Пропорциональный счетчик - Proportional counter

В пропорциональный счетчик это тип газо-ионизационный детектор устройство, используемое для измерения частицы из ионизирующего излучения. Ключевой особенностью является его способность измерять энергия падающего излучения, создавая выходной импульс детектора, который пропорциональный к 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-частицы, или точное измерение рентгеновский снимок радиация доза.

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

Пропорциональный счетчик использует комбинацию механизмов Трубка Гейгера – Мюллера и ионизационная камера, и работает в области промежуточного напряжения между ними. На прилагаемом графике показан диапазон рабочего напряжения пропорционального счетчика для коаксиального цилиндра.

Операция

Генерация дискретных лавин Таунсенда в пропорциональном счетчике.
График напряженности электрического поля на аноде, показывающий границу зоны схода лавины.

В пропорциональном счетчике заполняющий газ камеры представляет собой инертный газ который ионизируется падающим излучением, а гасящий газ для обеспечения прекращения каждого импульсного разряда; обычная смесь - это 90% аргона и 10% метана, известная как P-10. Ионизирующая частица, попадающая в газ, сталкивается с атомом инертного газа и ионизирует его с образованием электрона и положительно заряженного иона, обычно известного как «ионная пара». Когда ионизирующая частица проходит через камеру, она оставляет на своей траектории след из пар ионов, количество которых пропорционально энергии частицы, если она полностью остановлена ​​в газе. Обычно остановленная частица с энергией 1 МэВ создает около 30 000 пар ионов.[1]

Геометрия камеры и приложенное напряжение таковы, что в большей части камеры напряженность электрического поля мала, и камера действует как ионная камера. Однако поле достаточно сильное, чтобы предотвратить повторное объединение 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 производить Таунсендские лавины. Эта область лавины возникает только в долях миллиметра от анодной проволоки, которая сама по себе имеет очень маленький диаметр. Целью этого является использование эффекта размножения лавины, создаваемой каждой ионной парой. Это район «лавины».

Ключевая цель проекта состоит в том, чтобы каждое исходное событие ионизации из-за падающего излучения приводило к возникновению только одной лавины. Это необходимо для обеспечения пропорциональности между количеством 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 самоумножаться из-за УФ-фотонов, как это происходит в Трубка Гейгера – Мюллера, то счетчик входит в область «ограниченной пропорциональности» до тех пор, пока при более высоком приложенном напряжении не произойдет механизм разряда Гейгера с полной ионизацией газа, окружающего анодный провод, и последующей потерей информации об энергии частицы.

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

  1. Область дрейфа ионов: во внешнем объеме камеры - создание числа ионных пар, пропорционального энергии падающего излучения.
  2. Область лавины: в непосредственной близости от анода - усиление заряда ионных парных токов при сохранении локальных лавин.

Процесс усиления заряда значительно улучшает соотношение сигнал шум детектора и снижает необходимое электронное усиление.

Таким образом, пропорциональный счетчик представляет собой гениальную комбинацию двух ионизационных механизмов 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 используют неон, аргон, криптон 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 выбирают для получения рентгеновских лучей с более высокой энергией или для более высокой желаемой эффективности.

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

Типичное рабочее давление составляет 1 атмосферу (около 100 кПа).[2]

Усиление сигнала умножением

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

Где а - радиус анодной проволоки, б - радиус счетчика, п - давление газа, а V - рабочее напряжение. K является свойством используемого газа и связывает энергию, необходимую для возникновения лавины, с давлением газа. Последний срок дает изменение напряжения, вызванное лавиной.

Приложения

Спектроскопия

Пропорциональность между энергией заряженной частицы, проходящей через камеру, и полным созданным зарядом делает пропорциональные счетчики полезными для заряженных частиц. спектроскопия. Измеряя общий заряд (время интеграл из электрический ток ) между электродами, можно определить кинетическая энергия потому что 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 колебаниям, характеризующимся стандартным отклонением, равным квадратному корню из среднего образованного числа. Однако на практике они не так велики, как можно было бы предположить, из-за эффекта эмпирических данных. Фактор Фано что уменьшает эти колебания.[1] В случае аргона это экспериментально около 0,2.

Обнаружение фотонов

Пропорциональные счетчики также полезны для обнаружения высоких энергий. фотоны, Такие как гамма излучение, при условии, что они могут проникнуть во входное окно. Они также используются для обнаружения Рентгеновские лучи до уровня энергии ниже 1 кэВ с использованием тонкостенных трубок, работающих при атмосферном давлении или около него.

Обнаружение радиоактивного загрязнения

Пропорциональные счетчики в виде плоских детекторов большой площади широко используются для проверки радиоактивное загрязнение на персонале, плоских поверхностях, инструментах и ​​предметах одежды. Обычно это делается в виде установленных приборов из-за трудностей обеспечения переносных источников газа для портативных устройств. Они сконструированы с большим окном обнаружения, сделанным из, например, металлизированного майлара, который образует одну стенку камеры обнаружения и является частью катода. Анодный провод уложен извилистым образом внутри камеры детектора для оптимизации эффективности обнаружения. Обычно они используются для обнаружения альфа и бета частиц, и может обеспечить различение между ними, обеспечивая импульсный выход, пропорциональный энергии, выделяемой в камере каждой частицей. У них высокая эффективность для беты, но ниже для альфа. Снижение эффективности для альфа связано с затухание эффект 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. Газ может быть герметизирован в камере или может изменяться непрерывно, и в этом случае они известны как «пропорциональные счетчики расхода газа». Преимущество типов с потоком газа состоит в том, что они допускают небольшие отверстия в майларовом экране, которые могут возникнуть при использовании, но они требуют непрерывной подачи газа.

Руководство по использованию приложения

в объединенное Королевство то HSE выпустил инструкцию для пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для соответствующего приложения [1]. Он охватывает все технологии радиационных приборов и представляет собой полезное сравнительное руководство по использованию пропорциональных счетчиков.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Гленн Ф. Нолл. Обнаружение и измерение радиации, третье издание, 2000 г. Джон Вили и сыновья, ISBN  0-471-07338-5.
  2. ^ http://www.canberra.com/literature/fundamental-principles/pdf/Gamma-Xray-Detection.pdf

внешняя ссылка

Патенты