2. Ионизационные методы

В основе ионизационных методов регистрации лежит измерение электропроводимости вещества (в частности, газа), обусловленной его ионизацией при взаимодействии ядерных излучений со средой. Энергия, расходуемая на образование в воздухе одной пары ионов обоих знаков, постоянна для любого вида излучения и равна приблизительно 34 эВ. На основании этого можно подсчитать число пар ионов, образующихся при прохождении частицы с определенной начальной энергией. Так, например, при прохождении ?-частицы с начальной энергией 1,7 МэВ образуется 1,7 • 10⁶/34 =5 10⁴ пар ионов.

Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, наполненные газовой смесью определенного состава. Внутри баллона находятся хорошо изолированные друг от друга металлические электроды. Такие детекторы различаются в зависимости от области напряжений, в которой они работают, поэтому следует познакомиться с особенностями регистрации излучения при разных напряжениях на электродах детектора.

2.1. Ионизационные камеры и счетчики

Ионы, возникающие после прохождения ионизирующей частицы через внутренний объем детектора, под действием электрического поля перемещаются к электродам, обусловливая тем самым появление электрического тока в цепи детектора. Зависимость силы тока от приложенного на электроды напряжения представлена на рис. 1.14. Участок 0В графика соответствует области напряжений, в которой увеличение напряжения приводит к росту скорости перемещения ионов в межэлектродном пространстве. Вследствие этого уменьшается вероятность их рекомбинации и ток в цепи возрастает. По мере дальнейшего увеличения напряжения наступает момент (напряжение (U_b), когда все образующиеся непосредственно под действием ионизирующих частиц ионы оказываются в состоянии достичь электродов и дальнейшее увеличение напряжения от U_b до U_c не приводит к росту силы тока в цепи.

Ток, соответствующий этой области напряжений, называют током насыщения (участок ВС). Если напряжение на электродах и дальше увеличивать, то сила тока вновь начинает возрастать, причем значительно быстрее, чем на участке 0В.

Это новое возрастание сначала (при напряжениях, не намного превышающих U_c) вызвано только процессом так называемой ударной ионизации, заключающимся в том, что первично образующиеся ионы приобретают в электрическом поле детектора энергию, достаточную для осуществления при соударениях новых актов ионизации атомов и молекул. Заметим, что ионы, образовавшиеся при ударной ионизации, в свою очередь могут вызвать ионизацию нейтральных атомов и молекул.

Рис. 1.14. Зависимость тока i в ионизационном детекторе от приложенного к электродам напряжения

При дальнейшем росте напряжения соударения ионов с молекулами начинают приводить не только к ионизации, но и к возбуждению молекул. Возбужденные молекулы, возвращаясь в основное состояние, испускают кванты света. Энергия этих квантов достаточна, чтобы обусловить выход электронов с анода и катода в результате фотоэффекта. Электроны, вылетающие с анода, под действием электрического поля быстро возвращаются на анод, а электроны, покинувшие катод, перемещаются к аноду и участвуют в процессах соударения с молекулами и атомами газа, вызывая образование новых ионов. Фотоэффект имеет место не только на электродах, но и на компонентах газовой смеси. В итоге в рабочем объеме детектора образуется так называемый пространственный разряд, вследствие чего сила тока, проходящего через детектор, оказывается намного выше тока насыщения. Область CD называют областью газового усиления. Для характеристики газового усиления служит коэффициент газового усиления k_гу

k_гу = n_общ/n_п,

где n_общ – общее число ионов, образовавшихся в детекторе под действием ядерной частицы; n_п – число первичных ионов.

При достижении напряжения U_d в детекторе возбуждается самостоятельный разряд и сила тока скачкообразно возрастает. Отметим, что подавать на детектор напряжение, равное или большее, чем U_d, нельзя, так как любой детектор, в котором был возбужден самостоятельный разряд, быстро выходит из строя.

Для регистрации излучения используют две области напряжений: область U_bU_c, соответствующую току насыщения, и область U_cU_d в которой имеет место газовое усиление. Детекторы, работающие в первой области, обычно называют ионизационными камерами, во второй – счетчиками. Оба эти типа детекторов используются в различных системах регистрации ядерных излучений.

Системы регистрации могут предназначаться для регистрации либо отдельных ядерных частиц или ?-квантов (дифференциальные системы), либо для регистрации потоков ядерных излучений (интегральные системы). С точки зрения радиотехники различие между обеими системами связано с разными скоростями cтекания заряда с электродов детектора. Цепь, в которую включен ионизационный детектор, имеет эффективную емкость С и сопротивление R. При прохождении ионизационного тока накопленный на электродах заряд разряжается на сопротивлении R цепи. Время, за которое заряд на электродах уменьшается в е раз, равно произведению RC. Это произведение имеет размерность времени и называется постоянной времени. Если RC велико по сравнению со временем, проходящим между двумя последовательными попаданиями ядерных частиц в детектор, то достигается стационарный режим и вся система регистрирует наличие некоторого постоянного тока в цепи. Наоборот, если RC относительно мало, то аппаратура, соответствующим образом сконструированная, сможет фиксировать электрические импульсы от отдельных частиц. Значения R и С можно в определенных границах менять, поэтому любой ионизационный детектор пригоден для включения в схемы регистрации обоих типов.

На практике ионизационные камеры используют чаще в интегральных системах регистрации, счетчики – в дифференциальных. Причины разграничения областей применения двух типов ионизационных детекторов состоят в следующем. В случае интегральных систем регистрируемый ток должен быть прямо пропорционален числу попавших в объем детектора ядерных частиц или ?-квантов. Такая пропорциональность существует только при регистрации токов насыщения.

Обычно ионизационный ток, вызываемый прохождением одной частицы (п = 1), очень мал и для того, чтобы регистрация отдельных частиц ионизационной камерой стала возможной, его необходимо значительно усилить.

Измерение очень слабых токов представляет довольно сложную проблему, поэтому ионизационные камеры обычно включают в интегральные системы регистрации. Такие приборы (токовые ионизационные камеры) нашли широкое применение для дозиметрии ?- и ?-излучений высокой проникающей способности.

Для того чтобы обеспечить возможность работы ионизационной камеры в интегральных системах, значение RC должно быть достаточно велико. С этой целью в цепь включают высокоомное сопротивление R = 10^11–10¹² Ом. При таких больших R даже очень малые токи, протекающие через ионизационную камеру, создают падение напряжения на сопротивлении, составляющее около 1 В, которое относительно просто зарегистрировать.

Для специальных целей применяются ионизационные камеры, работающие в дифференциальных системах (импульсные ионизационные камеры). Такие камеры используются, например; при регистрации осколочных ядер, обладающих большой энергией и высокой ионизирующей способностью, при определении энергии ?-частиц (в ?-спектрометрии) и в некоторых других случаях.

Электрические импульсы, возникающие при прохождении ядерных частиц через счетчик, достаточно велики, что, как уже пояснялось, связано с механизмом газового усиления. Поэтому счетчики можно применять в тех случаях, когда необходимо обнаружить попадание в детектор каждой отдельной частицы или ?-кванта. Значение параметра RC для дифференциальных систем со счетчиком как детектором излучения должно быть относительно мало, вследствие чего нагрузочное сопротивление подбирают равным не более чем 10⁷–10⁸ Ом.

В заключение отметим, что приведенные рассуждения об областях применения детекторов, работающих в дифференциальных и интегральных системах регистрации, справедливы не только для ионизационных, но и для других методов регистрации излучений (в частности, сцинтилляционных).

2.2. Принцип работы газовых счетчиков

Счетчики, работа которых основана на ионизационном методе регистрации излучений, заполняют газовой смесью определенного состава, поэтому их часто называют газовыми счетчиками. Схема включения счетчика изображена на рис. 1.15. Как уже говорилось, прохождение ядерной частицы через счетчик вызывает появление импульса электрического тока. Этот импульс в свою очередь создает мгновенное падение напряжения (импульс напряжения) на нагрузочном сопротивлении R. Если построить график зависимости амплитуды импульса при регистрации частицы определенной энергии от напряжения на электродах счетчика, то получится кривая, представленная на рис. 1.16.

Рис. 1.15. Схема включения газового счетчика:

1 – катод; 2 – анод; 3 – изоляторы; 4 – источник высокого стабилизированного напряжения; R – нагрузочное сопротивление; С – конденсатор

Как видно из сравнения рис. 1.14 с рис. 1.16, изменения силы тока и амплитуды импульса от напряжения описываются аналогичными кривыми. Это одна и та же зависимость, только рис.16 дает более детальную и правильную картину физического процесса и возможность оценить k_гу. В частности, при напряжении U₀U₁ амплитуда импульса остается постоянной (рис. 16), что соответствует области плато ВС на рис. 1.14 (режим работы ионизационной камеры). Рис. 1.14 использовался для анализа работы токового детектора. Применительно к импульсным детекторам – счетчикам лучше говорить не о силе протекающего через них тока, а об амплитуде импульсов, и поэтому для анализа работы счетчиков следует обратиться к рис. 1.16.

Рассмотрим область газового усиления, соответствующую напряжениям U₁U₄

Рис.1.16. Зависимость амплитуды импульса от напряжения

В ней можно выделить три характерных участка. На участке U₁U₂ газовое усиление обусловлено только процессами ударной ионизации. Увеличение амплитуды импульса на этом участке напряжений за счет газового усиления строго пропорционально числу актов первичной ионизации. Другими словами, здесь k_гу зависит только от напряжения и не зависит от начальной ионизации – именно поэтому амплитуда и будет пропорциональна первичной ионизации. Это означает, в частности, что в любой точке на участке U₁U₂ отношение амплитуд импульсов, вызванных двумя различными ядерными частицами, зависит только от соотношения между энергиями, израсходованными этими частицами внутри детектора. Счетчик, работающий в области напряжений U₁U₂, называют пропорциональным, а саму область напряжений U₁U₂ – областью пропорциональности. На участке напряжений U₂U₃ амплитуда импульса продолжает увеличиваться. Хотя она по-прежнему зависит от числа актов первичной ионизации, но прямая пропорциональность нарушается т. к. k_гу начинает зависеть от первичной ионизации. Участок напряжений U₂U₃ называют областью ограниченной пропорциональности.

При росте напряжения выше U₃ газовое усиление обусловлено не только ударной ионизацией, но и, во все возрастающей степени, процессами фотоэффекта. Амплитуда импульса в данной области напряжений перестает зависеть от числа первично образующихся ионов и, следовательно, от энергии регистрируемых частиц. Например, один акт первичной ионизации может вызвать в этой области такой же импульс, как и 1000 первичных актов. Это связано с возникновением разряда во всем объеме счетчика, а число носителей заряда максимально при разных значения k_гу, который зависит от начальной ионизации. Область напряжений U₃U₄ – называют областью Гейгера, а счетчики, работающие при таких напряжениях, – по имени их создателей счетчиками Гейгера – Мюллера. Независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующей частицы делает счетчики Гейгера – Мюллера особенно удобными для регистрации ?-частиц, обладающих непрерывным спектром энергий.

Счетчик обычно представляет собой металлический цилиндр, играющий роль катода, по оси которого натянута металлическая нить – анод. Радиусы катода и анода сильно различаются между собой – первый составляет, как правило, 1–2 см, второй – несколько сотых миллиметра. Напряженность электрического поля вблизи нити на 2–3 порядка выше, чем около стенок цилиндра, и поэтому становится возможным подобрать такие напряжения, при которых область газового усиления охватывает только ближайшее к нити пространство. С ростом напряжения на электродах счетчика область газового усиления постепенно расширяется от нити к катоду, поэтому амплитуда импульса увеличивается с ростом напряжения на детекторе.

Рассмотрим в самых основных чертах механизм газового разряда в счетчиках этого типа, В результате первичной ионизации газа, находящегося в счетчике, образуется некоторое количество электронов и положительно заряженных катионов. Как уже упоминалось выше, для фиксации этого события размеры первичной ионизации не имеют значения: вполне достаточно появления одного электрона, покинувшего атом вследствие любого эффекта (механизм взаимодействия ионизирующего излучения с веществом рассмотрен в предыдущем разделе). Электроны обладают большей подвижностью, чем катионы газа, и, более того, – при движении к аноду (нити, натянутой вдоль центральной оси счетчика), эти электроны первичной ионизации, приобретая энергию за счет электростатического поля, сами начинают ионизировать и возбуждать молекулы газа. При этом вновь образуются электроны (но уже в акте вторичной ионизации), которые, в свою очередь, будут ионизировать газ, в результате чего по направлению к нити возникнет лавина ускоренно движущихся электронов. Вторая лавина разряда распространяется вдоль нити за счет образования новых лавин, которые создаются электронами фотоэффекта (так называемыми "фотоэлектронами"). Эта дополнительная ионизация вызывается фотонами коротковолнового излучения (ультрафиолетовая область), испускаемого возбужденными молекулами. Фотоны взаимодействуют с материалом катода и вновь с молекулами газа-наполнителя, что по механизму фотоэффекта увеличивает поток разряжающихся, электронов.

Через время порядка 10–⁷ с практически весь объем счетчика охватывается разрядом, который называют коронным или самостоятельным. Когда электроны, образованные последовательными лавинами, соберутся на нити, то с внешней стороны этот "электронный рулет", окружающий нить, все еще будет заключен в "чехол" из катионов, которые вследствие низкой подвижности не успели отойти к катоду. Катионный чехол снижает напряженность электрического поля вблизи нити, а собравшиеся на аноде электроны снижают и величину ее потенциала, так как емкость нити мала, скорость восстановления потенциала относительно велика и зависит от RC, поэтому прекращается дальнёйшая ударная ионизация и затухает активная стадия разряда. Началом следующего этапа разряда будет относительно медленное расширение чехла катионов и заметное движение их в сторону катода. В цепи возникает ток: снижается потенциал нити и формируется импульс в цепи счётчика. В это время восстанавливается напряженность поля вблизи нити, а положительные ионы, разряжаясь на катоде, вызывают новую эмиссию фотоэлектронов, которые могут породить новую лавинную вспышку разряда. Но уже этот разряд, который может возникнуть после формирования импульса, является "паразитным", – он не несет никакой новой информации о первичной ионизации газа частицей или фотоном и грозит перерасти в нескончаемый самоподдерживающийся процесс. Если его не оборвать, то детектор просто "не заметит" очередную ионизирующую частицу. Поэтому должны быть приняты специальные меры для гашения разряда, после того, как он зафиксировал прохождение ионизирующей частицы. Это достигается двумя способами. По одному из них (сейчас редко применяющемуся) в цепь включается высокоомное сопротивление (10⁹ Ом), на котором происходит падение напряжения, а возникающее вследствие этого снижение потенциала нити счетчика и приводит к гашению разряда. Такие счетчики называются несамогасящимися.

Другой путь гашения предусмотрен в самогасящихся счетчиках. Гашение здесь достигается благодаря наполнению баллона детектора "гасящей" смесью, которая обычно представляет собой смесь аргона с парами спирта или какого-либо многоатомного газа (этана, этилена и др.). Газ в счетчике, тем не менее, находится под разряжением (общее давление 133 гПа). При соударении ионов аргона с нейтральной многоатомной молекулой обычно происходит электронный переход от неё к катиону аргона, так как этот процесс энергетически выгоден. Эти переходы сопровождаются высвечиванием фотонов с энергией несколько электрон-вольт, которые снова с большой вероятностью поглощаются парами органической добавки. Катода достигают почти исключительно ионы многоатомного соединения, которые, разряжаясь на нем (т.е. присоединяя к себе "вырванный" из фотокатода электрон), превращаются в нейтральные, хотя и возбужденные молекулы. Эти молекулы с большей вероятностью распадаются (необратимо диссоцируют), чем высвечивают фотоны. Следовательно, разряд обрывается. Таким образом, многоатомный газ выполняет две функции: во-первых, он не позволяет фотонам достичь катода и вызвать тaм фотоэффект, который мог бы породить новую "паразитную" лавину; во-вторых, его катионы, преимущественно разряжаясь на катоде, резко снижают вероятность выбивания из катода вторичных электронов катионами аргона, ибо ионы гасящего газа в отличие от ионов аргона не вырывают с поверхности катода свободные электроны.

Вот так предупреждается образование новой "паразитной" лавины, о которой шла речь выше, и разряд будет завершен после одной электронно-фотонной лавины, возникшей после одного акта первичной ионизации.

Самогасящиеся счетчики имеют ограниченный срок жизни из-за необратимого распада молекул гасящего газа: после фиксации около 10⁹ импульсов счетчик приходит в негодность. В этом отношении большими преимуществами обладают так называемые галогенные счетчики. Они обычно заполняются неоном (с очень небольшой примесью аргона), а роль гасящей добавки в этих счетчиках выполняют галоиды при содержании около 0,1%. Уже при небольших напряжениях вторичные электроны будут возбуждать атомы неона, которые, в свою очередь, будут ионизировать атомы аргона (метастабильный уровень неона 16,57 эВ, а ионизационный потенциал аргона 15,7 эВ). Образовавшиеся ионы аргона при соударениях с молекулами галоида станут нейтрализоваться за счет ионизации галоидов. В итоге к аноду будут в основном подходить возбужденные ионы галоида, которые с малой вероятностью способны "вырвать" при разряжении из катода дополнительные электроны (потенциал ионизации галоидов сравнительно невелик). Возбуждение разряженных ионов снимается обратимой диссоциацией молекул галоида. Это обстоятельство и обрывает "паразитную" лавину. Вследствие того, что в газовой смеси с добавкой галогенов протекают только обратимые процессы, срок службы таких счетчиков никак не связывается с общим числом зарегистрированных импульсов: теоретически он бесконечен (хотя "ничто не вечно под луной").

Счетчик Гейгера-Мюллера прост, дешев и надежен; столь же простой является и регистрирующая аппаратура. Но разрешающая способность этих счетчиков относительно невысока: так называемое "мертвое время" (время после регистрации импульса, в течение которого счетчик не реагирует на новые акты ионизации, происходящие внутри него) имеет порядок 10–⁴ с. Поэтому рекомендуется ограничивать скорость счета при измерении активности препарата, не поднимая ее выше значений (3–6) 10³ имп/мин, – при этих условиях не требуется введения специальных поправок на "мертвое время" данным измерениям. Эта рекомендация, разумеется, имеет смысл только тогда, когда экспериментатор сам изготовляет препарат или влияет на его изготовление.

2.3. Счетная характеристика счетчиков

Итак, амплитуда импульса, возникающего в счетчике под действием ионизирующей частицы, зависит от напряжения на электродах, а для пропорциональных счетчиков – и от энергии частицы. Подаваемое на счетчик напряжение всегда колеблется в некоторых пределах, а энергии отдельных частиц могут сильно различаться между собой (например, у ?-радиоактивных нуклидов). Поэтому для того чтобы работа счетчика была удовлетворительна, необходимо среди других условий соблюдать следующие два. Во-первых, любая ионизирующая частица должна возбуждать в счетчиках только один импульс и, во-вторых, регистрирующее устройство должно срабатывать на каждый возникающий в детекторе импульс. Если эти условия выполнены, то число импульсов, регистрируемых в единицу времени от одного и того же радиоактивного препарата (так называемая скорость счета), остается постоянным в некоторой области напряжений, подаваемых на счетчик. Эта область напряжений и является рабочей областью счетчика.

Для нахождения рабочей области напряжений снимают, используя препарат с постоянной радиоактивностью, счетную характеристику счетчика – зависимость скорости счета импульсов от приложенного напряжения. Типичная счетная характеристика газового счетчика приведена на рис. 1.17.

В точке U_а, соответствующей началу счета, начинается регистрация импульсов. Область, отвечающую напряжениям U_bU_c, называют плато счетной характеристики. У некоторых типов газовых счетчиков плато начинается практически сразу же (через 10–15 В) после напряжения начала счета. Регистрируемая скорость счета в области плато может несколько увеличиваться с ростом напряжения на счетчике, что объясняется появлением ложных импульсов, образующихся, например, за счет эмиссии вторичных электронов с катода. Поэтому в области плато счетная характеристика часто имеет небольшой наклон.

Количественно наклон плато счетной характеристики (%) оценивают по формуле

где ?I – увеличение скорости счета при изменении напряжения на счетчике на ?U В.

Рис. 1.17.Типичная счетная характеристика газового счетчика.

Счетная характеристика тем лучше, чем больше плато по протяженности и чем меньше его наклон. Длина плато и его наклон зависят от того, в каком режиме – пропорциональном или гейгеровском – работает счетчик, и от его конструктивных особенностей. У лучших счетчиков наклон плато практически отсутствует, а протяженность плато достигает 400–500 В. Счетчик считается пригодным для работы, если наклон плато счетной характеристики и его протяженность не выходят за пределы, указанные в паспорте счетчика.

Рабочее напряжение U_p, при котором ведут измерение на счетчике, рекомендуется выбирать в середине плато или в первой трети плато, при условии стабильного напряжения на электродах счетчика и постоянно (не реже 1 раза в 2–3 дня) контролировать положение рабочего напряжения на плато счетной характеристики.

По своему внешнему виду кривая, приведенная на рис. 17, напоминает график зависимости амплитуды импульса или тока от напряжения (см. рис. 1.14 и 1.16). Это сходство иногда приводит к путанице. Следует иметь в виду, что сходство между кривыми чисто формальное. Если на рис. 16 речь идет об изменении амплитуды импульса, вызванного прохождением через детектор одной ядерной частицы, то на рис. 17 о числе регистрируемых в единицу времени импульсов, причем соответствующие им амплитуды могут быть как равны, так и различны.

2.4. Устройство регистрирующей аппаратуры со сцинтилляционными детекторами

В основе работы сцинтилляционного детектора лежит способность некоторых материалов – сцинтилляторов – преобразовывать энергию ядерных излучений в фотоны – кванты видимого или ультрафиолетового светового излучения. Отдельная вспышка света, вызванная прохождением через сцинтиллятор ядерной частицы или ?-кванта, Получила название сцинтилляции.

В сцинтилляционных детекторах для подсчета сцинтилляций используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Использование ФЭУ дает возможность провести регистрацию отдельных световых импульсов, вызванных прохождением через сцинтиллятор ?– и ?-частицы или ?-кванта, в результате чего сцинтилляционные детекторы можно использовать в регистрирующих системах дифференциального типа. Детектор излучения в этом случае называют сцинтилляционным счетчиком. Блок-схема регистрирующего прибора со сцинтилляционным счетчиком дана на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Блок-схема регистрирующего прибора со сцинтилляционным счетчиком. d₁…..d_i-диноды, R_a– анодная нагрузка, R₁….R_i-сопротивление делителя напряжения.

Кванты света (фотоны), возникающие в материале сцинтиллятора 1, попадают на фотокатод ФЭУ 4. Для увеличения доли света, передаваемой от мест возникновения фотонов в сцинтилляторе к фотокатоду, сцинтиллятор окружают отражателем 2, изготовленным, например, из ?-оксида алюминия. Для передачи фотонов от сцинтиллятора на фотокатод в ряде случаев используют светопровод 3, выполненный например, из плексигласа. Наличие светопровода обеспечивает более равномерное распределение фотонов по всей площади фотокатода, что, улучшает стабильность работы детектора. Роль фотокатода 4 выполняет полупрозрачный слой фоточувствительного вещества, нанесенный с внутренней стороны на торец стеклянного баллона ФЭУ. Внутри баллона поддерживается высокий вакуум. Фотокатод должен быть хорошим эмиттером электронов. Таким свойством обладает сурьмянистый цезий Cs₃Sb, его и используют обычно в качестве фоточувствительного вещества.

Внутри ФЭУ между фотокатодом и анодом 5 расположены диноды d₁, d₂, d_i, …, также покрытые слоем вещества с малой работой выхода электронов. Фотокатод, как правило, несет отрицательный потенциал относительно земли. Диноды и анод имеют положительные потенциалы относительно фотокатода, причем потенциал каждого последующего динода в направлении от фотокатода к аноду более положителен, чем потенциал предыдущего. Система динодов обеспечивает первичное усиление электрического импульса, который образуется в ФЭУ под действием вспышки света, возникающего в сцинтилляторе. Дальнейшее усиление импульса происходит в усилителе 6. Блок-схема регистрирующего прибора со сцинтилляционным счетчиком может включать дискриминатор 7. Дискриминатор пропускает те электрические импульсы, амплитуда которых соответствует порогу дискриминации, т. е. больше (или меньше) определенного напряжения, установленного на этом приборе. Порог дискриминации можно варьировать при помощи соответствующего переключателя. Прошедшие через дискриминатор импульсы попадают на электронный блок регистрации 8. Источником высоковольтного постоянного напряжения, необходимого для работы ФЭУ, служит блок питания 9.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.