Ионизационные камеры
Ионизационная камера (ИК) - газовый детектор ионизирующего излучения, работающий в области II вольтамперной характеристики, действие которого основано на измерении заряда носителей, созданных детектируемым излучением.
Различают два режима работы ионизационной камеры - токовый и импульсный:
В токовом режиме измеряется суммарный заряд (или ток) носителей заряда, образованных в единицу времени в ИК. Этот режим используется при измерениях в мощных полях ионизирующих излучений.
В импульсном режиме измеряют заряд носителей, созданных одной ионизирующей частицей.
Токовый режим работы ионизационной камеры (ик).
При постоянной интенсивности ионизации в объеме ИК ток через нее определяется соотношением:
, (1.1)
где: e - заряд электрона;
n - число пар ионов, образующихся в единице объема ИК в единицу времени;
V - объем ИК.
Рассмотрим основные факторы, влияющие на ток ИК.
Диффузия зарядов. Даже при постоянной плотности ионизации, вследствие движения зарядов в электрическом поле ИК, в ней возникает градиент плотности положительных и отрицательных зарядов, перемещающихся к соответствующим электродам. По мере приближения к положительному электроду растет плотность отрицательных зарядов, у отрицательного электрода выше плотность положительных зарядов. Градиент плотности зарядов вызывает их диффузию из области высокой плотности в область низкой. Направление диффузии противоположно направлению движения зарядов в электрическом поле и приводит к уменьшению тока по сравнению с оценкой (1.1).
Рекомбинация зарядов. При столкновениях противоположно заряженных ионов возникают нейтральные атомы. Это явление называют рекомбинацией. Число рекомбинаций в единицу времени можно выразить соотношением
(1.2)
где a - коэффициент рекомбинации;
n+ - плотность положительных зарядов;
n - плотность отрицательных зарядов.
Коэффициент рекомбинации положительных и отрицательных ионов равен 106 , положительных ионов и электронов - 1010. Рекомбинация зарядов уменьшает значение среднего тока по сравнению с оценкой (1.1).
Прилипание электронов к нейтральным атомам и последующее образование тяжелых и малоподвижных отрицательных ионов (например, ионов кислорода) приводит к интенсификации процессов рекомбинации зарядов (сравни коэффициенты рекомбинации). Именно это явление определяет предпочтительный выбор благородных газов (например, аргона), в которых отрицательные ионы не образуются, для наполнения газовых детекторов.
Ток, вызванный облучением ИК ионизирующим излучением всегда содержит фоновую компоненту, возникающую вследствие:
естественной радиоактивности материалов ИК;
космического фона;
утечки тока через изоляторы ИК.
Эта составляющая образует минимальный ток ИК, существующий в отсутствие ионизирующего излучения..
Для уменьшения тока утечки через изоляторы в конструкцию ИК включается специальная система электродов, направляющая ток утечки мимо измерительной цепи. Эту систему называют охранным кольцом.
Импульсный режим работы ионизационной камеры.
При регистрации короткопробежных сильно ионизующих частиц (осколков деления, -частиц, протонов) существует режим работы ИК, в котором возможно обнаружение заряда, образованного одной частицей. Такой режим работы ИК называют импульсным. Обнаруженный заряд позволяет не только констатировать факт попадания частицы в ИК, но, при некоторых условиях, оценить энергию зарегистрированной частицы. Различают импульсные режимы с ионным и электронным собиранием заряда, отличающиеся постоянной времени RвхCк цепи нагрузки ИК (см. рис. 1.1.1) )..
Ионное собирание реализуется при , того же порядка или больше времени пролета ионов между электродами камеры. Режим ионного собирания (в чистом виде) необходим только при измерении полного заряда образовавшихся ионов, то есть при использовании ИК для измерения энергии ионизирующих частиц. Такой режим имеет существенный недостаток: он возможен лишь при очень низкой плотности потока ионизирующих частиц в ИК (чтобы избежать наложения импульсов) и поэтому используется чрезвычайно редко.
Электронное собирание реализуется при того же порядка (или меньше) времени пролета электрона между электродами ИК. В таком режиме (который иногда называют счетным режимом) не ставится вопрос о полноте собирания зарядов и существенным является только обнаружение факта появления ионизирующей частицы в ИК, а ее энергия интереса не представляет.