На головну

Камери іонізаційні. Принципи роботи і загальні характеристики

  1.  B-дерева: принципи побудови, операція пошуку.
  2.  I Розрахунок витрат для визначення повної собівартості вироби (роботи, послуги), визначення рентабельності його виробництва
  3.  I. Нові принципи кримінального права
  4.  I. Загальна характеристика роботи
  5.  I. Загальні рекомендації
  6.  I. Загальні вимоги охорони праці
  7.  I. Фундаментальні принципи

Іонізація газу випромінюванням знайшла своє практичне використання в газонаповнених детекторах, одним з яких є іонізаційна камера. Застосовувані іонізаційні камери розрізняються за призначенням, конструкції і т. Д. Однак робота всіх газонаповнених детекторів, в тому числі іонізаційних камер, побудована на здатності газів змінювати електропровідність під дією випромінювань.

Іонізаційній камерою вимірюють іонізаційний струм або заряди електрики, що виникають в газовому обсязі. Для поділу різнойменних зарядів до газового обсягу прикладають певну різницю потенціалів. Електрична напруга подають на електроди. Вони обмежують робочий об'єм іонізаційнийкамери, т. Е. Той обсяг газу, через який протікає іонізаційний струм.

Напруга на електродах кожної конкретної іонізаційнийкамери обумовлюється конструкцією, тиском і природою газу-наповнювача. Воно повинно забезпечувати протікання через газ струму насичення. При такій напрузі всі іони, утворені випромінюванням в робочому обсязі, потрапляють на електроди, а іонізаційна камера характеризується максимальним відгуком.

Під чутливістю детектора розуміють мінімальний іонізаційний струм, який можна виміряти за допомогою детектора. Чим вище чутливість, тим меншу інтенсивність випромінювання виявляє детектор. Високочутливими іонізаційними камерами вимірюються струми до 10-15 а.

Току насичення відповідає ціла область насичення вольт-амперної характеристики (плато). Напруга, що подається на електроди іонізаційнийкамери, називають робочою точкою. Її вибирають приблизно посередині плато. Такий вибір робочої точки зменшує похибка вимірювання, пов'язану з нестабільністю напруги джерела живлення.

Камери іонізаційні за своєю конструкцією представляють газові конденсатори. Залежно від форми електродів іонізаційні камери поділяються на циліндричні, плоскі і сферичні.

Циліндрична камера складається з циліндричного корпусу, по осі якого змонтований металевий стрижень-збирає електрод. Висока напруга підводять до другого, високовольтного електроду, яким служить циліндричний корпус. Високовольтний електрод укладають в електростатичний екран. Він виконує кілька функцій: захищає циліндричну камеру від впливу зовнішніх електричних полів, оберігає її від механічних пошкоджень, а експериментаторів від випадкових зіткнень з високовольтним електродом.

Стабільна робота іонізаційнийкамери багато в чому залежить від якості ізоляції збирає електрода і, особливо, від високовольтного електрода. Обидва електроди ізолюють матеріалами з опором Rз= 1010-1020 ом, такими, як бурштин, кварц, фторопласт, кераміка та ін. Однак по поверхні і об'єму найкращих ізоляторів завжди існує витік частини заряду з збирає електрода, так як ізолятори включені під таку ж напругу U, що і електроди. Тому через ізолятори протікає струм витоку Iут = U / Rз. Струми витоку спотворюють дійсне значення іонізаційного струму, і показання вимірювача струму непропорційні інтенсивності випромінювання. Щоб уникнути впливу струмів витоку на результати вимірювання, застосовують ізолятори з опором близько 1020 ом або посередині ізоляторів встановлюють охоронне кільце. На охоронне кільце подають потенціал, близький до потенціалу збирає електрода. При такому включенні струми витоку з високовольтного електрода замикаються на охоронне кільце, в той час як між охоронним кільцем і збирає електродом вони невеликі.

Охоронне кільце ізолюють від високовольтного електрода ебонітом або текстоліту, які мають порівняно невеликі опору. Ці ж матеріали використовують для ізоляції високовольтного електрода високоякісним ізолятором, щоб виключити навіть незначну витік зарядів.

Циліндрична камера має нескладну конструкцію. Вона проста у виготовленні і має гарну міцність. Однак електричне поле в робочому обсязі циліндричної камери нерівномірно. Напруженість електричного поля Е в міжелектродному просторі змінюється за законом:

 (9.7)

де U - Напруга на електродах, r-відстань від осі циліндричної камери.

Область робочого об'єму, що знаходиться поруч з збирає електродом, є областю сильних електричних полів. У ній напруженість Е складає близько 500 В / см. Поблизу циліндричного корпусу напруженість падає до 10 В / см. Так як область невеликих напруженостей займає майже весь обсяг циліндричної камери, то в ній виникає основна маса первинної іонізації.

У слабкому електричному полі відбувається інтенсивна рекомбінація іонів. Тому початок області насичення для циліндричних камер знаходиться при більш високих напругах, ніж плоских камерах.

Електроди плоскою камери виконують у вигляді пластин. Їх розміщують в плоскій металевій коробці, яка є корпусом іонізаційнийкамери. Одна з пластин є збирає, а друга-високовольтним електродом.

По краях збирає електрода деяких плоских камер монтують охоронний електрод, який виконує функції охоронного кільця. У плоских камерах без охоронних електродів електричне поле по краях камер сильно спотворено, внаслідок чого електричне поле на краях неоднорідне. Охоронні електроди відокремлюють центральну частину камери з постійною напруженістю електричного поля. Прилад вимірює іонізаційний струм, що протікає тільки через центральну частину камери. У плоских камерах з охоронними електродами рекомбинирует мало іонів і струм насичення досягається при невеликих напругах.

Плоскі камери важче виготовити, ніж циліндричні. Однак через свою геометричної форми вони більш зручні для польових переносних вимірювальних приладів, таких, як рентгенометри і ін. Плато плоских камер розташоване в області низьких напруг, так як електричне поле практично постійно у всьому робочому обсязі. Це одна з переваг плоских камер.

Сферичні камери застосовують в експериментальній фізиці для реєстрації нейтронів. Їх наповнюють ізотопом 3Нє, Н2 або метаном під великим тиском, яке сферичний корпус витримує без помітної деформації форми. Корпус зварюють з двох півсфер.

Розрізняють два режими роботи іонізаційнийкамери: струмовий і імпульсний. Камери іонізаційні, що працюють втоковом і імпульсному режимах, називають відповідно струмовими і імпульсними. Струмовими камерами вимірюють середній іонізаційний струм в газі. Інакше їх називають інтегруючими. Імпульсними камерами реєструють окремі заряджені частинки, які потрапляють в робочий об'єм.

Токовий або імпульсний режими іонізаційнийкамери забезпечуються електричною схемою включення, конструкцією і наповненням. Багато типів іонізаційнийкамери, включені до відповідної електричну схему, можуть працювати як в струмовому, так і в імпульсному режимах

9.4.1 Струмові камери для ?частинок

Струмовими камерами вимірюють активність ?-Джерело і інтенсивність ?-випромінювання. Якщо визначають активність зовнішнього ?-Джерело, то в корпусі токовой камери прорізають спеціальне вхідний вікно, яке закривають тонкою плівкою слюди. Товщина плівки повинна бути набагато менше пробігу ?-частинок в слюди, який не перевищує десятка мікрон.

джерело ?частинок являє собою тонкий шар ?-активно препарату, обложеного на підкладку. Товщину препарату вибирають такий, щоб енергія ?частинок Е? була набагато більше втрат енергії ?частинки в самому препараті. В цьому випадку можна знехтувати втратами енергії в джерелі і вважати, що вся енергія ?частинки поглинається в навколишньому середовищі. Розміри токовой камери вибирають більше довжини пробігу ?частинок в газі. У такій камері ?частинки повністю гальмуються, і через камеру тече максимальний струм насичення. енергія ?частинок, що випускаються ?-активно ядрами, не перевищує 9 МеВ. Пробіг ?частинок з енергіями Е? <9 МеВ укладається в струмових камерах об'ємом близько 1 л при тиску газу 1 атм.

активність ?-Джерело дорівнює числу ?розпадів за 1 с. Її розраховують за струмом насичення Iн. ?-частка З кінетичної енергією Е? утворює в робочому обсязі Еа/ ? іонних пар, де ? - Енергія освіти іонної пари.

Струмовими камерами вимірюють ?-активність поверхонь виробничих приміщень, забруднених радіоактивними речовинами, і гірських порід. Прокачуючи гази через робочий об'єм токовой камери, знаходять їх активність. Таким же методом контролюють ?-активність газів на промислових підприємствах.

9.4.2 Струмові камери для ?частинок

проникаюча здатність ?частинок в речовині значно більше, ніж ?частинок. Однак в струмових камерах, які реєструють ?частинки, доводиться передбачати також вхідний вікно, щоб зменшити частку ?частинок, що поглинаються в корпусі.

Струмові камери для ?частинок - це циліндричні або плоскі камери. Торець циліндричної камери (дно плоскої камери) закривають тонкої фольгою, яка пропускає ?частинки і поглинає ?частинки. Фольга відокремлює одне випромінювання від іншого. активність ?-Джерело виміряти важче, ніж активність ?-Джерело, так як ?-джерело випускає суцільний спектр ?частинок. зазвичай активність ?-Джерело знаходять методом порівняння з ?-активно зразкового джерела, ?-спектр якого відомий. Результати вимірювань найбільш точні, якщо ?-спектр зразкового і досліджуваного ? - Джерел збігаються. Методом порівнянь вимірюють інтенсивності ?-випромінюванням, концентрацію ?-активно ізотопів в гірських породах, в атмосфері виробничих приміщень і т. д.

9.4.3 Струмові камери для ?-випромінювання

Процес іонізації газу ?квантів в струмового камері має деякі особливості. Заряджені частинки іонізують газ, прямо взаємодіючи з молекулами. Виникаючі позитивні і негативні іони рухаються з невеликою енергією і не здатні іонізувати газ. ?-кванти порівняно рідко відчувають прямі взаємодії з молекулами. Питома іонізація від таких взаємодій дуже мала. Однак ?-кванти передають вирваним з молекул електронам значну частину своєї енергії. отже, ?-кванти спочатку витрачають свою енергію на освіту швидких електронів, які і іонізують газ.

Електрони, що потрапляють в робочий об'єм, утворюються в газі-наповнювачі, в стінці корпусу, у зовнішньому середовищі, навколишнього струмовий камеру. Перше джерело електронів називають внутрішнім, другий - стеночной, а третій - зовнішнім. Частка вкладу в загальну іонізацію газу кожного джерела залежить від конструкції струмового камери, матеріалу і товщини стінок корпусу, тиску і природи газу-наповнювача, складу зовнішнього середовища і т. Д. Наприклад, в струмового камері, наповненій під тиском 1 атм, з прозорими для електронів стінками газ іонізується електронами від зовнішнього і стеночной джерел. З підвищенням тиску газу зростає іонізація електронами внутрішнього джерела.

Просте перерахування всіх величин, що впливають на іонізаційний струм, показує, що точне вимірювання інтенсивності ?-випромінювання - складне завдання. Однієї і тієї ж інтенсивності ?-випромінювання, виміряної різними типами іонізаційних камер, можуть відповідати неоднакові за значенням іонізаційні струми. Тому свідчення струмових камер перед роботою градуируют за показаннями стандартної токовой камери. У певних умовах стандартної токовой камерою вимірюють абсолютне значення інтенсивності ?-випромінювання.

Як стандартна токовой камери використовують нормальну камеру, стінки якої не поглинають ?-кванти. Нормальними камерами можуть бути плоскі відкриті камери. рентгенівське та ?-випромінювання потрапляє в робочий об'єм з відкритих сторін. Нормальними камерами служать також циліндричні великі камери з корпусом з тонкої рідкісної сітки. Вона майже не впливає на поле ?-випромінювання. Електрони, що виникають безпосередньо під дією ?квантів, повинні витрачати всю або майже всю свою енергію на освіту іонних пар. Конструкцію нормальних камер виконують так, щоб практично виключити потрапляння електронів з джерела на електроди. Тільки за такої умови поле електронів не спотворюється, а потужність дози випромінювання, виміряна нормальної камерою, є істинною.

Нормальні камери інакше називають камерами з вільним газом. Друга назва підкреслює безперервний перехід зовнішнього середовища (повітря) в газ-наповнювач (повітря). Газ в робочому обсязі нормальних камер іонізується в основному електронами зовнішнього джерела. Електрони потрапляють в робочий об'єм з шару повітря товщиною, рівній пробігу електронів в повітрі Re.

Плоскі і циліндричні нормальні камери влаштовані так, щоб під час вимірювання не порушити поле ?-випромінювання і поле електронів. Отже, струм насичення в нормальній камері найбільш точно відповідає інтенсивності ?-випромінювання. Нормальну камеру поміщають в поле ?-випромінювання і вимірюють його інтенсивність. Потім в таких же умовах роблять вимірювання градуювальної камерою. Порівнюючи струми насичення обох камер, вносять поправки в свідчення градуювальної камери.

Струмові камери для вимірювання ?-випромінювання мають ряд конструктивних особливостей. Через велику проникаючу здатність ?квантів відпадає необхідність в спеціальному вхідному вікні. Товщина стінок струмових камер, крім нормальних, перевищує довжину пробігу електронів зовнішнього джерела. Кількість і енергія цих електронів залежать від великого числа величин (тиск і температура повітря, розташування предметів навколо токовой камери і т. Д.). Стінка, поглинаючи електрони, виключає найбільш мінливу складову іонізації газу в робочому обсязі.

Одночасно стінка повинна пропускати максимальну кількість електронів, що виникають в самій стінці. Ця умова виконується, якщо пробіг електрона Re в стінці приблизно дорівнює товщині стінки ?. У стінках товщиною ? >> Re відбувається помітне ослаблення потоку ?квантів і спотворення інтенсивності ?-випромінювання. Якщо ж ? << Re, То з стінки виривається занадто мало електронів і чутливість струмового камери погіршується.

Іонізацію в газі струмових камер зі стінками товщиною ? @ Re створюють електрони внутрішнього і стеночной джерел. Щільність твердих речовин приблизно в 103-104 рази більше щільності газу при нормальному тиску. У таке ж число раз ймовірність взаємодії ?-кванта в газі менше, ніж в стінці, якщо порядкові номери Z газу і матеріалу стінки збігаються. Внаслідок цього в струмових камерах невеликих обсягів
(1-3 л) головний внесок у іонізацію газу вносять електрони стеночной джерела. Такі камери називають стеночной.

Кількість і енергія електронів стеночной джерела залежать як від інтенсивності ?-випромінювання, так і від порядкового номера Z матеріалу стінки. Отже, матеріал стінки впливає на результати вимірювання інтенсивності ?-випромінювання.

Більшістю струмових камер вимірюють потужність дози та дозу ?- І рентгенівського випромінювань.

В одиниці маси повітря і іншої речовини поглинається однакову кількість ?-випромінювання, якщо їх масові коефіцієнти поглинання рівні. Такі речовини називають воздухоеквівалентнимі. оскільки дозу ?-випромінювання визначають за ступенем іонізації повітря, показання токовой камери відображають значення інтенсивності ?-випромінювання, якщо корпус виконаний з воздухоеквівалентного речовини. тоді в 1 г матеріалу стінки утворюється стільки ж електронів, що і в 1 г повітря, і доза випромінювання, віднесена до повітря, пропорційна току насичення. Струмовий камеру з воздухоеквівалентной стінкою називають воздухоеквівалентной.

Властивостями, близькими до воздухоеквівалентним речовин, мають ізолятори: целофан, плексиглас, полістирол, бакеліт і інші матеріали. Для створення електричного поля в воздухоеквівалентной камері на внутрішню поверхню корпусу-ізолятора наносять тонкий шар аквадаг (водний розчин графіту), який має високу електропровідність.



 рекомбінація іонів |  імпульсні камери

 Рішення |  Рішення |  Рішення |  Гальмівний і характеристичне рентгенівське випромінювання |  Ослаблення випромінювання в речовині |  фотоефект |  Комптон-ефект |  Ефект освіти пар |  Принципи реєстрації випромінювання |  рухливість іонів |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати