9 Ионизационный метод регистрации излучения

9.1Принципы регистрации излучения

9.2Физические основы газовой проводимости

9.3Вольт–амперная характеристика газового разряда

9.4Ионизационные камеры. Принципы работы и общие характеристики

9.5Пропорциональный счетчик

9.6Счетчик Гейгера–Мюллера

9.1Принципы регистрации излучения

Излучение, взаимодействуя с веществом, ионизирует атомы (молекулы). Заряженные частицы ионизируют атомы (молекулы) в столкновениях с электронами, незаряженные частицы (γ-квант, нейтроны и др.) образуют ионы за счет вторичных эффектов. В столкновениях незаряженных частиц с электронами и ядрами возникают заряженные частицы, которые ионизируют атомы (молекулы). Так, при взаимодействии γ-квантов с веществом ионизацию производят электроны и позитроны, появляющиеся в процессах фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар.

Вдоль траектории заряженной частицы в веществе происходит первичная ионизация атомов (молекул), в результате которой образуются ионные пары. В каждую пару входят электрон и положительный ион атома (молекулы). Электроны относят к легким отрицательным ионам, положительные ионы атома (молекулы) – к тяжелым положительным ионам.

Наряду с ионизацией излучение возбуждает атомы (молекулы). В ионизованных и возбужденных атомах происходят переходы электронов между оболочками атома, сопровождающиеся испусканием фотонов. В свою очередь взаимодействия фотонов с веществом приводят к выделению тепла. Итак, взаимодействие излучения с веществом сопровождается несколькими эффектами:

образованием ионов;

испусканием фотонов;

выделением тепла.

Эти эффекты и используются при регистрации излучения, под которым понимается обнаружение и определение типа частиц,

105

измерение потоков, интенсивности и спектра излучения.
Методы	регистрации	излучения	подразделяются	на

ионизационный, сцинтилляционный, калориметрический и др. В каждом методе используется один из эффектов взаимодействия излучения с веществом. Например, в ионизационном методе измеряют заряд ионов, в калориметрическом – выделенное тепло, сцинтилляционный метод основан на регистрации вспышек света.

Регистрирующий прибор состоит из чувствительного элемента – детектора (датчика) и измерительной аппаратуры.

В детектор входит вещество, с которым взаимодействуют частицы, и преобразователь эффектов взаимодействия в величины (электрические импульс, ток и. т. д.), регистрируемые измерительной аппаратурой. Обе части детектора могут быть объединены в одно целое или разделены между собой.

Переходим к изложению ионизационного метода регистрации излучения, который широко распространен в экспериментальной физике, дозиметрии и других отраслях науки и техники.

Большинство измерительных приборов (детекторов) наполняют газами, в объеме которых и происходит образование ионов. Такие детекторы называют газонаполненными (газовыми). Конструкция газонаполненных детекторов очень проста. Они представляют собой наполненные газами баллоны с двумя вмонтированными электродами. Для собирания ионов из газа на электроды газонаполненных детекторов подается электрическое напряжение.

Использование вместо газов жидкостей и металлов затрудняет регистрацию излучения. Ионы, образованные излучением в металле, зарегистрировать невозможно, так как в металле много свободных электронов. Поэтому прохождение тока через металл обусловливается в основном не ионными парами, а свободными электронами. Для собирания ионов из жидкостей необходимо подводить к электродам огромные напряжения.

Недостатки металлов и жидкостей устранены в некоторых полупроводниках. Полупроводники с определенным составом, как и газ, не проводят электричества, пока на них не действует излучение. На этом свойстве и основано применение полупроводников в качестве детекторов. Атомы (молекулы) газов могут захватить свободные электроны во время столкновения, в результате чего образуются отрицательные ионы. Возникновение отрицательных

ионов	атомов	(молекул)	характеризуется коэффициентом
			106

прилипания ξ. Он показывает вероятность образования тяжелого отрицательного иона при столкновении электрона с нейтральным атомом (молекулой).

Коэффициент ξ зависит от строения внешней электронной оболочки атома. Наименьшие значения коэффициента ξ имеют инертные газы (гелий, аргон, криптон и др.). У атомов этих газов заполненная внешняя электронная оболочка. Иначе ведут себя атомы (молекулы) газов с незаполненной внешней электронной оболочкой (хлор, бром, пары воды, кислород и др.). Они стремятся захватить свободные электроны и заполнить свою внешнюю электронную оболочку.

В зависимости от значения ξ газы подразделяют на электроположительные и электроотрицательные. У электроположительных газов (аргон, гелий и др.) коэффициент ξ~0. Образование тяжелых отрицательных ионов в инертных газах– довольно редкое явление. Поэтому отрицательными ионами в таких газах являются в основном электроны.

У электроотрицательных газов (хлор, бром, пары воды и др.) коэффициент ξ заметно отличается от нуля. В этих газах при наличии свободных электронов с большой вероятностью возникают отрицательные ионы. Следовательно, отрицательные ионы в электроотрицательных газах состоят из электронов и тяжелых отрицательных ионов.

Рассмотрим принципы регистрации излучения на основе работы плоской ионизационной камеры, включенной в электрическую цепь (рисунок 9.1).

1

2

3

4

Рисунок 9.1 – Схема включения плоской ионизационной камеры 1 – поток частиц; 2 – ионизационная камера; 3 – измеритель тока;

107