1.2. Основы теории работы газонаполненного ионизационного детектора

Предположим, что происходит изменение разности потенциалов, приложенных к электродам детектора на рис. 2.2. Это вызовет соответствующее изменение тока, протекающего в цепи, которое называется вольтамперной характеристикой и иллюстрируется на рис. 2.3. Рассмотрим ее подробнее.

1.2.1. Область рекомбинации

При выключении разности потенциалов между электродами детектора ток в цепи пропадает, так как ионы, образующиеся в газе под действием радиации, не ускоряются по направлению к электродам. Если теперь начать постепенно повышать разность потенциалов при неизменном поле излучения, то в цепи появляется ток, величина которого также постепенно возрастает. Причина здесь заключается в том, что при отсутствии потенциала создаваемые в газе ионы рекомбинируют между собой, образуя нейтральные молекулы. Появление в газе электрического поля препятствует этому процессу, направляя ионы к своим электродам. Чем выше напряженность поля, тем меньшая доля ионов успевает рекомбинировать за время перемещения до электродов. Отметим, что, как правило, детекторы не работают в этой области.

Рис. 2.3. Вольтамперная характеристика газового ионизационного детектора

1.2.2.Область ионизационного насыщения

Выше некоторого порогового потенциала, величина которого зависит от газа и геометрии детектора, сила электрического поля вполне достаточна для полного сбора ионов, создаваемых в газе излучением. Дальнейшее повышение разности потенциалов приводит только к увеличению энергии собираемых ионов, но не их количества. Показания электрометра в данном районе, именуемом областью ионизационного насыщения, остаются практически постоянными и независимыми от приложенного напряжения. Детекторы, работающие в этой области, называются ионизационными камерами. В ядерной медицине они применяются чаще всего для мониторинга поля излучения и дозовой калибровки. Конструкция таких камер далеко не тривиальна. Для уменьшения возмущающих эффектов, связанных с токами утечки и вкладом ионизации, происходящей за пределами измерительного объема, приходится преодолевать не простые проблемы [1].

1.2.3. Область пропорциональности

Если разность потенциалов между электродами продолжает увеличиваться, то вольтамперная характеристика переходит в область пропорционального режима. В данной области при увеличении разности потенциалов ток также увеличивается. Этот эффект называется газовым усилением обусловлен тем, что в сильном электрическом поле образовавшиеся в газе электроны набирают при ускорении к аноду достаточно энергии, чтобы произвести вторичную ионизацию молекул газа. Вторичные электроны сами в свою очередь ускоряются и производят следующее поколение пар ионов, что, в конечном счете, усиливает собираемый на аноде детектора заряд в тысячи раз.

Для сохранения прямой пропорциональности выходного сигнала величине начальной ионизации коэффициент газового усиления должен быть независимым от начальной ионизации. Это условие выполняется, если пространственный заряд положительных ионов не очень велик, а первичные электроны проходят одинаковые пути в части детектора, где имеет место газовое усиление. Если при первичной ионизации образуется одна пара ионов, то коэффициент газового усиления может достигать 10⁶, прежде чем пространственный заряд начнет нарушать пропорциональность.

В хорошо сконструированных детекторах наблюдается линейная зависимость между зарядом, первоначально создаваемым в газе частицей ионизирующего излучения, и зарядом, собираемым на аноде детектора. Собирающим электродом (анодом) всегда служит одна или несколько тонких металлических нитей диаметром порядка 0,025 мм. Связано это с особенностями зависимости напряженности электрического поля в цилиндрической геометрии от расстояния, r, до геометрической оси детектора, где располагается обычно анодная нить. Эта зависимость для цилиндрического детектора с радиусом собирающего электрода (анода) r₁ и радиусом катода r₂ определяется формулой:

(2.1)

где U – разность потенциалов между электродами

Из выражения (2.1) видно, что напряженность электрического поля достаточно велика только в непосредственной близости к центральному электроду, поэтому вся вторичная ионизация происходит вблизи нити. Таким образом, каждая элементарная частица, производящая ионизацию в газовой полости пропорционального детектора, создает импульс тока в электрической цепи детектора, причем общий собранный от этого импульса заряд оказывается многократно усиленным первоначальным зарядом. Степень усиления зависит от приложенной разности потенциалов. Этот класс детекторов называется пропорциональными счетчиками.

Обычно воздух не используется в качестве газа в таких детекторах, так как кислород, как и некоторые другие электроотрицательные газы, имеет склонность к прикреплению свободных электронов. Это приводит к образованию медленно движущихся отрицательных ионов , которые не производят вторичную ионизацию. Для наполнения пропорциональных счетчиков, как правило, применяются благородные газы.

Традиционно пропорциональные счетчики редко применяются в клинической ядерной медицине, чаще их используют в исследовательских работах для детектирования бета- и альфа-частиц. Однако в связи с повышением интереса к радиофармпрепаратам, испускающим альфа-частицы, следует ожидать в ближайшем будущем и более широкого клинического применения таких детекторов.