Фундаментальная радиохимия

В основе ионизационных методов регистрации лежит измерение электропроводимости вещества (в частности, газа), обусловленной его ионизацией при взаимодействии ядерных излучений со средой. Энергия, расходуемая на образование в воздухе одной пары ионов обоих знаков, постоянна для любого вида излучения и равна приблизительно 34 эВ. На основании этого можно подсчитать число пар ионов, образующихся при прохождении частицы с определенной начальной энергией. Так, например, при прохождении -частицы с начальной энергией 1,7 МэВ образуется 1,7 • 10⁶/34 =5 10⁴ пар ионов.

Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, наполненные газовой смесью определенного состава. Внутри баллона находятся хорошо изолированные друг от друга металлические электроды. Такие детекторы различаются в зависимости от области напряжений, в которой они работают, поэтому следует познакомиться с особенностями регистрации излучения при разных напряжениях на электродах детектора.

2.1. Ионизационные камеры и счетчики

Ионы, возникающие после прохождения ионизирующей частицы через внутренний объем детектора, под действием электрического поля перемещаются к электродам, обусловливая тем самым появление электрического тока в цепи детектора. Зависимость силы тока от приложенного на электроды напряжения представлена на рис. 1.14. Участок 0В графика соответствует области напряжений, в которой увеличение напряжения приводит к росту скорости перемещения ионов в межэлектродном пространстве. Вследствие этого уменьшается вероятность их рекомбинации и ток в цепи возрастает. По мере дальнейшего увеличения напряжения наступает момент (напряжение (U_b), когда все образующиеся непосредственно под действием ионизирующих частиц ионы оказываются в состоянии достичь электродов и дальнейшее увеличение напряжения от U_b до U_c не приводит к росту силы тока в цепи.

Ток, соответствующий этой области напряжений, называют током насыщения (участок ВС). Если напряжение на электродах и дальше увеличивать, то сила тока вновь начинает возрастать, причем значительно быстрее, чем на участке 0В.

Это новое возрастание сначала (при напряжениях, не намного превышающих U_c) вызвано только процессом так называемой ударной ионизации, заключающимся в том, что первично образующиеся ионы приобретают в электрическом поле детектора энергию, достаточную для осуществления при соударениях новых актов ионизации атомов и молекул. Заметим, что ионы, образовавшиеся при ударной ионизации, в свою очередь могут вызвать ионизацию нейтральных атомов и молекул.

Рис. 1.14. Зависимость тока i в ионизационном детекторе от приложенного к электродам напряжения

При дальнейшем росте напряжения соударения ионов с молекулами начинают приводить не только к ионизации, но и к возбуждению молекул. Возбужденные молекулы, возвращаясь в основное состояние, испускают кванты света. Энергия этих квантов достаточна, чтобы обусловить выход электронов с анода и катода в результате фотоэффекта. Электроны, вылетающие с анода, под действием электрического поля быстро возвращаются на анод, а электроны, покинувшие катод, перемещаются к аноду и участвуют в процессах соударения с молекулами и атомами газа, вызывая образование новых ионов. Фотоэффект имеет место не только на электродах, но и на компонентах газовой смеси. В итоге в рабочем объеме детектора образуется так называемый пространственный разряд, вследствие чего сила тока, проходящего через детектор, оказывается намного выше тока насыщения. Область CD называют областью газового усиления. Для характеристики газового усиления служит коэффициент газового усиления k_гу

k_гу = n_общ/n_п,

где n_общ – общее число ионов, образовавшихся в детекторе под действием ядерной частицы; n_п – число первичных ионов.

При достижении напряжения U_d в детекторе возбуждается самостоятельный разряд и сила тока скачкообразно возрастает. Отметим, что подавать на детектор напряжение, равное или большее, чем U_d, нельзя, так как любой детектор, в котором был возбужден самостоятельный разряд, быстро выходит из строя.

Для регистрации излучения используют две области напряжений: область U_bU_c, соответствующую току насыщения, и область U_cU_d в которой имеет место газовое усиление. Детекторы, работающие в первой области, обычно называют ионизационными камерами, во второй – счетчиками. Оба эти типа детекторов используются в различных системах регистрации ядерных излучений.