ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Методы, основанные на собирании ионов из "Ядерная химия и радиохимия" Принцип действия многих обычных детекторов излучений основан на электропроводности газа, возникающей благодаря созданной в нем ионизации. Такого рода проводимость в некоторой степени аналогична электропроводности растворов, обусловленной присутствием ионов электролита. При наложении электрического поля ионный ток проводимости (вызванной в газе излучением) сначала возрастает затем, по мере увеличения приложенного напряжения, ток достигает некоторой постоянной величины, являющейся непосредственной мерой скорости образования заряженных ионов в соответствующем объеме газа. Эта постоянная величина называется током насыщения. На рис. 33 схематически представлены объем газа и собирающие электроды, разность потенциалов между которыми V, прибор для измерения ионизационного тока I, а также график зависимости I от V, который можно получ 1ть в таком опыте. [c.136] Напряжение на камере, V Рис. 33. Зависимость ионизационного тока от приложенного напряжения. [c.137] Можно классифицировать регистрирующие системы (основанные на принципе ионного собирания) в зависимости от того, используется ли в них режим насыщения или область газового усиления. В области газового усиления, где V больше некоторой максимальной величины, соответствующей насыщению, благодаря процессам вторичной ионизации создается дополнительный ток вторичная ионизация является следствием высоких скоростей, приобретаемых ионами (особенно электронами), движущимися в поле с большим градиентом потенциала. Использование такого усиления тока делает соответствующие методы весьма чувствительными, но к сожалению, результаты могут сильно зависеть от небольших изменений экспериментальных параметров. [c.137] Камеры постоянного тока. Простейшими и наименее дорогими устройствами такого рода (ранее широко использовавшимися, но теперь устаревшими) являются различные типы электроскопов. Электроскоп с электродами в виде кварцевой нити или золотых лепестков сначала заряжается до потенциала V, а затем измеряется изменение А7, вызванное собранным зарядом ионов, в зависимости от времени. Если собран заряд д, то суммарное изменение потенциала А7 = д/С, где С — емкость системы электродов (она приблизительно постоянна). Выраженная в сантиметрах или микромикрофарадах емкость С имеет тот же порядок величины, что и размеры системы электродов в сантиметрах. Лауритсеновским электроскопом с кварцевой нитью можно легко измерять интенсивности в области от 10 до 10 р-частиц, попадающих в камеру за одну минуту. [c.138] Другим типом прибора того же рода является ионизационная камера, включенная на вход электронного усилителя постоянного тока. Ионизационный ток начинает течь через очень большое сопротрвление Н, и возникающее при этом напряжение V = 1Н поступает на управляющую сетку электронной лампы и измеряется по анодному току последней (нанример, гальванометром). Для измерения очень малых токов необходимы лампы с очень низким собственным сеточным током. Весьма важна также и высокая стабильность схемы, поэтому обычно используются различные стабилизирующие устройства, для того чтобы уменьшить влияние изменений напряжения питания. [c.138] В качестве газа в ионизационной камере может находиться воздух при атмосферном давлении это позволяет использовать для входного окошка чрезвычайно тонкие алюминиевые фольги (что существенно для регистрации частиц малой энергии), но в то же время делает чувствительность камеры к проникающим излучениям зависящей от барометрического давления. Находят применение также и закрытые герметизированные камеры в специальных случаях, например при работе с р-излучателями малых энергий, такими, как и Н , последние могут вводиться непосредственно в объем камеры, становясь, таким образом, компонентами газа. Если нужно регистрировать гамма- и рентгеновские лучи, ионизационную камеру можно наполнять фреоном (хлорфторметан) или бромистым метилом при давлении в несколько атмосфер. [c.138] Камера постоянного тока с Н — 10 ом чувствует 500 р-частиц в минуту. При Н = 10 ом можно измерять около 10 р-частиц в минуту. [c.138] Если не совсем попятно употребление числа пар ионов вместо их полного числа, то нужно вспомнить, что на каждом электроде собирается лишь половина всех ионов (с соответствуюш им знаком заряда). [c.139] Динамический электрометр. Даже если на выходе ионизационной камеры используются специальные радиолампы и стабилизированные схе-мЬг, усилители постоянного гока все же слишком восприимчивы к различным помехам и дрейфу и с их помощью гораздо труднее осуществить усиление на нескольких последовательных каскадах, чем это можно сделать при использовании усилителей переменного тока. Существенным шагом является применение конденсатора с периодически меняющейся емкостью, подключенного к фиксированному электроду и превращающего /Л-напря-жение в приблизительно синусоидально меняющийся потенциал этот переменный сигнал усиливается затем высокостабильным усилителем звуковых частот. Такой прибор — динамический электрометр,— будучи соединен с обычной ионизационной камерой, без труда измеряет 10 а, что соответствует 1000 р-распадов в минуту. При работе с ним не приходится испытывать затруднений, связанных с дрейфом нуля или внешними помехами. [c.139] Поскольку генерируемое язычком конденсатора напряжение зависит от амплитуды его колебаний, это устройство почти всегда применяется как нулевой прибор. Создаваемое ионизационным током камеры напряжение 1Н (при величине Е до 10 ом) прикладывается к одной из обкладок динамического конденсатора, а к другой — точно известное опорное постоянное напряжение от потенциометра. Когда эти два напряжения одинаковы, переменный сигнал на выходе отсутствует. В коммерческих приборах нулевая точка находится электронными методами, а связанный с опорным напряжением соответствующий вольтметр показывает ионизационный ток. [c.139] Для большинства приложений, требующих высокой чувствительности и стабильности, обычно выбирается динамический электрометр. Язычки конденсаторов должны выполняться с высокой точностью, и весь комплект оборудования стоит достаточно дорого. [c.139] Как правило, стремятся к тому, чтобы амплитуда импульса на выходе была пропорциональна величине ионизации, созданной частицей в камере такого рода прибор часто называют просто линейным или линейным импульсным усилителем. [c.140] Подобный прибор применяется для счета одиночных а-частиц, поэтому можно оценить величину необходимого коэффициента усиления. Быстрая а-частица создает при движении в камере около 25 ООО пар ионов на 1 см при этом должен собираться заряд д 25 000-1,6-10 19 4-10 1 к. Полагая С 10 пф, имеем тогда V = ц С 4-10 в. Если на выходе нужно получить импульс 10 в (для осциллографического наблюдения или запуска пересчетной схемы), то требуемое усиление составляет 2,5-10. [c.140] Для этого можно использовать три усилительных каскада, каждый с коэффициентом усиления около 30. [c.140] В закрытых ионизационных камерах, наполненных чистым аргоном, азотом или некоторыми другими газами, возникающие в процессе ионизации электроны не прилипают к молекулам газа, что привело бы к образованию отрицательно заряженных ионов, а остаются главным образом свободными частицами. В электрическом поле скорость дрейфа электронов много больше скорости ионов, и они достигают собирающего электрода примерно за 10 сек. При этом могут быть достигнуты не только гораздо более высокие скорости счета, но также и значительное уменьшение влияния микрофонных возмущений (если усилитель чувствителен лишь к высоким частотам). В силу этих причин большинство современных ионизационных камер работает только на электронном собирании. [c.140] Ионизационные камеры с линейными усилителями можно применять и для регистрации актов деления осколки делений легко отличить от а-частиц, так как их энергия в 10—20 раз больше, что позволяет измерять чрезвычайно редкие акты деления (порядка одного импульса в день) при наличии высоких потоков а-частиц. Это обстоятельство оказалось весьма существенным при определении скоростей распада некоторых спонтанно делящихся изотопов. Камеры деления полезны также для регистрации нейтронов. [c.141] В обычных камерах -частицы и у-лучи не создают достаточной ионизации, а следовательно, и импульсов, заметных на фоне шумов. [c.141] Кристаллы изолятора в качестве счетчиков. Принцип действия ионизационной камеры не исчерпывается газонаполненными камерами. Использование для этой цели более плотных ионизируемых сред дает очевидные преимущества не прибегая к неоправданно большим объемам, ионы с большой энергией можно полностью остановить в пределах камеры цри этом получаются вполне регистрируемые импульсы при прохождении отдельных электронов или у-квантов, несмотря на их низкую удельную ионизацию. Были испытаны ионизационные камеры, наполненные жидким аргоном, однако более перспективными инструментами стали так называемые кристаллические счетчики, являющиеся, по существу, ионизационными камерами с твердыми диэлектриками между, плоско-параллель-ными электродами. Ионизирующее излучение перебрасывает электроны в полосу проводимости — процесс, аналогичный ионизации атома или молекулы,— и эти электроны затем движутся с достаточно высокими подвижностями к положительному электроду. Положительные заряды (электронные дырки ) движутся в противоположном направлении, но не за счет движения ионов по объему кристалла, а в результате последовательных обменов электронами между соседними положениями в решетке. Кристаллы алмаза и сульфида кадмия успешно применялись для этих целей при комнатной температуре. Другие кристаллы, такие, как галогепиды серебра и таллия, являющиеся ионными проводниками при комнатной температуре, могут использоваться при низких температурах. Средняя энергия, необходимая для перевода электрона в полосу проводимости, составляет для таких твердых диэлектриков, как правило, около 10 эв, что меньше, чем средняя энергия (—30 эв), расходуемая на образование пары ионов в газе. [c.141] Полупроводники в качестве ионизационных камер. При использовании кристаллических счетчиков возникают серьезные ограничения, обусловленные тенденцией носителей заряда (электронов и положительных дырок ) захватываться примесями и дефектами кристалла захваченные заряды искажают приложенное поле и ведут к поляризации кристалла и к различным амплитудам импульса от моноэпергетических ионизирующих частиц. Помимо этого, воспроизводимость недостаточно хороша при смене кристаллов. Эти недостатки в значительной мере устранены в недавно разработанных полупроводниковых приборах. Подвижности и времена жизни носителей заряда в полупроводниках гораздо больше, чем в изоляторах, и поэтому захват носителей представляет существенно менее сложную проблему. Кроме того, энергетическая щель между самой верхней заполненной полосой и полосой проводимости составляет в полупроводниках, как правило, всего лишь 1 эв это означает, что необходимая для образования пары электрон — дырка энергия относительно невелика и, следовательно, полупроводниковые детекторы потенциально обладают хорошим энергетическим разрешением. [c.142] До сих пор наиболее широко используемым полупроводниковым материалом для регистрации излучений является кремний — с запрещенной полосой 1,1 эе и средней энергией 8 образования пары электрон — дырка 3,5 эв. В германии е еще меньше (2,9 эв), однако малая ширина его запрещенной полосы (0,66 эв) приводит уже при комнатной температуре к чрезмерному тепловому возбуждению, перебрасывающему электроны через полосу по этой причине германиевые детекторы необходимо охлаждать, чтобы исключить тепловые шумы. Несмотря на это неудобство, германиевые детекторы начинают все шире применяться для целей у-спект-рометрии благодаря большому 2 германия, что делает их гораздо более чувствительными к у-лучам по сравнению с кристаллами кремния. [c.142] Вернуться к основной статье