Ионизационная камера представляет собой простейший тип газообразного ионизационного детектора и широко используется для обнаружения и измерения многих типов ионизирующего излучения , включая рентгеновские лучи , гамма-лучи , альфа-частицы и бета-частицы . Условно термин «ионизационная камера» относится исключительно к тем детекторам, которые собирают все заряды, созданные в результате прямой ионизации газа посредством приложения электрического поля. [1] Он использует дискретные заряды, создаваемые каждым взаимодействием между падающим излучением и газом, для получения выходного сигнала в виде небольшого постоянного тока . Это означает, что отдельные ионизирующие события невозможно измерить, поэтому невозможно дифференцировать энергию разных типов излучения, но это дает очень хорошее измерение общего ионизирующего эффекта.
Он имеет хороший равномерный отклик на излучение в широком диапазоне энергий и является предпочтительным средством измерения высоких уровней гамма-излучения, например, в радиационной горячей камере , поскольку они могут выдерживать длительные периоды пребывания в полях с высокой радиацией без ухудшения качества. Они широко используются в атомной энергетике, исследовательских лабораториях, пожарной безопасности , радиационной защите и мониторинге окружающей среды .
Камера ионизации газа измеряет заряд по количеству пар ионов , созданных внутри газа под действием падающего излучения. Он состоит из газонаполненной камеры с двумя электродами ; известные как анод и катод . Электроды могут иметь форму параллельных пластин (ионизационные камеры с параллельными пластинами: PPIC) или цилиндра с коаксиально расположенной внутренней анодной проволокой.
Между электродами прикладывается потенциал напряжения для создания электрического поля в наполняющем газе . Когда атомы или молекулы газа между электродами ионизируются падающим ионизирующим излучением , создаются ионные пары , и образующиеся положительные ионы и диссоциированные электроны движутся к электродам противоположной полярности под действием электрического поля. При этом генерируется ток ионизации, который измеряется электрометрической схемой в диапазоне от фемтоампер до пикоампер , в зависимости от конструкции камеры, и пропорционален дозе радиации. [1]
Электрическое поле должно быть достаточно сильным, чтобы предотвратить рекомбинацию ионных пар, которая могла бы уменьшить ионный ток, а накопление положительных ионов предотвращается за счет их рекомбинации с электронами, когда они достигают катода. Этот режим работы называется «токовым», что означает, что выходной сигнал представляет собой непрерывный ток, а не импульсный выходной сигнал, как в случае трубки Гейгера -Мюллера или пропорционального счетчика. [1]
Ссылаясь на прилагаемый график сбора ионных пар, можно увидеть, что в рабочей области ионной камеры заряд собранной ионной пары фактически постоянен в диапазоне приложенного напряжения, поскольку из-за относительно низкой напряженности электрического поля ионная камера не имеет эффекта умножения. В этом отличие от трубки Гейгера-Мюллера или пропорционального счетчика, в котором вторичные электроны и, в конечном итоге, множественные лавины значительно усиливают первоначальные ионизационные заряды для создания измеримых импульсов. [1]
Обычно используются следующие типы камер.
Это камера, свободно открытая в атмосферу, где наполняющим газом является окружающий воздух. Хорошим примером этого является бытовой детектор дыма , в котором необходим естественный поток воздуха через камеру, чтобы частицы дыма можно было обнаружить по изменению ионного тока. Другими примерами являются приложения, в которых ионы создаются вне камеры, но переносятся принудительным потоком воздуха или газа.
Эти камеры обычно имеют цилиндрическую форму и работают при атмосферном давлении, но для предотвращения попадания влаги в вентиляционную линию устанавливается фильтр, содержащий влагопоглотитель . [2] Это необходимо для предотвращения накопления влаги внутри камеры, которая в противном случае могла бы возникнуть из-за «насосного» эффекта изменения атмосферного давления воздуха. Эти камеры имеют цилиндрический корпус из алюминия или пластика толщиной несколько миллиметров. Материал выбирается так, чтобы его атомный номер был аналогичен атомному номеру воздуха, поэтому стенка считается «эквивалентом воздуха» в диапазоне энергий пучка излучения. [1] [3] [4] Это гарантирует, что газ в камере ведет себя так, как если бы он был частью бесконечно большого объема газа, и повышает точность за счет уменьшения взаимодействия гамма-излучения с материалом стенки. Чем выше атомный номер материала стенки, тем больше вероятность взаимодействия. Толщина стенки — это компромисс между сохранением эффекта воздуха при более толстой стенке и повышением чувствительности при использовании более тонкой стенки. Эти камеры часто имеют торцевое окно, сделанное из достаточно тонкого материала, например майлара, чтобы бета-частицы могли проникать в объем газа. Гамма-излучение попадает как через торцевое окно, так и через боковые стенки. Для ручных инструментов толщина стенок делается как можно более однородной, чтобы уменьшить направленность фотонов, хотя любая реакция бета-окна, очевидно, является узконаправленной. Вентилируемые камеры чувствительны к небольшим изменениям эффективности в зависимости от давления воздуха [2] , и для очень точных измерений можно применять поправочные коэффициенты.
По конструкции они аналогичны вентилируемой камере, но герметичны и работают при атмосферном давлении или около него. Эти камеры также имеют то преимущество, что не требуют вентиляции и осушителя. Для повышения эффективности обнаружения они заполняются благородным газом , поскольку высокоэлектроотрицательный кислород в воздухе легко захватывает свободные электроны, образуя отрицательные ионы. Прочность бета-окна ограничивает допустимый перепад давления по сравнению с атмосферным, а распространенными материалами являются нержавеющая сталь или титан с типичной толщиной 25 мкм. [5]
Эффективность камеры можно дополнительно повысить за счет использования газа под высоким давлением. Обычно можно использовать давление 8-10 атмосфер и различные благородные газы. Более высокое давление приводит к большей плотности газа и, следовательно, к большей вероятности столкновения с заполняющим газом и образования ионных пар под действием падающего излучения. Из-за увеличенной толщины стенок, необходимой для выдерживания такого высокого давления, можно обнаружить только гамма-излучение. Эти детекторы используются в измерительных приборах и для мониторинга окружающей среды. [2]
Чаще всего для лучевой терапии используется цилиндрическая камера или камера «наперсток». Активный объем помещен в полость в форме наперстка с внутренней проводящей поверхностью (катодом) и центральным анодом. Напряжение смещения, приложенное к полости, собирает ионы и создает ток, который можно измерить с помощью электрометра.
Камеры с параллельными пластинами (PPIC) имеют форму небольшого диска с круглыми собирающими электродами, разделенными небольшим зазором, обычно 2 мм или меньше. Верхний диск чрезвычайно тонкий, что позволяет проводить гораздо более точные измерения приповерхностной дозы, чем это возможно с помощью цилиндрической камеры. Камеры мониторинга обычно представляют собой PPIC, которые используются для непрерывного измерения, например, интенсивности луча излучения. Например, внутри головы используются линейные ускорители для лучевой терапии . Многорезонаторные ионизационные камеры могут измерять интенсивность пучка излучения в нескольких различных областях, предоставляя информацию о симметрии и плоскостности пучка.
.jpg/1280px-Ionisation_chamber_made_by_Pierre_Curie,_c_1895-1900._(9660571297).jpg)
Ранние версии ионной камеры использовались Марией и Пьером Кюри в их оригинальной работе по изоляции радиоактивных материалов. С тех пор ионная камера широко используется в лабораториях для исследовательских и калибровочных целей.
Камера конденсатора имеет вторичную полость внутри стержня, которая действует как конденсатор . Когда этот конденсатор полностью заряжен, любая ионизация внутри наперстка противодействует этому заряду, и изменение заряда можно измерить. Они практичны только для пучков с энергией 2 МэВ или менее, а высокая утечка в стволе делает их непригодными для точной дозиметрии.
По конструкции она аналогична камере с параллельными пластинами. Верхняя пластина экстраполяционной камеры может быть опущена с помощью микрометрических винтов. Измерения можно проводить при различных расстояниях между пластинами и экстраполировать их на нулевое расстояние между пластинами, т.е. дозу без камеры.
Ионные камеры широко используются в ручных измерителях радиационной разведки для измерения бета- и гамма-излучения. Они особенно предпочтительны для измерения мощности высокой дозы, а для гамма-излучения они обеспечивают хорошую точность при энергиях выше 50–100 кэВ. [1]
Существует две основные конфигурации; «интегральный» блок с камерой и электроникой в одном корпусе и «состоящий из двух частей» прибор, в котором отдельный зонд ионной камеры прикреплен к модулю электроники гибким кабелем.
Камера встроенного прибора обычно находится в передней части корпуса и обращена вниз, а для бета-/гамма-приборов имеется окно в нижней части корпуса. Обычно он имеет скользящий экран, который позволяет различать гамма- и бета-излучение. Оператор закрывает экран, чтобы исключить бета-излучение, и таким образом может рассчитать интенсивность каждого типа излучения.
Некоторые портативные инструменты издают звуковые щелчки, аналогичные щелчкам счетчика GM, чтобы помочь операторам, которые используют звуковую обратную связь при радиационном обследовании и проверке загрязнения. Поскольку ионная камера работает в токовом, а не импульсном режиме, это синтезируется из скорости излучения.
Для измерений и блокировок промышленных процессов с устойчиво высокими уровнями радиации ионная камера является предпочтительным детектором. В этих приложениях в зоне измерения расположена только камера, а электроника расположена удаленно, чтобы защитить ее от излучения, и подключается кабелем. Установленные приборы могут использоваться для измерения гамма-излучения окружающей среды в целях защиты персонала и обычно подают сигнал тревоги с частотой выше заданной, хотя трубчатый прибор Гейгера-Мюллера обычно предпочтителен там, где не требуется высокий уровень точности.
Влага — основная проблема, влияющая на точность ионных камер. Внутренний объем камеры должен оставаться полностью сухим, и для этого в вентилируемых камерах используется осушитель. [2] Из-за очень низких генерируемых токов любой паразитный ток утечки должен быть сведен к минимуму, чтобы сохранить точность. Невидимой гигроскопической влаги на поверхности диэлектриков и разъемов кабелей может быть достаточно, чтобы вызвать ток утечки, который поглотит любой радиационно-индуцированный ионный ток. Для этого требуется тщательная очистка камеры, ее выводов и кабелей с последующей сушкой в духовке. «Защитные кольца» обычно используются в качестве конструктивной особенности трубок высокого напряжения для уменьшения утечек через или вдоль поверхности изоляторов трубных соединений, для которых может потребоваться сопротивление порядка 10 13 Ом. [6]
Для промышленного применения с удаленной электроникой ионная камера размещается в отдельном корпусе, который обеспечивает механическую защиту и содержит влагопоглотитель для удаления влаги, которая может повлиять на сопротивление оконечной нагрузки.
В установках, где камера находится на большом расстоянии от измерительной электроники, на показания может влиять внешнее электромагнитное излучение, воздействующее на кабель. Чтобы преодолеть эту проблему, часто используется локальный преобразовательный модуль для преобразования очень слабых токов ионной камеры в последовательность импульсов или сигнал данных, связанный с падающим излучением. Они невосприимчивы к электромагнитным воздействиям.
Ионизационные камеры широко используются в атомной промышленности, поскольку они обеспечивают выходную мощность, пропорциональную дозе радиации . Они находят широкое применение в ситуациях, когда измеряется постоянная высокая мощность дозы, поскольку имеют больший срок службы, чем стандартные трубки Гейгера-Мюллера, которые страдают от пробоя газа и обычно ограничены сроком службы около 10 11 событий отсчета. [1] Кроме того, трубка Гейгера-Мюллера не может работать со скоростью выше 10 4 импульсов в секунду из-за эффектов мертвого времени, тогда как для ионной камеры подобных ограничений нет.
Ионизационная камера нашла широкое и полезное применение в детекторах дыма . В детекторе дыма ионизационного типа окружающий воздух может свободно проникать в ионизационную камеру. В камере содержится небольшое количество америция-241 , который является эмиттером альфа-частиц , создающих постоянный ионный ток. Если дым попадает в детектор, он прерывает этот ток, поскольку ионы ударяются о частицы дыма и нейтрализуются. Это падение тока вызывает срабатывание сигнализации. Детектор также имеет эталонную камеру, которая герметична, но ионизируется таким же образом. Сравнение ионных токов в двух камерах позволяет компенсировать изменения, связанные с давлением воздуха, температурой или старением источника. [7]
В медицинской физике и лучевой терапии ионизационные камеры используются для обеспечения того, чтобы доза , подаваемая из терапевтического аппарата [8] или радиофармпрепарата , соответствовала назначению. Приборы, используемые для лучевой терапии, называются «эталонными дозиметрами», а устройства, используемые для радиофармацевтических препаратов, называются калибраторами дозы радиоизотопов — неточное название калибраторов радионуклидной радиоактивности , которые используются для измерения радиоактивности, а не поглощенной дозы. [9] Калибровочный коэффициент камеры будет установлен национальной лабораторией стандартов, такой как ARPANSA в Австралии или NPL в Великобритании, или будет иметь коэффициент, определяемый путем сравнения с передаточной эталонной камерой, прослеживаемой в соответствии с национальными стандартами на месте пользователя. [4] [10]
В Соединенном Королевстве HSE выпустило руководство пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для конкретного применения . [11] Здесь рассматриваются все технологии радиационных приборов и является полезным сравнительным руководством по использованию приборов с ионными камерами.
