Ионизационные камеры

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

1.Аналитическая  часть

1.1 Принципы регистрации гамма- и рентгеновского излучений с помощью ионизационных камер.

1.2 Общее устройство ионизационной камеры

1.3 Принцип работы ионизационной камеры

1.4 Ионизационная камера Вильсона и Пузырьковая камера

1.5 Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера

1.6 Работы ионизационной камеры при постоянной ионизации

2.Постановка задачи

3.Практическая часть

Выводы

Список Литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

Моя работа посвящена рассмотрению ионизационных камер. Ионизационная камера, прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представляет собой воздушный или газовый электрический конденсатор, к электродам которого приложена разность потенциалов. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа, которые, перемещаясь в электрическом поле, собираются на электродах и фиксируются регистрирующей аппаратурой. Наиболее простой является Ионизационная камера с параллельными плоскими электродами (дисками). Диаметр диска в несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической. ионизационная камера электроды — два коаксиальных цилиндра, один из которых заземлён и служит корпусом Ионизационная камера. Сферическая ионизационная камера состоит из 2 концентрических сфер (иногда внутренний электрод — стержень).

      Цель курсовой работы заключается в том, чтобы найти недостатки камер и решить проблемы этих недостатков.

      Практическое значение: оценить предельное энергетическое разрешение ионизационной камеры для -частиц и величину тока от -частицы с энергией E = 5 МэВ, полностью остановившейся в объёме ионизационной камеры 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Аналитическая  часть 
 

1.1 Принципы регистрации гамма- и рентгеновского излучений с помощью ионизационных камер. 

 Ионизационная камера является одним из распространенных детекторов, используемых для регистрации ионизирующих излучений.

Ионизационная камера в простейшем виде представляет тонкостенный замкнутый объем, наполненный газом. В этом объеме помещаются два электрода, к которым прикладывается напряжение (100 - 1000 В).

 Принцип действия камеры: заряженная частица, попадая в камеру, ионизирует наполняющий ее газ. Образованные частицей ионы устремляются к электродам, создавая электрический ток, величину которого можно измерить с помощью микроамперметра (см. принципиальную схему ионизирующей камеры, рис.1). Напряжение в камере подбирается так, чтобы все образовавшиеся ионы, не рекомбинируя, доходили до электродов, но не разгонялись бы настолько сильно, чтобы производить вторичную ионизацию.

 Ионизационные  камеры бывают двух типов: 1) непрерывного  действия (интегрирующие или токовые)  и 2) импульсные. В камере непрерывного  действия измеряется суммарный ионизационный ток, т.е. поток энергии проходящих заряженных частиц. Импульсная камера является радиометром, т.е. в ней регистрируется прохождение одиночной частицы и измеряется энергия этой частицы. Наибольшее распостранение получили токовые камеры, используемые в качестве дозиметров.

Рис.1. Принципиальная схема ионизационной камеры:

         1 - траектория заряженной частицы

         2 - создаваемые этой частицей  ионы

         3 - собирающие электроды

         4 - измерительный прибор. 
 

Рис.2. Зависимость величины ионизационного тока от напряжения на  

         электродах:

0 - Ua   - область рекомбинации;

Ua - Ub - область  рабочего напряжения камеры;

Iнас      - ток насыщения.                                                            

 

 Между  электродами камеры в единице  объема каждую секунду образуется N пар ионов. Если все ионы  достигают электродов, то в цепи  течет ток насыщения: Iнас = N e V, где e - заряд одного иона, V - ионизационный объем камеры.  Пусть P - мощность ионизационной дозы в воздухе. Тогда в единицу времени будет создаваться P W пар ионов единице массы воздуха, где W - средняя работа ионизации.

Iнас  =

P , где - плотность воздуха.

 Таким  образом, ток насыщения в камере  пропорционален мощности дозы. Умножив  обе части равенства на t, получим  выражение для полного количества  электричества, образованного за время t :

[Iнас

t = P ]    Q = D ,

т.е. полное количество электричества пропорционально  дозе излучения.

 С  помощью ионизационной камеры  чаще измеряют экспозиционную  дозу. Определение экспозиционной  дозы в рентгенах требует измерения  ионизационного тока в условиях  насыщения и электронного равновесия, когда поглощенная энергия излучения  в измерительном объеме равнв энергии электронов, освобожденных в этом объеме. Такие условия измерения обычно реализуются в так называемой “нормальной” ионизационной камере, которая однако непригодна для широкого использования на практике. Но по ней производят градуировку обычных ионизационных камер (см. учебник Голубева).

 Обычные ионизационные  камеры, применяемые в дозиметрической  практике, представляют собой объем  воздуха, ограниченный стенками  с конечной толщиной

(последняя  является одним из электродов  камеры), другой электрод находится внутри камеры - (см. рис. 3 и 4). 

 
 

 Рис.3. Конструкция цилиндрической ионизационной  камеры:

          1 - собирающий электрод

          2 - высоковольтный электрод

          3 - электростатический заряд

          4 - изоляторы

          5 - охранное кольцо 

 

 Рис.4. Конструкция сферической ионизационной  камеры:

          1 - собирающий электрод

          2 - изолятор

          3 - корпус 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Общее устройство ионизационной камеры

Основными элементами ионизационной камеры являются два электрода, находящиеся под различными потенциалами, и газ, который заполняет пространство между электродами. Электрод к которому присоеденен измерительный прибор, называется собирающим. Обычно он находится под потенциалом, близким к потенциалу земли, хотя это и необязательно. Другой электрод, на который 

Рис 1 Схема  ионизационной камеры

1-высоковольтный  электрод; 2-собирающий электрод; 3-охранный  электрод; 4-измерительный прибор.

подаётся  постоянное напряжение Vo от нескольких сот до нескольких тысяч вольт, называется высоковольтным электродом. Собирающий электрод обычно соединен посредством изолятора с третьим электродом, на который подается постоянный потенциал, приблизительно равный потенциалу собирающего электрода. Этот электрод называется охранным. В свою очередь охранный электрод соединен через изолятор с высоковольтным. Охранный электрод служит для защиты собирающего электрода от токов утечки. Кроме того, охранный электрод обычно конструируется так, чтобы не получалась неоднородность электрического поля вблизи краев собирающего электрода. Ионизационная камера состоит из пластмассового (или из сплава алюминия) корпуса, покрытого внутри слоем токопроводящего вещества (акводага). Токопроводящий слой вместе с сердечником является положительным электродом камеры. Отрицательным электродом служит металлическое кольцо. Вывод от кольца сделан через проходной изолятор. Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C₂H₂, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролёте заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать, достигали электродов. Ионизационные камеры бывают интегрирующие  и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению. В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой. Образовавшиеся в результате ионизации электроны под действием поля E_кс двигаются по направлению к сетке, проходят ее под действием поля E_са > E_кс и собираются на аноде. Более подвижные электроны собираются за время 10^-6 с. Положительные ионы, время сбора которых на три порядка больше за это время остаются практически на месте. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов. Временнoе разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов.    Таким образом, при регистрации импульса тока от электронов временнoе разрешение ионизационной камеры будет достигать 10^-6 с. Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию , необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа 30-40 эВ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.3 Принцип работы ионизационной камеры

Одним из старых, но до сих пор широко применяемых детекторов ядерного излучения является ионизационная камера. Простейшая ионизационная камера представляет собой  замкнутый газовый объем, в котором расположены два плоско-параллельных электрода. К электродам прикладывается разность потенциалов U, создающая в рабочем объеме камеры электрическое поле напряженности Е. На рис.1 представлена принципиальная схема такой камеры. Здесь R - сопротивление нагрузки, с которой снимается сигнал, а C - распределенная емкость, включающая межэлектродную емкость камеры, входную емкость усилителя и емкость монтажа камеры. Заряженные частицы, проходя через рабочий объем камеры, производят ионизацию атомов газа, в результате чего вдоль пути частицы образуются электроны и положительные ионы. Под действием электрического поля Е они начинают двигаться к соответствующим электродам камеры.  
 

 

Рис.1. Принципиальная схема ионизационной камеры 

Во время  движения электронов и ионов к  электродам во внешней цепи камеры индуцируется ток, заряжающий емкость С. Нарастание импульса, т.е. зарядка емкости С, прекращается в тот момент, когда все электроны и ионы, созданные в газе камеры, достигнут соответствующих электродов. Разрядка емкости происходит через сопротивление R, величина которого выбирается такой, чтобы с одной стороны, не происходила разрядка емкости С в течение времени, пока идет ее зарядка током, идущим через камеру, а с другой стороны, емкость С успела бы почти полностью разрядиться к моменту попадания в камеру следующей частицы. Таким образом, сопротивление R выбирается так, чтобы Т<< RC<< Δt, где T-время собирания зарядов, а Δt- временной интервал между импульсами. Время собирания зарядов, образованных частицей в газе камеры, зависит от скорости их движения к электродам, так называемой скорости дрейфа, причем скорость дрейфа электронов и ионов различна из-за разницы в их массах (так, скорость дрейфа электронов в ∼ 10³ раз больше, чем ионов, а время собирания электронов в ∼ I0³ раз меньше). Амплитуда импульса обусловлена двумя составляющими - электронной и ионной, причем вклад в полную амплитуду импульса зарядов того или иного знака определяется отношением пройденной ими разности потенциалов к полной разности потенциалов, приложенной к электродам камеры. Характер работы ионизационной камеры существенно зависит от величины напряжения U, приложенного к электродам. На рис. 2 представлена зависимость амплитуды импульса, появляющегося на сопротивлении R, от напряжения на счетчике.