|
|
Радиобиология. Болатбек СРС - Радиобиология. Ионизационная камера, пропорциональные счетчики,их устройство и принцип действия
МИНИСТЕРТСВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Казахский Национальный Аграрный Исследовательский Университет
Реферат
на тему: «Ионизационная камера, пропорциональные счетчики,их устройство и принцип действия»
Выполнил: Дабыл Б.А.
Преподователь: Бабалиев С.У.
Алматы, 2020
План
I. Введение……………………………………………….3
II. Схема ионизационной камеры………...…………….4
III. Пропорциональные счетчики……………………...10
IV. Заключение…………………………………………..20
V. Список использованной литературы………………..22
Введение
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, которые движутся в электрическом поле к электродам, в результате чего возникает электрический ток.
Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией < 10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя.
Пропорциональные счетчики используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют пропорциональные счетчики для регистрации α-частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, γ- и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, γ- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые счетчиком вторичные заряженные частицы.
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 газа- наполнителя. 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 Еа=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 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+C2Ha, Ne и др). Известны проточные ионизационные камеры, которые с постоянной скоростью продуваются рабочим газом при постоянном давлении.
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-, р- и у- препаратов, интенсивности a-излучения и мощности дозы от потока нейтронов, а также у- и рентгеновского излучения. С помощью интегрирующих камер определяют мощности дозы у-, рентгеновского и жёсткого р- излучения, 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.
Применение ионизационных камер обладает тем преимуществом, что в этом случае возможны измерения без специальной йодготовки проб, с малой затратой времени и достаточной для практических целей точностью, которая при необходимости может быть повышена за счет тщательной калибровки. Они применяются как для абсолютных измерений активности при введении измеряемого препарата ( в частности, трития) внутрь камеры, так и для относительных измерений.
Применение ионизационной камеры допускает точный промер интенсивностей отдельных отражений, что важно для определения структуры решетки.
Пропорциональные счетчики
Пропорциональный счётчик — газовый детектор ионизирующего излучения, в основе принципа работы которого лежит процесс лавинного усиления заряда в цилиндрическом электрическом поле. Режим пропорционального усиления в таком счётчике позволяет, в отличие от гейгеровского режима, помимо самого факта прохождения частицы, измерить величину ионизации, оставленной заряженной частицей. Пропорциональный счетчик - газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда к-рого пропорциональна энергии, выделенной в его объёме регистрируемой частицей. При полном торможении частицы в объёме П. с. амплитуда сигнала пропорциональна энергии4015-161.jpgчастицы, т. е. П. с. является одновременно и спектрометром. П. с., как и др. газоразрядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неск. см3 до неск. л) с 2 электродами. От конструкции ионизационной камеры П. с. отличает форма анода в виде тонкой нити или острия для обеспечения вблизи анода значительно большей напряжённости электрич. поля, чем в остальном пространстве между анодом и катодом. Наиб. распространены ци-линдрич. П. с., где катодом является металлич. цилиндр (корпус счётчика), внутри к-рого аксиально протянута тонкая проволока – анод.
Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.
Заряж. частица с энергией4015-163.jpgсоздаёт в газе п0=4015-164.jpg/W электрон-ионных пар, где 4015-165.jpg- ионизационные потери энергии частицы, W - ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционален4015-166.jpgимпульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.
Спектроскопия. Пропорциональность между энергией заряженной частицы, проходящей через камеру, и полным созданным зарядом делает пропорциональные счетчики полезными для спектроскопии заряженных частиц . Измеряя полный заряд ( интеграл от электрического тока по времени ) между электродами, мы можем определить кинетическую энергию частицы, поскольку количество ионных пар, созданных падающей ионизирующей заряженной частицей, пропорционально ее энергии. Однако энергетическое разрешение пропорционального счетчика ограничено, поскольку как начальное событие ионизации, так и последующее событие «умножения» подвержены статистическим колебаниям, характеризующимся стандартным отклонением, равным квадратному корню из среднего образованного числа. Однако на практике они не так велики, как можно было бы спрогнозировать, из-за эффекта эмпирического фактора Фано, который уменьшает эти колебания. В случае аргона это экспериментально около 0,2.
Обнаружение фотонов. Пропорциональные счетчики также полезны для обнаружения фотонов высокой энергии , таких как гамма-лучи , при условии, что они могут проникать через входное окно. Они также используются для обнаружения рентгеновских лучей с уровнями энергии ниже 1 кэВ с использованием тонкостенных трубок, работающих при атмосферном давлении или около него.
Обнаружение радиоактивного загрязнения. Пропорциональные счетчики в виде плоских детекторов большой площади широко используются для проверки радиоактивного загрязнения персонала, плоских поверхностей, инструментов и предметов одежды. Обычно это в виде установленных приборов из-за трудностей обеспечения переносных источников газа для портативных устройств. Они сконструированы с большим окном обнаружения, сделанным из, например, металлизированного майлара, который образует одну стенку камеры обнаружения и является частью катода. Анодный провод проложен извилистым образом внутри камеры детектора для оптимизации эффективности обнаружения. Обычно они используются для обнаружения альфа- и бета- частиц и могут позволить различать их, обеспечивая импульсный выход, пропорциональный энергии, выделяемой в камере каждой частицей. У них высокая эффективность для беты, но ниже для альфа. Снижение эффективности для альфа- излучения происходит из-за эффекта затухания входного окна, хотя расстояние от проверяемой поверхности также оказывает значительное влияние, и в идеале источник альфа-излучения должен находиться на расстоянии менее 10 мм от детектора из-за ослабления в воздухе. Эти камеры работают при очень небольшом положительном давлении, превышающем атмосферное давление. Газ может быть запечатан в камере или может изменяться непрерывно, и в этом случае они известны как «пропорциональные счетчики расхода газа». Типы газовых потоков имеют то преимущество, что они допускают небольшие отверстия в майларовом экране, которые могут возникнуть при использовании, но они требуют непрерывной подачи газа.
Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате ионизации газа, под действием электрич. поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругие, т. к. электроны теряют значит. часть своей энергии и не могут набрать энергию, достаточную для ионизации атомов газа (20-30 эВ). В цилиндрич. П. с. электрич. поле E 4015-172.jpg, где4015-173.jpg- расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последоват. столкновениями электроны, приближаясь к аноду, получают всё возрастающие значения кинетич. энергии, и на нек-ром расстоянии от нити4015-174.jpgэнергия становится достаточной для ионизации. Образующиеся вторичные электроны вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (га-зовое усиление). Коэф. газового усиления М - отношение кол-ва электронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронно-ионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения М: при 10 < М < 100 лавина приобретает форму капли в направлении прихода электронов на анод; при 102<М<104 лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М>104 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.
Механизм работы пропорционального счётчика: зона лавин.
Формирование сигнала. Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал. Время развития лавины <10-9 с, однако вследствие того, что электроны в лавине проходят сравнительно малые расстояния (большинство электронов рождаются только на последних стадиях лавины), вклад электронной компоненты в полную амплитуду импульса 4015-190.jpg10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (14015-191.jpg5 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t:
Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n0 - число первичных ионов. Величина DV, вызванная движением ионов, сначала растёт прямолинейно, затем логарифмически; достигает макс. значения (DVмакс=еМп0/С) в момент прихода всех положит. ионов на катод спустя (14015-194.jpg5)·10-3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за 10-6с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи или линии задержки .Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью 4015-197.jpg< 10-7 с. При произвольной ориентации трека ширина импульса определяется разностью во временах дрейфа первичных электронов от начала (А)и конца (В)трека до анода (рис. 2). Эти времена могут достигать 0,1-10 мкс. Такого же порядка и время задержки импульса на выходе П. с. с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования П. с. в совпадений методе.
Временное развитие сигнала
Энергетическое разрешение. Статистич. флуктуации в кол-ве первичных ионов n0, а также флуктуации М "размывают" амплитуду импульсов и определяют предельно достижимое энергетич. разрешение П. с. (эти компоненты приблизительно равны по величине друг другу). Энергетич. разрешение 4015-200.jpg приближённо выражается соотношением:
Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянство4015-202.jpgпо длине П. с., напр. 4015-203.jpg1 мкм может вызвать разброс амплитуд
50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V0 (4015-204.jpg0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO2, СН4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н2О, СО, О2, С2 и т. д. приводит к значит. ухудшению энергетич. разрешения, т. к. амплитуда импульса становится зависимой от места образования первичных электронов. Добавки нек-рых газов с потенциалом ионизации, меньшим потенциала ионизации осн. газа, могут приводить к уменьшению ср. энергии, затраченной на образование пары ионов, следовательно к улучшению разрешения.
Временные характеристики. Макс. скорость регистрации П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки4015-205.jpg. При больших скоростях регистрации происходит ослабление электронной лавины, образовавшейся в нерелаксированном пространственном заряде от предыдущей лавины. Это ослабление распределено по случайному закону и вызывает не только уменьшение амплитуды импульсов, но и ухудшает энергетич. разрешение. При М=1044015-206.jpg105 макс. скорость счёта составляет 105- 106 с-1. Для П. с. практически нельзя указать интервал времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на излучение. Это обстоятельство позволяет использовать П. с. для детектирования излучения высокой интенсивности. При этом часто достаточно регистрировать не отд. импульсы, а средний ионный ток с помощью интегрирующих схем.
Применение.Эффективность П. с. к a-частицам, осколкам деления ядер, протонам, электронам и мягким g-квантам близка 100%. Для регистрации этих частиц в П.с. предусмотрены "окна" из тонкой слюды или органич. плёнок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма П. с. Для регистрации 4015-207.jpgи 4015-208.jpg с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с фотоэффектом в наполняющем газе. Для4015-209.jpgдо 104015-210.jpg20 кэВ эффективность П. с. 4015-211.jpg 80%, а для больших4015-212.jpgнеобходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение).
При исследовании космических лучей создают большие площади регистрации. Используя большое временное разрешение П. с., удаётся отличить одну частицу от неск. ливневых частиц, проходящих через П. с.
Амплитудный дифференциальный спектр пропорцио-нального счётчика, наполненного Хе, от частоты характеристического излучения Си и источника 241Аm.
Большие флуктуации в образовании d-электронов не позволяют получить хорошее энергетич. разрешение от малых долей энергии, оставленных в П. с. быстрой частицей.
Для регистрации нейтронов П. с. заполняется газами 3Не или 10BF3. Нейтроны захватываются ядрами 3Не и 10В с последующим вылетом из них заряж. частиц с энергией порядка 1 МэВ. Ионизация от этих частиц во много раз превосходит ионизацию от g-квантов, постоянно присутствующих в нейтронных потоках. Т. о., введя амплитудную дискриминацию, удаётся полностью сделать П. с. нечувствительными к g-фону. Для нейтронов с энергией4015-214.jpg
10 кэВ с помощью П. с. можно измерить их энергию по величине смещения пика в амплитудном дифференц. спектре от захвата нейтронов ядром 3Не либо по величине импульсов от ядер отдачи при заполнении счётчика лёгкими газами Н2 или 4Не (см. Нейтронные детекторы).
П. с. используется для измерения малых уд. активностей. От Гейгера счётчика его выгодно отличает способность выделять моноэнергетич. линии от отд. радионуклидов на фоне непрерывно распределённого фона в широком энергетич. интервале от 1 до 103 кэВ.
Как спектрометр П. с. уступает полупроводниковым детекторам, однако надёжность и простота дают возможность применять его, если не требуется высоко-энергетич. разрешение. П. с. позволяет работать в области энергий
0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором П. с. имеет лучшее энергетич. разрешение, меньшие шумы, нечувствителен к магн. полю. П. с. работает в диапазоне темп-р
10-103 К.
П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы антинейтрино), исследовании тонкой структуры4015-215.jpg-спектра, изомерных состояний ядер (см. Изомерия ядерная ),при обнаружении захвата ядром L-электрона (см. Электронный захват ),исследовании слабых конверсионных пиков (см. Конверсия внутренняя)и в др. случаях. Он используется также в астрофизике, археологии, геологии, медицине и т. д. Нек-рое пром. применение основано на зависимости лавинного разряда от напряжённости поля у анода и чистоты наполняющего газа (контроль диаметра и качества поверхности микроприводов, газоанализатор в газовой хромографии и т. д.). С помощью установленного на "Луноходе-1" П. с. по рентг. флюоресценции производился элементный анализ вещества поверхности Луны.
Заключение
В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы, в свою очередь, ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении. Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена), также используют пары этанола. Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом. Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода, на которой оседают положительно заряженные ионы.
В пропорциональном счетчике обычно катодом служит цилиндр, а анодом — тонкая (10—100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (рис.1). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». Пропорциональный счетчик заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.
Схема пропорционального счетчика : а — область дрейфа электронов; б — область газового усиления.
Список использованной литературы
https://studme.org/229257/matematika_himiya_fizik/ionizatsionnaya_kamera
https://yandex.kz/search/?text=%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA%D0%B8%20%D1%80%D0%B5%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82&lr=162&clid=2306704&src=suggest_T
http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3128.html
http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/prop.htm
https://www.bestreferat.ru/referat-270521.html
https://wreferat.baza-referat.ru/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D1%87%D1%91%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA
https://web.archive.org/web/20081011022244/http://www.inst.bnl.gov/programs/gasnobledet/publications/Mathieson's_Book.pdf |
|
|
Скачать 1.39 Mb.