Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры

1.Цель работы

Научиться снимать вольт-амперную характеристику ионизационной камеры, выбрать рабочее напряжение на камере для заданного диапазона мощностей доз гамма-излучения и определять чувствительность камеры к гамма-излучению.

2. Введение

а) Устройство ионизационных камер

Ионизационные камеры используются в качестве детекторов ионизирующих излучений при измерении плотностей потоков заряженных частиц, мощностей доз и доз гамма-излучения.

Конструктивные особенности камер определяются, в основном, их назначением и свойствами регистрируемых ими ионизирующих излучений.

Так, ионизационные камеры, предназначенные для регистрации гамма-излучения, отличаются толстыми стенками (обычно из пластмассы или алюминия). В толще материала этих стенок под воздействием гамма-излучения образуются вторичные электроны, которые проникают в рабочий объем камеры и производят в нем ионизацию газа.

Ионизационные камеры, регистрирующие альфа или бета- излучение, имеют впускное окно, которое может быть закрыто тонкой алюминиевой фольгой для защиты рабочего объема от влаги и пыли.

В конструкции камер для регистрации тепловых нейтронов характерно наличие борного покрытия на внутренних сторонах стенок камеры.

Размеры и формы ионизационных камер весьма разнообразны и также зависят от их назначения.

Так, например, камеры для измерения дозы гамма-излучения (КИД-6, ДКП-50) имеют объем в несколько кубических сантиметров. В то же время камера типа АГ для измерения мощности дозы гамма-излучения имеет рабочий объем в 5000 кубических сантиметров.

Типовая конструкция ионизационной камеры, предназначенной для измерения мощности дозы гамма-излучения, приведена на рис. 1.

Камера состоит из двух цилиндрических электродов (1, 2), разделенных изолятором с охранным кольцом (5). Внешний электрод (1) камеры соединен обычно с положительным потенциалом источника питания. Это высоковольтный электрод.

На центральный электрод (2), называемый собирающим, через нагрузочное сопротивление (3) подается отрицательный потенциал.

Высоковольтный электрод окружается электростатическим экраном (7) из листового алюминия или металлической сетки. Экран устраняет влияние внешних электрических полей и защищает оператора от поражения высоким напряжением.

Обычно высоковольтный электрод изолируется от корпуса (6) прибора и электростатического экрана с помощью изолятора (4) из механически прочного изоляционного материала (текстолит, гетинакс и т.п.).

Собирающий электрод изолируется от охранного кольца высококачественным изолятором (8), изготовленным из янтаря, плавленого кварца, фторпласта, тефлона и т.п. диэлектриков с высоким удельным сопротивлением. Охранное кольцо соединяется с корпусом прибора.

Такая конструкция изолятора исключает возможность попадания тока утечки от высоковольтного электрода в цепь центрального электрода, подключенного к измерительному прибору или усилителю.

б) Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры

Вольт-амперной характеристикой ионизационной камеры называется зависимость ионизационного тока камеры от напряжения на ее электродах при постоянном уровне радиации, воздействующую на камеру.

Семейство вольт-амперных характеристик, соответствующих различным уровням мощностей доз гамма-излучения, приведено на рис. 2.

Вольт-амперную характеристику делят на 4 характерных участка.

При небольших напряжениях на электродах камеры (область I) большая часть ионов, возникающих в рабочем объеме, рекомбинирует и в создании ионизационного тока не участвует.

Количество ионов, разряжающихся на электродах, мало по сравнению с числом ионов, образовавшихся под действием излучения. Ток камеры на этом участке возрастает линейно. Эта область характеристики называется областью закона Ома.

По мере увеличения напряжения от U₁ до U₂ возрастает скорость ионов и уменьшается вероятность рекомбинации. Ток камеры продолжает расти, но медленнее, чем в области закона Ома, так как концентрация свободных ионов уменьшается и почти каждый ион участвует в образовании ионизационного тока. Эта область характеристики называется областью рекомбинации (область II).

Горизонтальный участок вольт-амперной характеристики (область III) соответствует режиму насыщения, при котором практически все ионы, возникающие в рабочем объеме, достигают электродов камеры.

Ток, протекающий через камеру, при напряжении на ее электродах от U₂ до U₃, называется током насыщения, а напряжение U₂ – напряжением насыщения.

Значение U₂ увеличивается с ростом мощности дозы гамма-излучения. Это объясняется тем, что при большей мощности дозы увеличивается концентрация ионов, а значит и вероятность их рекомбинации становится выше. Поэтому для достижения режима насыщения требуется более высокое напряжение.

Рабочее напряжение на камере выбирается несколько больше значения U₂, соответствующего максимальной мощности дозы гамма-излучения.

При напряжении на камере, равном U₃, напряженность электрического поля становится столь высокой, что электроны, образованные под действием ионизирующего излучения, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул рабочего газа.

Образуются дополнительные носители заряда, и ток камеры начинает резко возрастать. Это область ударной ионизации.

Значение напряжения U₃ зависит от конструкции камеры и типа газа-наполнителя и не зависит от мощности дозы гамма-излучения.

Рабочей областью ионизационной камеры является область насыщения.

Величина ионизационного тока камеры в режиме насыщения, т.е. тока насыщения I_н, имеет простую зависимость от мощности дозы гамма-излучения:

где N – количество пар ионов, возникающих в 1 см³ объема камеры в 1 с при облучении мощностью дозы Р, Р/ч;

V – объем камеры, см³;

q_e – заряд электрона,

Если камера изготовлена из воздухоэквивалентного материала и при ее облучении соблюдаются условия электронного равновесия, то для мощности дозы Р (Р/ч) значение N можно подсчитать:

И тогда ток насыщения

где I – ток насыщения, А;

Р – мощность дозы, Р/ч

V – объем камеры, см³.

3. Материальное обеспечение работы

В работе исследуется ионизационная камера типа АГ с рабочим объемом 5000 см³.

Блок-схема лабораторной установки для снятия характеристик камеры АГ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема установки для снятия вольт-амперной характеристики ионизационной камеры

1 – ионизационная камера;

2 – предусилитель прибора «Кактус»;

3 – измерительный блок прибора «Кактус»;

4 – тележка с защитным устройством и радиоактивным источником;

5 – линейка для отсчета расстояний от источника;

6 – вольтметр для измерения напряжения на камере;

7 – потенциометр для измерения напряжения на камере.

Для усиления и измерения ионизационного тока камеры в данной работе используется лабораторный измеритель мощности дозы типа «Кактус», лицевая панель которого приведена на рис. 4.

Шкала микроамперметра прибора отградуирована в мР/ч.

Чтобы получить значение ионизационного тока в амперах, необходимо показание микроамперметра умножить на величину А на мР/ч.

Следует помнить, что при работе на втором поддиапазоне цена делений шкалы микроамперметра увеличивается в 10 раз.

Измерение напряжения на ионизационной камере производится потенциометром «Напряж.».

Облучение ионизационной камеры осуществляется гамма-квантами источника кобальт-60 активностью до 10 мКu.

Радионуклид кобальт-60 испускает при каждом акте распада два каскадных гамма-кванта средней энергией 1,25 МэВ с периодом полураспада Т_1/2 = 5,2 года.

Источник помещается в контейнер с откидной крышкой, который установлен на подвижной тележке. Перемещая тележку с источником по направляющей линейке, можно изменять мощность экспозиционной дозы гамма-излучения в месте расположения камеры АГ.

При отсутствии в лаборатории гамма-излучателей достаточной активности, может использоваться два бета-излучателя ⁹⁰Sr – ⁹⁰Y от комплекта ПКР – 1, которые создают в ионизационной камере токи насыщения различной величины.

4. Содержание и последовательность выполнения работы

1. Произвести включение и подготовку к работе лабораторного измерителя мощности дозы «Кактус».

Рекомендуется следующая последовательность включения прибора:

а) проверить исходное положение прибора, при котором:

- переключатель «Сеть» находится в положении «Выключено»;

- переключатель поддиапазонов – в положении «ХI»;

- переключатель «Установка нуля-работа» переведен в положение «Установка нуля»;

- ручка потенциометра установки напряжения на камере в левом крайнем положении;

б) включить кабель питания прибора в сеть переменного тока 220 В, переключатель «Сеть» перевести в положение «Включено»;

в) прогреть прибор в течение 2-3 минут, ручкой «Установка нуля» установить стрелку микроамперметра на нуль шкалы и оставить прибор включенным для прогрева.

2. Снять «вольт-амперные» характеристики ионизационной камеры АГ для двух значений мощностей доз гамма-излучения 20 и 5 мР/ч, результаты измерений ионизационного тока записать в табл. 1.

Таблица 1 Результаты измерений ионизационного тока камеры АГ

Мощность дозы	UИК, В	2	3	5	10	15	20	25	30	40	50	60	70
Рγ1=20 мР/ч	IИК, А
Рγ1=5 мР/ч	IИК, А

Измерения ионизационного тока камеры производить в следующей последовательности:

- переключатель поддиапазонов перевести в положение «ХI»;

- потенциометром «Установка нуля» установить стрелку микроамперметра на нуль;

- подать на камеру напряжение 2 В;

- передвинуть тележку с радиоактивным источником на расстоянии R от оси ионизационной камеры, при котором обеспечивается мощностью дозы Р_γ1=20 мР/ч;

- переключатель «Контроль нуля-работа» перевести в положение «Работа» и после успокоения стрелки микроамперметра произвести отсчет величины ионизационного тока, 3-5 раз через 10 секунд и вычислить среднее значение;

- увеличивая последовательно напряжение на камере согласно табл. 1., произвести измерение соответствующих величин силы тока.

Примечание.

Изменение напряжения сети переменного тока может приводить к «уходу нуля» прибора «Кактус» и появлению ошибок в измерении. Поэтому в случае резкого изменения показаний в процессе измерения необходимо проверить установку нуля прибора и повторить измерение.

Проверку установки нуля следует производить и при переключении прибора на второй поддиапазон.

- передвинуть тележку с источником в положение, при котором обеспечивается мощность дозы Р_γ1=5 мР/ч, и произвести измерения ионизационного тока при напряжениях на камере согласно табл. 1.

3. По данным таблицы 1 построить семейство вольт-амперных характеристик ионизационной камеры АГ.

Определить по графикам напряжение насыщения (рабочее напряжение) для диапазона мощностей доз гамма-излучения Р_γ1 = 5÷20 мР/ч.