Іонізаційна камера

Іонізаці́йна ка́мера (англ. Ionization chamber) — газонаповнений детектор (давач) для дослідження і реєстрації ядерних часток та іонізуючих випромінювань, принцип роботи якого ґрунтується на здатності швидких заряджених часток викликати іонізацію газу[1].

Принципова схема іонізаційної камери з паралельними пластинами із позначенням дрейфу іонів (електрони рухаються у 1000 разів швидше ніж позитивні іони, через велику різницю у масі)[1]
Іонізаційна камера, яку використовував П'єр Кюрі (1895–1900)
Використання портативного інтегрального вимірювального приладу на базі іонізаційної камери

Іонізаційна камера по своїй суті є повітряним або газовим електричним конденсатором, до електродів якого прикладена різниця потенціалів. При попаданні іонізуючих часток в простір між електродами там утворюються електрони та іони газу, які, переміщаючись в електричному полі, створюють електричний струм, пропорційний до швидкості виникнення зарядів і, відповідно, й потужності дози опромінення, що фіксується апаратурою реєстрації[2]. Характерною особливістю іонізаційної камери, на відміну від інших газонаповнених давачів, є порівняно мала напруженість електричного поля в газовому проміжку, таким чином струм не залежить від напруги на електродах і дорівнює добутку заряду електрона на число пар іонів.

Конструктивні особливості

У ширшому розумінні до іонізаційних камер належать також і лічильники Гейгера. У цих приладах використовується явище так званого газового підсилення за рахунок вторинної іонізації — в сильному електричному полі електрони, що вивільнились при прольоті іонізуючої частки, розганяються до енергії, достатньої, щоб в свою чергу іонізувати молекули газу. У вузькому розуміння іонізаційна камера — це газонаповнений іонізаційний детектор, що працює поза режимом газового підсилення. У подальшому викладі цей термін використовується саме в цьому значенні.

Найпростішою за конструкцією є іонізаційна камера з паралельними плоскими електродами (дисками). Діаметр диска у декілька разів перевищує відстань між ними. У циліндровій іонізаційній камері електродами є два коаксіальні циліндри, один з яких заземлений і служить корпусом іонізаційної камери. Сферична іонізаційна камера складається з двох концентричних сфер (інколи внутрішній електрод має форму стрижня).

Газ, яким заповнюється іонізаційна камера, зазвичай є інертним газом (або їх сумішшю) з додаванням сполук, що легко піддаються іонізації (зазвичай вуглеводні, наприклад метан чи ацетилен). Відкриті іонізаційні камери (наприклад, іонізаційні детектори диму) заповнені повітрям.

Класифікація

Розрізняють іонізаційні камери струмові та імпульсні.

Струмові іонізаційні камери

У струмових (інтегруючих) іонізаційних камерах гальванометром вимірюється сила струму, що створюється електронами й іонами. Залежність струму від напруги (вольтамперна характеристика) іонізаційної камери — має горизонтальну ділянку, де струм не залежить від напруги (струм насичення). Це відповідає повному збиранню на електродах іонізаційної камери усіх електронів та іонів, що утворилися. Ця ділянка зазвичай є робочою областю іонізаційної камери. Струмові іонізаційні камери дають інформацію про загальну інтегральну кількість іонів, що утворилися за одиницю часу. Вони зазвичай використовуються для вимірювання інтенсивності випромінювань і для дозиметричних вимірювань. Оскільки іонізаційні струми в іонізаційних камерах зазвичай малі (10−10…10−15А), то вони підсилюються за допомогою підсилювачів постійного струму.

Імпульсні іонізаційні камери

В імпульсних іонізаційних камерах реєструються і вимірюються імпульси напруги, яка виникає на резисторі при протіканні по ньому іонізаційного струму, викликаного проходженням кожної частки. Амплітуда і тривалість імпульсів залежать від величини опору, а також від ємності. Для імпульсної іонізаційної, що працює в області струму насичення, амплітуда імпульсу пропорційна енергії, втраченою часткою в об'ємі іонізаційної камери. Зазвичай об'єктом дослідження для імпульсних іонізаційних камер є сильно іонізуючі з коротким шляхом пробігу частки, які здатні повністю загальмуватися в міжелектродному просторі (α-частки, осколки ядер при поділі). В цьому випадку величина імпульсу іонізаційної камери є пропорційною повній енергії частки і розподіл імпульсів за амплітудами відтворює розподіл часток за енергіями, тобто дає енергетичний спектр часток. Важливою характеристикою імпульсної іонізаційної камери є її роздільна здатність, тобто точність вимірювання енергії окремої частки. Для α-часток з енергією 5 МеВ роздільна здатність досягає 0,5%.

В імпульсному режимі роботи важливим є максимально скоротити час спрацьовування іонізаційної камери. Підбором величини опору резистора можна добитися того, щоб імпульси в іонізаційній камері відповідали збору лише електронів, які є набагато рухливішими, ніж іони. При цьому удається значно зменшити тривалість імпульсу і досягти інтервалів порядку 1 мкс.

В цьому випадку на аноді камери збираються значно рухливіші електрони (за час порядку 1 мкс), тоді як менш рухливі важкі позитивні іони не встигають за цей час досягти катода. Це дозволяє реєструвати окремі імпульси від кожної частки. В такі камери додатково вводять третій електрод — сітку, розташовану поблизу анода, яка екранує його від позитивних іонів.

Варіанти конструкцій

Варіюючи форму електродів іонізаційної камери, склад і тиск газу, що наповнює її, забезпечують найкращі умови для реєстрації певного виду випромінювання. В іонізаційних камерах для дослідження часток з коротким пробігом джерело поміщають усередині камери або в корпусі роблять тонкі вхідні віконця із слюди або синтетичних матеріалів. У іонізаційних камер для дослідження гамма-випромінювань іонізація обумовлена вторинними електронами, вибитими з атомів газу або стінок іонізаційної камери. Чим більшим є об'єм іонізаційної камери, тим більше іонів утворюють вторинні електрони. Тому для вимірювання γ-випромінювання малої інтенсивності застосовують іонізаційні камери великого об'єму (декілька літрів і більше).

Особливості використання

Вимірювання потоку нейтронів

Іонізаційні камери дозволяють вимірювати не тільки альфа-, бета- або гамма-випромінювання, але й нейтронне випромінювання, що досить важко, так як нейтрони не несуть заряду і їх проходження через газовий об'єм камери не приводить до іонізації газу, яку можна було б виміряти.

Для вимірювання потоку нейтронів камеру розділяють на дві однакових частини. У першій половині вимірюють фонову іонізацію газу від альфа-, бета- чи гамма-випромінювання, у другій частині камери на стінки наносять бор-10 (для іонізаційних камер, що вимірюють великі потоки нейтронів в ядерних реакторах) або уран-235 (для камер, що вимірюють малі потоки нейтронів). При захопленні нейтрона ядром урану-235 відбувається вимушений поділ ядра і додаткова іонізація газу в об'ємі камери осколками поділу. Бор-10 при захопленні нейтрона розпадається на ядро літію-7 і альфа-частку. Різниця в іонізації обох об'ємів камери є пропорційною до потоку нейтронів. Варіант іонізаційної камери з ураном-235 (чи іншим ізотопом, що зазнає поділу ядра) на електродах називається камерою поділу. Іноді камеру заповнюють газоподібною сполукою 10BF3 — трифторидом бору-10, що дозволяє покращити ефективність реєстрації осколків.

При вимірюванні потоків нейтронів іонізаційні камери можуть працювати в трьох режимах:

  • імпульсному — при вимірюванні малих потоків нейтронів;
  • струмовому — при вимірюванні великих потоків нейтронів;
  • флуктуаційному — середнє між імпульсним і струмовим режимами.

Використовується на АЕС в апаратурі контролю нейтронного потоку (АКНП) для вимірювання нейтронної потужності реактора.

Детектори диму

Іонізаційні камери використовуються також як детектор диму. Повітря між електродами опромінюється альфа-частками (як джерело використовується, наприклад, америцій-241) і за рахунок іонізації набуває деякої провідності. Коли в міжелектродний простір попадає дим, на частинках якого іони нейтралізуються, струм витоку, обумовлений іонами, зменшується.

Див. також

Примітки
  1. Knoll, Glenn F (1999). Radiation detection and measurement (вид. 3rd). New York: Wiley. ISBN 0-471-07338-5.
  2. Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С., 1977. — С.110

Джерела
  • Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат, 1977. — 528 с.
  • Иванов В. И. Курс дозиметрии: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 400 с. — ISBN — 5-283-02968-9
  • Сидоренко В. В., Кузнецов Ю. А., Оводенко А. А. Детекторы ионизирующих излучений на судах: Справочник. — Л.: Судостроение, 1984. — 240 с.

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.