Общие свойства детекторов

Основная задача детектирования излучений - это восстановление характеристик излучения по сигналам на выходе детектора. В простейшем случае детекторы могут использоваться только для счета частиц. Такие детекторы принято называть счетчиками. Счетчик позволяет также определить момент регистрации частицы. Более сложным является определение энергии частиц и идентификация их природы. В этом случае среднее значение амплитуды сигнала на выходе детектора должно зависеть от поглощенной в его рабочем объеме энергии. Детекторы, обладающие подобными свойствами, называются пропорциональными. Пропорциональные детекторы также могут быть использованы для счета частиц (счетный режим)* и определения момента регистрации частицы.

2.1. Одна из основных характеристик счетчика частиц – эффективность ε регистрации частиц, которая есть вероятность зарегистрировать ровно N частиц из N₀, вошедших в рабочий объем детектора за время измерения. Для экспериментальной оценки величины ε используют соотношение:

(1)

где N_р – число зарегистрированных частиц; N₀ – число частиц, попавших в рабочий объем детектора за время регистрации. Статистический характер взаимодействия частиц излучения с веществом детектора позволяет сделать заключение, что чем больше величина N₀, тем точнее будет оценка . Эффективность регистрации конкретного детектора зависит как от энергии частиц, так и от их природы. Это вызвано тем, что эффективность регистрации тесно связана с сечением процесса взаимодействия исследуемого излучения с веществом детектора.

2.2. Счетная характеристика детектора - зависимость скорости счета детектора, т. е. числа зарегистрированных в единицу времени импульсов от разности потенциалов U между электродами счетчика при неизменном числе частиц, входящих в рабочий объем счетчика (рис. 1). U₀ – напряжение начала работы счетчика. Счетная характеристика имеет плато – участок, на котором скорость счета очень слабо зависит от напряжения между электродами. Обычно рабочее напряжение U_p выбирают в центре плато.

2.3. Функция отклика детектора G(V,E) – это плотность вероятности получить на выходе детектора сигнал с амплитудой V, если на вход детектора поступает частица конкретного излучения с энергией E. Функция отклика характеризует свойства детектора как системы, предназначенной для преобразования энергии излучения в сигнал. Функция отклика для излучения, состоящего из моноэнергетических частиц с энергией E₀, называется формой линии детектора

(2)

и представляет распределение сигналов только по амплитудам.

Пусть на вход пропорционального детектора поступают две группы моноэнергетических заряженных частиц с энергиями Е ₁ и Е ₂, причем Е ₂ > Е ₁, и создают на выходе детектора две группы сигналов со средними значениями амплитуд и . Форма линии от каждой группы заряженных частиц ( на рис. 2) имеет колоколообразную форму и по виду близка к распределению Гаусса. Максимум кривой определяет среднее и наиболее вероятное значение амплитуды сигнала или . Отношение или ширин этих кривых или на половине высоты в максимуме распределения к соответствующему среднему значению амплитуды сигнала принимают обычно за относительную меру энергетического разрешения детектора. Смысл энергетического разрешения заключается в следующем. Функция на рис. 2 представляет распределение амплитуд импульсов на выходе детектора от обеих групп частиц и является результатом сложения функций . По мере сближения значений энергий Е ₁ и Е ₂ сближаются и , и при некотором значении распределение из двумодальноого становится одномодальным. Поэтому невозможно однозначно заключить, сколько групп частиц с разными энергиями образуют суммарное распределение . Однако с уверенностью можно утверждать, что функция образована не одной моноэнергетической группой частиц, поскольку ее ширина на полувысоте будет больше, чем или .

Форма линии для косвенно ионизирующих частиц, таких как γ -кванты и нейтроны, существенно отличается от рассмотренных выше, и ее вид определяется энергетическим спектром вторичных заряженных частиц и особенностями их взаимодействия с веществом детектора.

2.4. Время разрешения или мертвое время. Длительность процессов преобразования в сигнал поглощенной в детекторе энергии излучения определяет время разрешения τ_д или мертвое время, в течение которого детектор теряет способность регистрировать излучение. Кроме этого, регистратор, предназначенный для счета числа сигналов, поступающих с детектора, также имеет свое время разрешения τ_р. Полное время разрешения счетной системы детектор + регистратор составит τ_Σ = τ_д+ τ_р. Если бы частицы поступали на вход детектора через равные интервалы времени, то счетную систему можно было бы характеризовать максимальной скоростью счета . Однако, в силу случайного характера процессов радиоактивных превращений и взаимодействия с веществом детектора, частицы на вход счетной системы (в детектор) поступают нерегулярно и распределены случайным образом во времени. Поэтому неизбежно возникают просчеты, вызванные возможностью попадания в детектор частиц внутри временного интервала τ_Σ после срабатывания счетной системы от предшествующей частицы.

3. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Для регистрации излучений в детекторах этого класса используется ионизационный метод. Такие детекторы основаны на измерении величины ионизации, создаваемой заряженными частицами исследуемого излучения в газе-наполнителе. Газовый ионизационный детектор - конденсатор, между обкладками-электродами которого имеется газовая среда. Электрическое поле, создаваемое между электродами внешним источником, вызывает дрейфовое движение образованных электрических зарядов и возникновение импульса электрического тока, который изменяет электрический заряд емкости детектора. Изменение величины электрического заряда емкости детектора используется для измерения величины ионизации. Чаще всего применяются детекторы с коаксиальными цилиндрическими электродами. Внутренний электрод является анодом и представляет собой тонкую прямую проволоку диаметром ~ 0,1 мм, расположенную по оси детектора, оба конца которой закреплены на изоляторах. Другой электрод (катод) составляет обычно часть оболочки детектора. Если оболочка стеклянная, то ее внутреннюю поверхность покрывают проводящим слоем. Для наполнения детекторов используются гелий, аргон и другие газы, давление которых составляет от несколько десятков миллиметров до несколько десятков сантиметров ртутного столба. Схема включения детектора показана на рис. 3. На этом рисунке:

A - центральный электрод (анод);

K - внешний электрод (катод);

U - источник напряжения для создания электрического поля между электродам детектора.

С₁ – конденсатор, который необходим, чтобы разделить по постоянному току источник постоянного высоковольтного питания и вход электронной схемы;

C₂ – суммарная емкость детектора и входной цепи электронной схемы;

R – сопротивление утечки, необходимое для зарядки емкости С₂ до рабочего напряжения U и для ограничения тока от источника питания при разрядке емкости С₂ в процессе регистрации излучения.

Ионизационный эффект определяется числом пар положительно и отрицательно заряженных ионов, создаваемых отдельными заряженными частицами в рабочем объеме детектора. На рис. 4 показана зависимость числа собираемых пар ионов N от разности потенциалов U между электродами для типичного газонаполненного детектора.

Область I. Увеличение числа пар ионов, достигающих электродов с ростом разности потенциалов, из-за уменьшения вероятности рекомбинации образованных свободных зарядов при росте скорости дрейфа электронов. Эта область обычно для регистрации не используется.

Область II. Режим ионизационной камеры. Почти горизонтальный участок соответствует насыщению - собираются все возникшие ионы. Используется для регистрации числа частиц и их энергии.

Ионизационные камеры могут иметь два режима работы. Измерения числа и параметров частиц выполняют в импульсном (счетном) режиме. Если плотности потоков измеряемых излучений достаточно велики (~ 10 (см²с)^-1 и более) и стационарны, то с помощью ионизационных камер можно регистрировать средний уровень излучения. Такой режим работы называется токовым (интегральным). Режим работы ионизационной камеры определяется постоянной времени заряда емкости С₂ (см. рис.3). Для импульсного режима τ ≈ 10^-5 ÷ 10^-3 с, а для токового – несколько секунд. Камеры в токовом режиме обычно используются для контроля мощности реактора.

Ионизационные камеры предназначены для регистрации и измерения энергии короткопробежных сильно ионизирующих частиц (например, α -частиц, осколков деления). При введении в газ соединений с большим сечением взаимодействия с медленными нейтронами (например, ¹⁰В) или при нанесении на электроды слоя ²³⁵U (камера деления) ионизационные камеры могут использоваться для регистрации нейтронных потоков, например, в ядерных реакторах. Ионизационная камера является основным прибором для измерения поглощенной дозы - количества энергии, поглощенной единицей массы вещества dE / dm, так как величина ионизации, вызываемая излучением в объеме газа, с высокой точностью пропорциональна полной энергии, которая передается этому объему излучением.

Область III. Режим пропорционального счетчика. Рост числа пар ионов, собираемых на электродах, вызван газовым усилением вследствие процессов вторичной ионизации, возникающей в газе-наполнителе. Возрастание разности потенциалов на электродах увеличивает среднюю скорость движения электронов в газе, и она становится достаточной для ионизации атомов или молекул газа. В результате возникает лавинообразный процесс образования свободных зарядов, причем сохраняется линейная зависимость (пропорциональность) между первоначальной ионизацией, вызванной частицей излучения, и собираемым числом пар ионов, что позволяет регистрировать не только число частиц излучения, но и их энергии. Используются для регистрации мягкого β -излучения и его энергетического распределения, например, β -излучения трития. Для регистрации медленных нейтронов используют реакцию ¹⁰B(n, α)⁷Li. С этой целью в рабочий объем детектора вводят газообразное химическое соединение BF₃, содержащее изотоп ¹⁰B, или же покрывают тонким слоем аморфного ¹⁰B внутреннюю поверхность катода. Такие детекторы позволяют измерять нейтронные потоки на фоне интенсивного γ -излучения, например, в ядерном реакторе, так как пропорциональный детектор имеет на выходе сигнал, амплитуда которого пропорциональна поглощенной энергии излучения.

Область IV. Режим ограниченной пропорциональности. На этом участке пропорциональность между первичной ионизацией и числом пар ионов, поступающих на электроды, нарушается тем сильней, чем больше разность потенциалов. Этот режим может использоваться для регистрации числа частиц, поступивших в детектор.

Область V. Режим газоразрядного счетчика (или самогасящегося счетчика Гейгера-Мюллера). Если частица излучения производит хотя бы одну пару ионов, то в счетчике возникает однолавинный стримерный разряд, величина тока которого не зависит от энергии, переданной частицей в рабочий объем детектора. Счетчики этого типа широко применяются для регистрации всех видов излучений из-за большой величины сигнала. γ-Излучение регистрируется по вторичным заряженным продуктам – электронам, возникающим в процессе взаимодействия γ-квантов с веществом. Для увеличения эффективности регистрации γ-квантов с высокой энергией используют их поглощение в стенках счетчика. Регистрация медленных нейтронов не отличается от регистрации в пропорциональном детекторе.

Область VI. Возникновение самостоятельного (самоподдерживающегося) электрического разряда. Ток разряда ограничивается только величиной сопротивления R. Прежде в этой области работали несамогасящиеся счетчики Гейгера-Мюллера. В настоящее время используется для регистрации излучений в детекторах с коронным разрядом, в котором ограничение силы тока обусловлено не сопротивлением внешней цепи, а большим сопротивлением самого разряда при относительно больших давлениях в газе. До зажигания короны детектор может работать как пропорциональный. При повышении напряжения и после зажигания коронного разряда ток электронных лавин, возникающих в результате первичной ионизации, значительно превышает ток короны ("шум"). Коронные счетчики применяются главным образом для регистрации a -частиц и нейтронов, но могут быть использованы для регистрации g - и b -излучения.

Дата добавления: 2015-07-08