Лекция 13.
Датчики ионизирующего излучения
Под радиационным полем понимается поле ионизирующих факторов, т.е. таких, которые воздействуют на вещество с энергией достаточной для выбивания электрона из атомов.
Факторы:
1.Электро-магнитные излучения на краю спектра – рентгеновские излучения и γ-излучение;
2.α и β-частицы;
3.свободные протоны;
4.потоки нейтронов;
Ионизирующая способность различных видов излучения различна, что определяет и тип применяемого датчика.
1. Полупроводниковые датчики ионизирующего излучения Датчики этого типа основаны на свойстве полупроводников изменять
свою электропроводность под действием ионизирующего изучения, чувствительным элементом является обедненная носителями электрического заряда зона полупроводника. Проходя через эту зону, энергия излучения продуцирует новые носители зарядов. Количество возникающих зарядов
связано с характеристиками радиоактивного излучения.
Конструктивно полупроводниковая структура датчика состоит из двух соединенных полупроводников с различными типами проводимости. В полупроводниках р-типа носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в полупроводниках n-типа – отрицательно заряженные электроны. Зона контакта на границе их соединения называется электроннодырочным переходом или запретной зоной. В обесточенном состоянии (рис.1а) дырки и электроны диффундируют через переход в противоположных направлениях. При этом на границах своей зоны электроны, покидая ее, оставляют положительный заряд, а дырки – отрицательный. Этот слой оставленных зарядов своим электрическим полем перекрывает пути миграции электронов и дырок.
Рис. 1. Распределение носителей заряда: а – без внешнего поля, б – в электрическом поле
Внешнее электрическое поле (рис.1б) концентрирует дырки у отрицательного электрода, а электроны – у положительного. Благодаря этому узкая граница перехода превращается в широкую, свободную от носителей зарядов зону. Ширина этой зоны определяется величиной приложенного «концентрирующего» напряжения, в ней «обитают» только атомы исходных полупроводников и примесей. Сформированная таким образом зона чувствительна к ионизирующему излучению.
При прохождении через чувствительную зону ионизирующего излучения (рис.2) в ее объеме формируются новые электронно-дырочные пары. Они перемещаются к соответствующим электродам, создавая ток во внешней цепи. Величина этого тока пропорциональна энергии
ионизирующего излучения.
Рис. 2. Полупроводниковый датчик ионизирующего излучения
Полупроводниковые датчики изготовляются из различных материалов и используются для определения энергий с большой ионизационной способностью (для гамма- и рентгеновской спектрометрии и как детекторы частиц). Полупроводниковые детекторы имеют ряд преимуществ по сравнению с газоразрядными приборами. Большая плотность полупроводника увеличивает потери энергии детектируемой частицей, что увеличивает диапазон регистрируемых энергий (малая величина энергии, необходимая для образования носителей заряда – порядка 3 эВ). Меньшая энергия ионизации полупроводника улучшает энергетическое разрешение. Высокая подвижность носителей заряда улучшает временно́е разрешение.
2. Датчики радиоактивности с ионизационной камерой Ионизационная камера – это устройство, позволяющее измерить
величину ионизационного тока, возникающего при прохождении потока частиц (фотонов) в высоковольтном межэлектродном пространстве.
Рис.3. Схема ионизационной камеры
Конструктивно ионизационная камера (рис. 3) представляет собой герметичный объем, который заполнен воздухом или инертным газом (гелий, аргон). Внутри камеры расположены два электрода – анод и катод. Форма электродов может быть различной, например, цилиндрической, плоской или коаксиальной. Несмотря на то, что к электродам приложено напряжение, ток во внешней цепи отсутствует. Это объясняется тем, что
межэлектродный воздушный промежуток является хорошим изолятором и в нем отсутствуют носители зарядов.
При появлении ионизирующего излучения обстановка в камере изменяется. Под его воздействием в объеме камеры появляются носители зарядов – противоположно заряженные ионы. В электрическом поле они перемещаются в промежутке анод-катод: отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, а положительно заряженные – в противоположном направлении, к катоду.
Ток, обусловленный движением ионов, пропорционален числу ионов, достигших электродов. Поэтому при работе ионизационной камеры в качестве датчика радиоактивности выбирают такой режим работы, который соответствует полному сбору носителей зарядов. Обеспечение режима полного сбора поясняется рис. 4. При небольших значениях постоянного напряжения (U меньше U1), скорость дрейфа ионов мала и они активно рекомбинируют. Ток в этом случае пропорционален приложенному напряжению.
Рис.4. Зависимость тока в ионизационной камере от приложенного напряжения
Увеличение напряжения (участок U1 – U2) прекращает процесс рекомбинации и все ионы достигают электродов. В этом случае ток уже не зависит от величины приложенного напряжения – наступил режим
насыщения. Такой режим является рабочим режимом ионизационной
камеры – при этих условиях ток пропорционален величине энергии ионизирующего излучения.
Счётчик Ге́йгера, счётчик Ге́йгера-Мю́ллера – газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа.
Ионизационные детекторы применяются в случае, когда необходимо добиться согласования характеристик большого количества детекторов (к примеру, в рентгеновской томографии, где в одном ряду может находиться около 1000 детекторов).
3. Сцинтиляционные детекторы ионизирующего излучения Люминесце́нция (от лат. lumen, род. падеж luminis – свет и –escent –
суффикс, означающий слабое действие) – нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.
Сцинтилляторы – вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (фотокатод фотоэлектронного умножителя – ФЭУ, фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой. Сцинтилляторные датчики в настоящий момент наиболее обширно используются в медицинских устройствах,
Упрощенная схема работы сцинтилляционных детектеров
В современных рентгеновских установках в качестве вторичных преобразователей (свет => электрический сигнал) используются ПЗСматрицы и плоскопанельные детекторы (технология CMOS сенсоров).
Раньше приемники для рентгеноскопии и рентгенографии развивались независимо, но теперь наметилась тенденция к слиянию методов и их приборных реализаций в единый универсальный прибор, однако конструктора сталкиваются со следующими проблемами:
1)по дозам во входной плоскости приемник должен работать от 2 мкР на кадр (рентгеноскопия) до 1 мР на кадр (рентгенография), то есть его динамический диапазон должен быть не менее 500 раз;
2)в целом ряде применений рабочее поле приемника должно быть не менее 400 х 400 мм, при разрешающей способности не хуже 3200 х 3200 пикселей;
3)максимальная временная разрешающая способность в режиме рентгеноскопии должна быть не менее 30 кадров в секунду, а в кардиологических исследованиях – 60 кадров в секунду, то есть приемник должен быть безинерционным;
4)при рентгеноскопии приемник должен работать в импульсном режиме с переменной частотой кадров для снижения лучевых нагрузок
4. Основные характеристики детекторов ионизирующих излучений
Устройство рентгеновской трубки
X- рентгеновские лучи, K - катод, А - анод, С- теплоотвод, Uh - напряжение накала катода, Ua - ускоряющее напряжение, Win - впуск водяного охлаждения, Wout - выпуск водяного охлаждения (на теплоотделение уходит около 99% энергии)
Рентгеновские лучи возникают вследствие двух процессов:
1)ускорение заряженных частиц (в основном электронов) => тормозное излучение
2)высокоэнергетичные переходы в электронных оболочках атомов или молекул => характеристическое излучение
Врентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение)
Вопросы по лекции
1.Полупроводниковые датчики радиоактивности. Преимущества.
2.Датчики радиоактивности с ионизационной камерой. Режим полного сбора. Преимущества.
3.Люминесцентные детекторы ионизирующего излучения.
4.Ионизирующее излучение. Основные характеристики детекторов ионизирующего излучения.
5.Устройство рентгеновской трубки и механизм возникновения рентгеновского излучения (рисунок не обязателен)