гейгера-Мюллера. Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счётчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объёме свободных носителей зарядов вызовет искровой пробой (разряд). Детектор включается в электрическую цепь, схема которой показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема включения счётчика радиоактивных излучений.

Регистрация частиц происходит следующим образом. Частица, попадая внутрь счётчика, вызывает ионизацию газа. Электроны, тяжёлые положительные и отрицательные ионы, образованные ионизирующей частицей, двигаясь в электрическом поле, испытывают многократные столкновения, упругие и неупругие, с молекулами газа. Средняя скорость направленного движения электронов и ионов пропорциональна напряженности электрического поля и обратно пропорциональна давлению газа. Возникающий ток обусловлен в основном электронами, так как их подвижность на три порядка выше, чем подвижность тяжёлых ионов. Импульс напряжения на сопротивление R_t усиливается и подаётся на регистрирующую аппаратуру.

На рис. 2 схематически представлены вольт-амперные характеристики газоразрядного промежутка q=f (U) для трёх значений начальной ионизации п₀: Ю5 пар ионов от а-частицы, юз от [5-частицы и ю от у-излучения.

Каждую кривую можно разделить на характерные участки.

В отсутствие электрического поля (?/=о) 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.

Рис. 2. Счётная характеристика газового детектора.

При малых значениях U (участок I) происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объёме. При увеличении напряжённости 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. На участке I газ имеет постоянную электропроводность, т. е. здесь выполняется закон Ома. 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). 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. При этом амплитуда импульса сначала растёт пропорционально первичной ионизации — это пропорциональная область. В этой области III работают пропорциональные счётчики. Область работы пропорциональных счётчиков затем сменяется областью ограниченной пропорциональности IV. На участке V газовое усиление возрастает настолько, что собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Однако разряд, как и в предыдущих областях, остаётся вынужденным, т. е. начинается после прохождения ионизирующей частицы. Это область работы счётчиков Гейгера-Мюллера.

Коронный разряд возникает на участке напряжений V и прекращается после каждого единичного акта начальной ионизации принудительно. Разряд гасят либо добавкой к наполняющему рабочий объём инертному газу одного из галогенов или органических молекул, ликвидирующих опасность вторичных лавин, либо резким ограничением мощности источника напряжения путём последовательного включения высокоомного сопротивления (ю⁹ ом). Тем самым на время движения положительных ионов к катоду сохраняется напряжение на электродах ниже порога зажигания самостоятельного коронного разряда, уменьшенного за счёт накопления отрицательного заряда на аноде в процессе разряда. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к непрерывному разряду (область VI), поэтому эта область для регистрации частиц не используется.

Газонаполненный детектор имеет недостаток, связанный с тем, что плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала. Это обстоятельство не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергетичные и слабоионизирующие частицы. Кроме того, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе велика (-30 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.