§ 11. И онизационные преобразователи. Преобразователи основаны на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения.

Если камеру, содержащую газ, подвергнуть облучению, например, β -лучами, то между электродами, включенными в электрическую цепь, потечет ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего излучения и т. д. Эти зависимости используются для измерения различных неэлектрических величин (плотности и состава газовой среды, геометрических размеров деталей и т. д.)

В качестве ионизирующих агентов применяют α, β и γ - лучи радиоактивных веществ, значительно реже - рентгеновские лучи и нейтронное излучение.

Для измерения степени ионизации используются преобразователи ионизационные камеры и ионизационные счетчики, работающие на различных участках вольт -амперной характеристики газового промежутка между двумя электродами. На рис. показана зависимость тока в камере с постоянным составом газа от приложенного напряжения и интенсивности излучения.

На участке I характеристики ток увеличивается прямо пропорционально напряжению, затем рост его замедляется, и на участке II ток достигает насыщения. Это указывает на то, что все ионы, образующиеся в камере, достигают электродов. На участке III ионизационный ток снова начинает расти, что вызывается вторичной ионизацией при ударениях первичных электронов и ионов о нейтральные молекулы. При дальнейшем увеличении напряжения (участок IV) ионизационный ток перестает зависеть от первоначальной ионизации и наступает непрерывный разряд (участок V), который уже не зависит от воздействия радиоактивного излучения.

Ионизационные камеры работают на участках I и II вольт -амперной характеристики, а ионизационные счетчики - на участках III и IV.

Кроме ионизационных камер и счетчиков, в качестве ионизационных преобразователей применяются сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах (активированные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и др.) под действием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций) которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями. Яркость этих вспышек, а следовательно, и ток фотоумножителя определяются радиоактивным излучением.

Выбор типа ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.

Альфа - лучи (ядра атома гелия) обладают большой ионизирующей способностью, но имеют малую проникающую способность. В твердых телах α - лучи поглощаются в очень тонких слоях (единицы-десятки микрометров). Поэтому при использовании α – лучей излучатель необходимо помещать внутри преобразователя.

Бета - лучи представляют собой поток электронов (позитронов); они обладают значительно меньшей ионизирующей способностью, чем α -лучи, но зато имеют более высокую проникающую способность. Длина пробега β -частиц в твердых телах достигает нескольких миллиметров. Поэтому β -излучатель может располагаться как внутри, так и вне преобразователя.

И зменение расстояния между электродами, площади перекрытия электродов или положения источника радиоактивного излучения относительно ионизационных камер или счетчиков сказывается на значении ионизационного тока. Поэтому указанные зависимости используются для измерения различных механических и геометрических величин. На рис. показано устройство ионизационного мембранного манометра, где 1 - излучатель; 2 - мембрана; 3 - неподвижный электрод, изолированный от мембраны. Между электродами 2 и 3 приложена разность потенциалов, достаточная для достижения тока насыщения. При изменении давления Р мембрана прогибается, изменяя расстояние между электродами и значение ионизационного тока.

Проходя сквозь вещество, β -частицы взаимодействуют с электронами и ядрами вещества и поглощаются им. Часть β - частиц в результате взаимодействия отражается.

Поглощение β -частиц в функции толщины слоя вещества характеризуется следующим выражением: N = N₀e^-μd

где N - число β -частиц, прошедших слой вещества толщиной d, N₀ - число β -частиц при отсутствии поглощающего вещества, μ -коэффициент ослабления.

Гамма - лучи представляют собой электромагнитные колебаниям весьма малой длины волны (10^-10 – 10^-13 м), возникающие при радиоактивных превращениях. Гамма - лучи обладают большой проникающей способностью. Проходя сквозь вещество, γ -лучи ослабляются в соответствии с уравнением: J = J₀e^-μd

где J - интенсивность лучей, прошедших через тело; J₀ - интенсивность поступающих в тело лучей, d - толщина тела; μ - коэффициент ослабления.

Указанные зависимости дают возможность измерять толщину изделий, плотности жидкостей и газов и т. д.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения.

Для регистрации отдельных частиц, а также измерения небольших γ -излучений широко применяются газоразрядные счетчики.

На рис приведено устройство газоразрядного счетчика. Газоразрядный счетчик состоит из металлического цилиндра 1, внутри которого натянута тонкая вольфрамовая проволока 2. Оба эти электрода помещены в стеклянный цилиндр. Пространство между электродами

з аполняется газом при пониженном давлении. Газоразрядные счетчики, работающие на начальной части участка III вольт -амперной характеристики называются пропорциональными счетчиками. Счетчики, работающие на участке IV, называются счетчиками Гейгера - Мюллера. В пропорциональных счетчиках импульсы тока пропорциональны энергии частиц, в счетчиках Гейгера - Мюллера они не зависят от энергии частиц.

В качестве источников α-, β- и γ- излучений обычно используются радиоактивные изотопы. Источники излучения, применяемые в измерительной технике, должны иметь значительный период полураспада, достаточную энергию излучения (кобальт-60,стронций-90, плутоний-239 и др.).

Достоинством приборов, использующих ионизирующие излучения, является в возможность бесконтактных измерений. Это обстоятельство имеет очень большое значение в ряде случаев, как, например, при измерениях в агрессивных или взрывоопасных средах, а, также в средах, находящихся под большим давлением или имеющих высокую температуру.

Недостаток этих приборов - необходимость применения биологической защиты при достаточной активности источника излучения.