Пропорциональный счетчик

Пропорциональный счетчик — это тип детектора газовой ионизации, используемый для измерения частиц ионизирующего излучения . Ключевой особенностью является его способность измерять энергию падающего излучения путем создания выходного импульса детектора, пропорционального энергии излучения, поглощенной детектором в результате ионизирующего события; отсюда и название детектора. Он широко используется там, где необходимо знать уровни энергии падающего излучения, например, при различении альфа- и бета-частиц или точном измерении рентгеновского излучения дозы .

График изменения тока ионной пары в зависимости от приложенного напряжения для детектора газового излучения с проволочным цилиндром.

Пропорциональный счетчик использует комбинацию механизмов трубки Гейгера-Мюллера и ионизационной камеры и работает в промежуточной области напряжения между ними. Прилагаемый график показывает пропорциональную область рабочего напряжения счетчика для коаксиального расположения цилиндров.

Операция

Генерация дискретных таунсендовских лавин в пропорциональном счетчике.

График напряженности электрического поля на аноде, показывающий границу лавинной области.

В пропорциональном счетчике наполняющим газом камеры является инертный газ , который ионизируется падающим излучением, и гасящий газ, обеспечивающий прекращение каждого импульсного разряда; обычная смесь представляет собой 90% аргона и 10% метана, известную как P-10. Ионизирующая частица, попадающая в газ, сталкивается с атомом инертного газа и ионизирует его, образуя электрон и положительно заряженный ион, широко известный как «ионная пара». Проходя через камеру, ионизирующая частица оставляет на своей траектории след из пар ионов, число которых пропорционально энергии частицы, если она полностью остановлена ​​в газе. Обычно остановленная частица с энергией 1 МэВ создает около 30 000 ионных пар.

Геометрия камеры и приложенное напряжение таковы, что в большей части камеры напряженность электрического поля низкая и камера действует как ионная камера. Однако поле достаточно сильное, чтобы предотвратить рекомбинацию ионных пар и заставляет положительные ионы дрейфовать к катоду, а электроны - к аноду. Это область «дрейфа ионов». В непосредственной близости от анодной проволоки напряженность поля становится достаточно большой, чтобы вызвать лавины Таунсенда . Эта лавинная область возникает всего лишь в долях миллиметра от анодной проволоки, которая сама по себе имеет очень малый диаметр. Целью этого является использование эффекта умножения лавины, создаваемой каждой ионной парой. Это «лавинный» регион.

Ключевая цель проекта состоит в том, чтобы каждое первоначальное событие ионизации из-за падающего излучения вызывало только одну лавину. Это необходимо для обеспечения пропорциональности между числом исходных событий и полным ионным током. По этой причине приложенное напряжение, геометрия камеры и диаметр анодной проволоки имеют решающее значение для обеспечения пропорциональной работы. Если лавины начинают саморазмножаться за счет УФ-фотонов, как это происходит в трубке Гейгера-Мюллера , то счетчик входит в область «ограниченной пропорциональности», пока при более высоком приложенном напряжении не произойдет механизм разряда Гейгера с полной ионизацией окружающего газа. анодный провод и, как следствие, потеря информации об энергии частиц.

Таким образом, можно сказать, что пропорциональный счетчик имеет ключевую конструктивную особенность двух различных областей ионизации:

1. Область дрейфа ионов: во внешнем объеме камеры – создание количества ионных пар, пропорционального энергии падающего излучения.
2. Лавинная область: в непосредственной близости от анода – зарядовое усиление токов ионных пар с сохранением локализованных лавин.

Процесс усиления заряда значительно улучшает соотношение сигнал/шум детектора и уменьшает необходимое последующее электронное усиление.

Таким образом, пропорциональный счетчик представляет собой гениальную комбинацию двух механизмов ионизации в одной камере, которая находит широкое практическое применение.

Газовые смеси

Обычно детектор заполнен благородным газом ; они имеют самое низкое напряжение ионизации и не разлагаются химически. Обычно неон , аргон , криптон используются или ксенон. Рентгеновские лучи низкой энергии лучше всего обнаруживаются с помощью более легких ядер (неона), которые менее чувствительны к фотонам более высоких энергий. Криптон или ксенон выбираются для рентгеновских лучей более высокой энергии или для более высокой желаемой эффективности.

Часто основной газ смешивают с закалочной добавкой. Популярная смесь — P10 (10% метан , 90% аргон).

Типичное рабочее давление составляет 1 атмосферу (около 100 кПа).

Усиление сигнала путем умножения

В случае цилиндрического пропорционального счетчика умножение M сигнала, вызванного лавиной, можно смоделировать следующим образом:

$\ln M={\frac {V}{\ln(b/a)}}{\frac {\ln 2}{\Delta V_{\lambda }}}\left[\ln \left({\frac {V}{pa\ln(b/a)}}\right)-\ln K\right]$

Где a — радиус анодной проволоки, b — радиус счетчика, p — давление газа, а V — рабочее напряжение. K является свойством используемого газа и связывает энергию, необходимую для создания лавины, с давлением газа. Последний срок $\Delta V_{\lambda }$ дает изменение напряжения, вызванное лавиной.

Приложения

Спектроскопия

Пропорциональность между энергией заряженной частицы, проходящей через камеру, и общим созданным зарядом делает пропорциональные счетчики полезными для спектроскопии заряженных частиц . Измеряя полный заряд ( интеграл по времени электрического тока частицы ) между электродами, мы можем определить кинетическую энергию , поскольку количество ионных пар, создаваемых падающей ионизирующей заряженной частицей, пропорционально ее энергии. Однако энергетическое разрешение пропорционального счетчика ограничено, поскольку как начальное событие ионизации, так и последующее событие «умножения» подвержены статистическим флуктуациям, характеризуемым стандартным отклонением, равным квадратному корню из образовавшегося среднего числа. Однако на практике они не так велики, как можно было бы предсказать, из-за влияния эмпирического фактора Фано, который уменьшает эти колебания. В случае аргона экспериментально это составляет около 0,2.

Обнаружение фотонов

Пропорциональные счетчики также полезны для обнаружения фотонов высокой энергии , таких как гамма-лучи , при условии, что они могут проникнуть через входное окно. Они также используются для обнаружения рентгеновских лучей с энергией ниже 1 кэВ с использованием тонкостенных трубок, работающих при атмосферном давлении или около него.

Обнаружение радиоактивного загрязнения

Пропорциональные счетчики в виде планарных детекторов большой площади широко используются для проверки радиоактивного загрязнения персонала, плоских поверхностей, инструментов и предметов одежды. Обычно это осуществляется в виде установленного оборудования из-за трудностей с обеспечением портативных источников газа для портативных устройств. Они имеют окно обнаружения большой площади, изготовленное, например, из металлизированного майлара , которое образует одну стенку камеры обнаружения и является частью катода. Анодный провод проложен в извилистом виде внутри камеры детектора для оптимизации эффективности обнаружения. Обычно они используются для обнаружения альфа- и бета- частиц и могут обеспечить их различение, обеспечивая выходной импульс, пропорциональный энергии, вносимой в камеру каждой частицей. У них высокая эффективность для бета, но ниже для альфа. Снижение эффективности альфа-излучения связано с эффектом ослабления входного окна, хотя расстояние от проверяемой поверхности также имеет значительное влияние, и в идеале источник альфа-излучения должен находиться на расстоянии менее 10 мм от детектора из-за ослабления в воздухе.

Эти камеры работают при очень небольшом положительном давлении, превышающем атмосферное давление окружающей среды. Газ может быть герметично закрыт в камере или может меняться непрерывно, в этом случае они известны как «счетчики, пропорциональные расходу газа». Преимущество типов с газовым потоком заключается в том, что они допускают небольшие отверстия в майларовом экране, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации, но они требуют постоянной подачи газа.

Руководство по использованию приложения

В Соединенном Королевстве Управление по охране труда и технике безопасности (HSE) выпустило руководство пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для конкретного применения. Он охватывает все технологии радиационных приборов и является полезным сравнительным руководством по использованию пропорциональных счетчиков.

См. также

• Детекторы газовой ионизации
• Микропаттерн газовый детектор
• Многопроводная пропорциональная камера

Ссылки

• Гленн Ф. Нолл. Обнаружение и измерение радиации , третье издание, 2000 г. Джон Уайли и сыновья, ISBN   0-471-07338-5 .
• Г.Чарпак и Ф.Саули; Саули, Ф (1984). «Электронные детекторы частиц высокого разрешения» . Ежегодный обзор ядерной науки . 34 (1). Annual Reviews Inc.: 285–350. Бибкод : 1984ARNPS..34..285C . дои : 10.1146/annurev.ns.34.120184.001441 .
• Э. Мэтисон, Распределение индуцированных зарядов в пропорциональных детекторах, https://web.archive.org/web/20081011022244/http://www.inst.bnl.gov/programs/gasnobledet/publications/Mathieson's_Book.pdf

Внешние ссылки

Патенты

• Патент США 3092747 , С. Файн, « Пропорциональный счетчик ».
• Патент США 2 499 830 , Э. У. Моллой, « Воздушный пропорциональный счетчик ».