Детектори іонізуючих випромінювань, дозиметричні і радіометричні прилади

Міністерство освіти і науки України

Рівненський державний технічний університет

Кафедра фізики

 

073-88

 

 

Рекомендовано до друку методичною комісією факультету екології і землевпорядкування з спеціальності “Екологія та охорона навколишнього середовища” № 7.070801

Протокол № 5 від 29.01.2002р.

 

Рівне 2002

 

Методичні вказівки до лекційних і практичних занять з курсу “Детектори іонізуючих випромінювань, дозиметричні і радіометричні прилади” для студентів-заочників спеціальності 6.070800 “Екологія та охорона навколишнього середовища”/ М.Й. Троцюк, П.П. Бортник-Рівне: РДТУ, 2002-59с.

 

Упорядник М.Й. Троцюк, кандидат фіз.-мат. наук, доцент.

 

Відповідальний за випуск В.Ф. Орленко, кандидат фіз.-мат. наук, доцент, завідувач кафедри фізики.

 

Детектором іонізуючих випромінювань називають пристрій, який видає певний сигнал при попаданні в робоче тіло детектора частинок іонізуючих випромінювань. Сигнали детекторів можуть бути різними: іонізація речовини, імпульс електричного струму, спалах світла, утворення капельок рідини або бульбашок пари на теку частинки й інші. Дуже часто в детекторах випромінювань різні сигнали перетворюються в імпульси електричного струму, тому що імпульси струму або напруги легко обробляти (рахувати, визначати амплітуду імпульсу).

Широко застосовуються іонізаційні детектори випромінювань. Типовий іонізаційний детектор має будову, схематично представлену на рис.1. У балоні Б 

знаходяться електроди – катод К і анод А, між якими розміщене робоче тіло детектора Т. Робоче тіло детектора може бути газом або напівпровідником. Між електродами детектора прикладена значна різниця потенціалів – до кількох тисяч вольт. Робоче тіло детектора при відсутності іонізуючого випромінювання має малу електричну провідність.

Якщо робоче тіло детектора газ, то іонізуюче випромінювання іонізує газ, відриваючи від атомів і молекул електрони. Газ починає проводити електричний струм, в 

результаті чого на навантажувальному опорі R зростає напруга. Іони рекомбінують (нейтралізують один одного) і нейтралізуються на електродах тому їх кількість швидко зменшується і струм спадає. Результатом реєстрації іонізуючої частинки є імпульс електричної напруги на навантажувальному опорі R з амплітудою  , який передається на реєструючу схему. Якщо робоче тіло детектора напівпровідник, то частинка іонізуючого випромінювання утворює електронно-діркові пари, які під дією поля рухаються до електродів і створюють імпульс струму.

Катод детектора К має певну ємність відносно корпуса приладу. Ця ємність зображена конденсатором С, показаним на рис.1. Ємність разом із резистором R утворює розрядне коло, яке характеризується постійною часу  . Ця постійна часу є час, за який напруга при розрядці зменшується в е разів (е – основа натуральних логарифмів). Іноді паралельно R включають конденсатор для збільшення постійної часу розрядного кола.

Іонізація в робочому тілі детектора утримується на протязі часу  , за який відбувається збір іонів або електронно-діркових пар. Часто виконується співвідношення

 .                                                               (5.1.)

Це особливо стосується напівпровідникових детекторів, де рухливість електронів і дірок набагато перевищує рухливість іонів у газах. Тоді імпульс струму через робоче тіло детектора буде дуже коротким, ємність С заряджається майже до сумарного заряду q носіїв струму одного знаку (електронів або дірок для напівпровідникового детектора). Цей заряд пропорційний енергії іонізуючої зарядженої частинки, якщо в робочому тілі детектора відбулось її повне гальмування. Імпульс напруги на резисторі R має крутий фронт і пологий спад (рис.1), оскільки зарядка С відбувається швидко, а розрядка повільно.

Якщо виконується умова (1), то амплітуда імпульсу

 .                                                       (5.2.)

Оскільки заряд пропорційний енергії зарядженої частинки, яка здійснила іонізацію, то й амплітуда імпульсу також пропорційна енергії цієї частинки

 ,                                                  (5.3.)

де k – коефіцієнт пропорціональності. Звідси видно, що детектор іонізуючих випромінювань може застосовуватись для визначення енергії заряджених частинок. Реально для цього можуть використовуватись тільки напівпровідникові детектори, оскільки густина матеріалу напівпровідника достатньо велика для повного гальмування швидких заряджених частинок в межах робочого об’єму детектора. Газові іонізаційні детектори можуть застосовуватись обмежено тільки для частинок із високими питомими іонізаційними втратами, наприклад, альфа-частинок при невисоких енергіях.

Іонізаційні детектори (газові й напівпровідникові) можуть використовуватись для оцінки середньої інтенсивності іонізуючих випромінювань. Інтенсивність пропорційна середній кількості імпульсів, які видає детектор за одиницю часу. Крім того, вони можуть використовуватись для знаходження розподілу інтенсивності іонізуючих випромінювань у часі. Якщо інтенсивність випромінювання  змінюється з часом, то кількість імпульсів за одиницю часу також буде змінюватись з часом.

Взаємодія частинок випромінювання з робочим тілом детектора є процес статистичний, тобто він може