Пропорциональный счетчик - Proportional counter

Пропорциональный счетчик представляет собой тип детектора ионизации газообразного устройства для измерения частиц от ионизирующего излучения . Ключевой особенностью является его способность измерять энергию падающего излучения путем создания выходного импульса детектора, который пропорционален энергии излучения, поглощенной детектором в результате ионизирующего события; отсюда и название детектора. Он широко используется там, где должны быть известны уровни энергии падающего излучения, например, при различении альфа- и бета-частиц или при точном измерении дозы рентгеновского излучения .

График изменения тока ионной пары 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. 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 области лавины.

В пропорциональном счетчике газ, заполняющий камеру, представляет собой инертный газ, который ионизируется падающим излучением, и гасящий газ, чтобы гарантировать прекращение 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 остановившаяся частица с энергией 1 МэВ создает около 30 000 пар ионов.

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 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 вызвать лавины Таунсенда . Эта область лавины возникает лишь 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 проектирования 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 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 отдельных областей ионизации:

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

Процесс усиления заряда значительно улучшает отношение 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% метана , 90% аргона).

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

Усиление сигнала умножением

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

Где a - радиус анодной проволоки, b - радиус счетчика, p - давление газа, а V - рабочее напряжение. K - это свойство используемого газа, которое связывает энергию, необходимую для возникновения лавины, с давлением газа. Последний член дает изменение напряжения, вызванное лавиной.

Приложения

Спектроскопия

Пропорциональность между энергией заряженной частицы, проходящей через камеру, и полным созданным зарядом делает пропорциональные счетчики полезными для спектроскопии заряженных частиц . Измеряя общий заряд ( интеграл от электрического тока по времени ) между электродами, мы можем определить кинетическую энергию частицы, поскольку количество ионных пар, созданных 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 прогнозировать, из-за эффекта эмпирического фактора Фано, который уменьшает эти колебания. В случае аргона это экспериментально около 0,2.

Обнаружение фотонов

Пропорциональные счетчики также полезны для обнаружения фотонов высокой энергии , таких как гамма-лучи , при условии, что они могут проникать во входное окно. Они также используются для обнаружения рентгеновских лучей с уровнями 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 радиоактивного загрязнения персонала, плоских поверхностей, инструментов и предметов одежды. Обычно это в виде установленного оборудования 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 позволяют различать их, обеспечивая импульсный выходной сигнал, пропорциональный энергии, выделяемой в камере каждой частицей. У них высокая эффективность для беты, но ниже для альфа. Снижение эффективности альфа- излучения происходит из-за эффекта затухания входного окна, хотя расстояние от проверяемой поверхности также оказывает значительное влияние, и в идеале источник альфа-излучения должен находиться на расстоянии менее 10 мм от детектора из-за затухания в воздухе.

Эти камеры работают при очень небольшом положительном давлении, превышающем атмосферное давление. Газ может быть запечатан в камере или может изменяться непрерывно, и в этом случае они известны как «пропорциональные счетчики расхода газа». Типы газовых потоков имеют то преимущество, что они допускают небольшие отверстия в майларовом экране, которые могут возникнуть при использовании, но они требуют непрерывной подачи газа.

Руководство по использованию приложения

В Соединенном Королевстве Управление здравоохранения и безопасности (HSE) выпустило инструкцию для пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для соответствующего приложения. [1] Это охватывает все технологии радиационных приборов и является полезным сравнительным руководством по использованию пропорциональных счетчиков.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Патенты