5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ n- И y-ИЗЛУЧЕНИЯ

Взаимодействие y-излучения с веществом сводится в основном к фотоэффекту, комптоновскому эффекту и образованию пар; в результате всех этих процессов появляются вторичные электроны, обладающие достаточно большой скоростью и, следовательно, ионизирующей способностью. Во всех случаях на пути y-луча образуются электроны, и задача сводится лишь к обеспечению достаточной плотности их образования.

Для детектирования нейтронов также используются различные процессы, происходящие при взаимодействии нейтронов с веществом:

упругое рассеяние, расщепление с вылетом заряженных частиц, деление ядер.

Ионизационные методы определения различных параметров n-, рентгеновского и y-излучения. Для детектирования различных

ядерных излучений используется очень часто их способность ионизировать газы. Задача измерения, следовательно, сводится к наблюдению ионизационных эффектов. Одним из наиболее часто встречающихся приборов, применяемых для измерения мощности дозы, и интенсивности излучения являются ионизационные камеры. Принцип работы ионизационной камеры поясняется с помощью рис. IV. 19.

Заряженная частица, попадая в объем камеры, производит ионизацию газа, заполняющего пространство. Подавая на электроды камеры напряжение, можно фиксировать число созданных частицей ионов и электронов по величине импульса тока, протекающего через измерительный прибор. Из рис.

IV.20 видны несколько различных участков, используемых в различных регистрирующих приборах.

Рис. IV. 19. Принцип действия ионизационной камеры

Рис. IV.20. Зависимость амплитуды сигнала от величины напряжения питания

Участок I. Поле слабое (небольшая разность потенциалов). Ионы притягиваются недостаточно, так что многие из них успевают рекомбинировать, прежде чем достигнут электродов. Вероятность такой рекомбинации уменьшается по мере увеличения разности потенциалов.

Участок II. Начиная с некоторой разности потенциалов ионы уже не рекомбинируют, и ток между электродами соответствует области работы ионизационной камеры. Собранный заряд равен заряду всех пар ионов, образованных в газе ионизирующей частицей.

Участок III. При дальнейшем увеличении разности потенциалов первичные электроны, будучи очень легкими частицами, приобретают скорость, достаточную для ионизации соударением нейтральных атомов газа, — происходит вторичная ионизация. Вторичные электроны могут также вызвать ионизацию и т. д. В итоге пара ионов может вызвать лавинный процесс, который все же прерывается при удалении ионизирующего агента. Это полусамостоятельная

стадия разряда, при котором ток между электродами значительно превышает ток, создаваемый первичными ионами. Вначале на участке III число собранных зарядов пропорционально числу первичных ионов. Это так называемая пропорциональная область. Коэффициент усиления здесь экспоненциально растет с напряжением и может достигать значения 104 и даже 106.

Участок IV. При дальнейшем увеличении приложенного напряжения образуется область ограниченной пропорциональности, в которой коэффициент усиления уже не подчиняется экспоненциальному закону. Явление осложняется возникновением пространственных положительных зарядов и ионизацией, создаваемой, положительными зарядами; последние приобретают энергию, достаточную для выбивания из катода вторичных электронов, которые сами становятся источниками лавин.

Рис. IV.21. Эквивалентная схема ионизационной камеры

Участок V. Начиная с напряжения порядка 1000 в, образуется область Гейгера—Мюллера. В этой области лавинный процесс, который локализовался в небольшом объеме вблизи какой-нибудь точки положительного электрода, распространяется на всю его поверхность. Кривые, соответствующие частицам с различной удельной ионизацией, накладываются друг на друга, и число собранных зарядов становится независимым от начальной плотности ионизации. Теперь уже коэффициент усиления не имеет определенного значения и, какова бы ни была природа первичной частицы, измеренный ток имеет одну и ту же величину.

Ионизационная камера обычно работает на II участке рассмотренной зависимости в двух режимах: токовая камера и импульсная камера. Токовые и импульсные камеры, не отличаясь по принципу действия, отличаются только конструктивными и электрическими параметрами (емкостью камеры или точнее постоянными времени (рис. IV.21). Токовая камера обычно применяется для измерения интегральных характеристик излучения, тогда как импульсная ионизационная камера позволяет изучить состав излучения (если он неоднороден), энергетический спектр и интенсивность источника. Существуют многочисленные разновидности ионизационных камер, отличающиеся в основном конструктивными особенностями. Наперстковыми камерами называются маленькие стеночные камеры, ионизационный объем которых окружен твердой стенкой. Ионизационный объем играет роль газовой полости, а стенки — окружающей полость твердой среды. Обычно стенка является одним из электродов камеры. Камеры, у которых стенка и газ имеют одинаковый атомный состав, называют гомогенными.

В соответствии с формулой Брэгга-Грея

где - среднее значение отношения тормозных способностей твердого тела и газа;

— число пар ионов, образующихся в единицу времени в единице объема полости;

— средняя работа ионизации в воздухе;

— потери на ионизацию.

Наперстковые камеры позволяют по измеренному ионизационному току определять поглощенную дозу в материале стенки и при определенных условиях — экспозиционную дозу в рентгенах. Чувствительность камеры по мощности дозы

где и — соответствующие коэффициенты передачи энергии, рассчитанные на один электрон; а — постоянный коэффициент, учитывающий размерность величин; — ток насыщения камеры;

V — объем камеры;

— мощность дозы в воздухе.

Камеру можно использовать для измерения мощности дозы только в том случае, если ее чувствительность по мощности дозы можно считать не зависящей от энергии -квантов измеряемого излучения. Зависимость чувствительности от энергии у-квантов называют ходом с жесткостью.

Камеры, предназначенные для абсолютного определения дозы в рентгенах непосредственным измерением величин, определяющих единицы рентген, называются нормальными. Нормальные камеры могут быть цилиндрической и плоской формы.

Зависимость между измеряемым током насыщения в нормальной камере и мощностью дозы в точке определяется формулой

где — ток в а;

V — объем в

— мощность дозы на оси камеры в рентген/сек. Общепринятой классификации нейтронов по энергиям не существует. Удобно различать следующие группы нейтронов в зависимости от их энергий: тепловые нейтроны (Е я» медленные нейтроны нейтроны промежуточных энергий быстрые нейтроны очень быстрые нейтроны сверхбыстрые нейтроны с энергией до Основной практический интерес представляют нейтроны с энергией до

Ионизационные камеры как импульсные, так и токовые широко используются в качестве детекторов нейтронов. Нейтроны, не

обладая электрическим зарядом, не могут непосредственно ионизировать газ в рабочем объеме камеры. Поэтому процесс регистрации нейтронов складывается из двух последовательных стадий: сначала нейтрон должен образовать в детекторе заряженную частицу, способную вызвать заметный ионизационный эффект, и лишь затем этот эффект преобразуется детектором в электрический ток. В связи с этим способы регистрации нейтронов, обладающих различными кинетическими энергиями и вызывающих разные эффекты в рабочем веществе детектора, как правило, существенно различны, и, хотя ионизационные камеры, предназначенные для детектирования нейтронов, работают, в конечном счете, в соответствии с изложенными выше принципами, они должны обладать некоторыми специфическими особенностями. Необходимо ввести величину, учитывающую эффективность регистрации нейтрона , причем под последней понимают вероятность того, что нейтрон, попавший в детектор, будет зарегистрирован.

Вторая существенная особенность детекторов, предназначенных для регистрации нейтронов, связана с тем, что сила тока или величина импульса характеризует свойства не самих нейтронов, а лишь количество образованных этими нейтронами вторичных заряженных частиц. Хотя эти свойства могут быть связаны со свойствами регистрируемых нейтронов, исследование нейтронных излучений чрезвычайно осложняется.

Для регистрации быстрых нейтронов с энергией в диапазоне от сотен до используют обычно явление упругого рассеяния на ядрах. В этом случае

где — число зарегистрированных нейтронов; — число нейтронов, падающих на детектор;

— число ядер в единице объема;

— энергия нейтрона;

— сечение упругого рассеяния нейтронов на ядрах материала детектора.

Максимум кинетической энергии ядер отдачи соответствует протонам.

Для регистрации нейтронов в присутствии у-излучения используется так называемая компенсированная камера. Она состоит как бы из двух, включенных навстречу друг другу камер. Одна из них измеряет поток нейтронов и у-излучения, а другая — только поток -излучения. В результате такая камера измеряет разность т. е. только поток нейтронов.

На рис. IV.22 показаны различные конструкции применяемых ионизационных камер.

В зависимости от назначения пропорциональные счетчики подразделяют на две категории:

а) для точного определения энергии частиц по вызываемому ими импульсу;

б) для детектирования определенных частиц в присутствии другого излучения.

В аппаратуре для измерения различного рода излучений пропорциональные счетчики обычно применяются для спектрометрии мягкого -излучения, а также для регистрации медленных нейтронов.

В зависимости от состава и давления газа, а также конструкции счетчика максимальная энергия регистрируемых -квантов расположена в районе от 10 до 100 кэв.

Рис. IV.22. Разновидности ионизационных камер (по конструктивному выполнению): а — разрез нормальной цилиндрической камеры: 1 — стенка камеры; 2 — полость, заполненная газом; 3 — изолятор; 4 — экран; 5 — основной электрод; 6 — защитные электроды; б — разрез типовой наперстковой ионизационной камеры: 1 — полость, заполненная газом; 2 — изолятор; 3 — вывод к электрометру; 4 — собирающий электрод; 5 — стенка камеры

Счетчики Гейгера—Мюллера работают на участке V кривой (рис. IV.20). Основное отличие счетчиков Гейгера—Мюллера от ионизационных камер и пропорциональных счетчиков — независимость величины импульса тока от начального числа носителей заряда, образованных ионизирующей частицей в чувствительном объеме счетчика. Поэтому счетчики Гейгера—Мюллера определяют лишь плотность потока излучения, не давая информации о его интенсивности и энергии отдельных частиц. Величина импульса зависит от параметров счетчика и приложенного напряжения. В настоящее время в аппаратуре для измерения ионизирующих излучений применяют лишь самогасящиеся счетчики Гейгера—Мюллера.

Эффективность счетчика определяется отношением выдаваемых им импульсов в единицу времени к числу ионизирующих частиц или фотонов, проходящих через счетчик. Для регистрации -излучения обычно используют цилиндрические стеклянные и металлические

ческие счетчики При удачном выбсфе состава газа и давления можно получить эффективность 10% для широкой области рентгеновского спектра, а для отдельных участков его до 50%.

Сцинтилляционные методы детектирования рентгеновского и y-излучения. Принципиальная схема сцинтилляционного дозиметра ионизации показана на рис. IV.23.

Излучение, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора, образует в нем электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света. Свет через светопровод 2 направляется на фотокатод 3. Из фотокатода выбиваются фотоэлектроны, и усиленный электрический ток попадает на анод 5. Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе, соответствует импульс тока в анодной цепи ФЭУ, следовательно, измерению может подлежать как средняя величина тока, так и число импульсов в единицу времени.

Рис. IV.23. Принципиальная схема сцинтилляционного дозиметра ионизации: 1 — сцинтиллятор; 2 — светопровод; 3 — фотокатод; 4 — диноды; 5 — анод — делитель напряжения

В соответствии с этим различают токовый и счетчиковый режимы сцинтилляционного дозиметра. Как и в ионизационном дозиметре, ток в сцинтилляционном дозиметре определяет поглощенную энергию излучения, а скорость счета—плотность потока -квантов.

Полупроводниковые электронно-дырочные детекторы. При взаимодействии частиц с веществом полупроводникового детектора вдоль трека частицы образуются пары электрон—дырка. На границе двух материалов с разными типами проводимости благодаря диффузии носителей заряда из одной области в другую образуются два слоя противоположных по знаку зарядов, величина которых определяется концентрацией носителей.

Основными характеристиками полупроводниковых детекторов являются: ширина обедненной области, от величины которой зависит чувствительный объем и время собирания носителей; емкость обедненной области и удельное сопротивление материала n—p-перехода, влияющие на величину импульса, а также временные характеристики детектора и ток утечки, определяющий уровень помех.

В заключение приведем табл. IV.3, в которой сравниваются различные виды детекторов по объему получаемой от них информации.

Таблица IV.8 (см. скан) Сравнение детекторов по объему получаемой информации