Ионизационная камера является простейшим типом газообразного ионизационного детектора и широко используется для обнаружения и измерения многих типов ионизирующего излучения , включая рентгеновские лучи , гамма-лучи , альфа-частицы и бета-частицы . Традиционно термин «ионизационная камера» относится исключительно к тем детекторам, которые собирают все заряды, созданные прямой ионизацией в газе посредством приложения электрического поля. [1] Она использует дискретные заряды, созданные каждым взаимодействием между падающим излучением и газом, для получения выходного сигнала в виде небольшого постоянного тока . Это означает, что отдельные ионизирующие события не могут быть измерены, поэтому энергия различных типов излучения не может быть дифференцирована, но она дает очень хорошее измерение общего ионизирующего эффекта.
Он имеет хорошую равномерную реакцию 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 в полях высокой радиации без ухудшения характеристик. Они широко используются в ядерной энергетике, исследовательских лабораториях, обнаружении пожаров , радиационной защите и мониторинге окружающей среды .
Газовая ионизационная камера измеряет заряд по числу ионных пар , созданных в газе под воздействием падающего излучения. Она состоит из заполненной газом камеры с двумя электродами , известными как анод и катод . Электроды могут быть в форме параллельных пластин (Parallel Plate Ionization Chambers: PPIC) или цилиндра с коаксиально расположенным внутренним анодным проводом.
Между электродами подается потенциал напряжения для создания электрического поля в заполняющем газе. Когда атомы или молекулы газа между электродами ионизируются падающим ионизирующим излучением , создаются ионные пары , и полученные положительные ионы и диссоциированные электроны перемещаются к электродам противоположной полярности под воздействием электрического поля. Это создает ионизационный ток, который измеряется схемой электрометра в диапазоне от фемтоампер до пикоампер , в зависимости от конструкции камеры, и пропорционален дозе облучения. [1]
Электрическое поле должно быть достаточно сильным, чтобы предотвратить рекомбинацию ионных пар, которая уменьшит ионный ток, а накопление положительных ионов предотвращается их рекомбинацией с электронами, когда они достигают катода. Этот режим работы называется «токовым» режимом, что означает, что выходной сигнал представляет собой непрерывный ток, а не импульсный выход, как в случае трубки Гейгера-Мюллера или пропорционального счетчика. [1]
Обращаясь к прилагаемому графику сбора ионных пар, можно увидеть, что в рабочей области ионной камеры заряд собранной ионной пары фактически постоянен в диапазоне приложенного напряжения, поскольку из-за своей относительно низкой напряженности электрического поля ионная камера не имеет никакого эффекта умножения. Это отличается от трубки Гейгера-Мюллера или пропорционального счетчика, в котором вторичные электроны и, в конечном счете, множественные лавины значительно усиливают исходные заряды ионизации для получения измеримых импульсов. [1]
Обычно используются следующие типы камер.
Это камера, свободно открытая в атмосферу, где заполняющим газом является окружающий воздух. Бытовой дымовой извещатель является хорошим примером этого, где необходим естественный поток воздуха через камеру, чтобы частицы дыма могли быть обнаружены по изменению ионного тока. Другие примеры — это приложения, где ионы создаются вне камеры, но переносятся принудительным потоком воздуха или газа.
Эти камеры обычно цилиндрические и работают при атмосферном давлении, но для предотвращения попадания влаги в вентиляционную линию устанавливается фильтр, содержащий осушитель . [2] Это необходимо для того, чтобы остановить накопление влаги внутри камеры, которая в противном случае была бы введена эффектом «насоса» изменения давления атмосферного воздуха. Эти камеры имеют цилиндрический корпус из алюминия или пластика толщиной в несколько миллиметров. Материал выбирается так, чтобы иметь атомный номер, аналогичный номеру воздуха, так что стенка считается «эквивалентной воздуху» в диапазоне энергий пучка излучения. [1] [3] [4] Это обеспечивает то, что газ в камере действует 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 является компромиссом 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 газовый объем. Гамма-излучение проникает как через торцевое окно, так и через боковые стенки. Для ручных приборов толщина стенки делается максимально однородной, чтобы уменьшить направленность фотонов, хотя любая реакция бета-окна, очевидно, является высоконаправленной. Вентилируемые камеры подвержены небольшим изменениям эффективности в зависимости от давления воздуха [2] , и для очень точных измерений можно применять поправочные коэффициенты.
Они похожи по конструкции на вентилируемую камеру, но герметичны и работают при атмосферном давлении или около него. Эти камеры также имеют преимущество в том, что не требуют вентиляции и осушителя. Для повышения эффективности обнаружения они заполнены благородным газом, поскольку высокоэлектроотрицательный кислород в воздухе легко захватывает свободные электроны, образуя отрицательные ионы. Сила бета-окна ограничивает перепад давления от атмосферного давления, который может быть допустим, и обычными материалами являются нержавеющая сталь или титан с типичной толщиной 25 мкм. [5]
Эффективность камеры может быть дополнительно увеличена за счет использования газа высокого давления. Обычно может использоваться давление 8-10 атмосфер, и применяются различные благородные газы. Более высокое давление приводит к большей плотности газа и, следовательно, большей вероятности столкновения с заполняющим газом и создания ионных пар падающим излучением. Из-за увеличенной толщины стенки, необходимой для выдерживания этого высокого давления, может быть обнаружено только гамма-излучение. Эти детекторы используются в измерительных приборах и для мониторинга окружающей среды. [2]
Чаще всего для измерений в лучевой терапии используется цилиндрическая или «напёрстковая» камера. Активный объём размещается внутри полости в форме напёрстка с внутренней проводящей поверхностью (катодом) и центральным анодом. Напряжение смещения, приложенное к полости, собирает ионы и создаёт ток, который можно измерить с помощью электрометра.
Параллельно-пластинчатые камеры (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 дозы вблизи поверхности, чем это возможно с цилиндрической камерой. Камеры-мониторы обычно представляют собой PPIC, которые используются для непрерывного измерения, например, интенсивности пучка излучения. Например, в головке линейных ускорителей, используемых для радиотерапии . Многополостные 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 стала широко используемым инструментом в лаборатории для исследовательских и калибровочных целей.
Камера конденсатора имеет вторичную полость внутри стержня, которая действует как конденсатор . Когда этот конденсатор полностью заряжен, любая ионизация внутри напёрстка противодействует этому заряду, и изменение заряда может быть измерено. Они практичны только для пучков с энергией 2 МэВ или меньше, а высокая утечка стержня делает их непригодными для точной дозиметрии.
Аналогично конструкции камеры с параллельными пластинами, верхняя пластина экстраполяционной камеры может быть опущена с помощью микрометрических винтов. Измерения могут быть сделаны с различным расстоянием между пластинами и экстраполированы к расстоянию между пластинами, равному нулю, т. е. доза без камеры.
Ионные камеры широко используются в ручных дозиметрах для измерения бета- и гамма-излучения. Они особенно предпочтительны для измерений высокой мощности дозы, а для гамма-излучения они дают хорошую точность для энергий выше 50-100 кэВ. [1]
Существуют две основные конфигурации: «интегральный» блок с камерой и электроникой в одном корпусе и «двухкомпонентный» прибор, в котором отдельный зонд ионной камеры соединен с электронным модулем с помощью гибкого кабеля.
Камера интегрального прибора обычно находится спереди корпуса, обращенная вниз, а для бета/гамма-приборов в нижней части корпуса имеется окно. Обычно оно имеет раздвижной экран, который позволяет различать гамма- и бета-излучение. Оператор закрывает экран, чтобы исключить бета-излучение, и может таким образом рассчитать интенсивность каждого типа излучения.
Некоторые ручные приборы генерируют слышимые щелчки, похожие на те, что издает счетчик GM, чтобы помочь операторам, которые используют звуковую обратную связь при радиационном обследовании и проверках загрязнения. Поскольку ионная камера работает в режиме тока, а не импульса, это синтезируется из скорости излучения.
Для промышленных технологических измерений и блокировок с устойчиво высоким уровнем радиации предпочтительным детектором является ионная камера. В этих приложениях в зоне измерения находится только камера, а электроника располагается удаленно для защиты от радиации и подключается кабелем. Установленные приборы могут использоваться для измерения гамма-излучения окружающей среды для защиты персонала и обычно подают звуковой сигнал выше заданного значения, хотя трубка Гейгера-Мюллера обычно предпочтительнее, когда не требуется высокая точность.
Влага является основной проблемой, которая влияет на точность ионных камер. Внутренний объем камеры должен быть полностью сухим, и вентилируемый тип использует осушитель, чтобы помочь с этим. [2] Из-за очень низких генерируемых токов любой паразитный ток утечки должен быть сведен к минимуму, чтобы сохранить точность. Невидимая гигроскопическая влага на поверхности диэлектриков кабелей и разъемов может быть достаточной, чтобы вызвать ток утечки, который потопит любой радиационно-индуцированный ионный ток. Это требует тщательной очистки камеры, ее окончаний и кабелей, а также последующей сушки в печи. «Защитные кольца» обычно используются в качестве конструктивной особенности на трубках более высокого напряжения для уменьшения утечки через или вдоль поверхности изоляторов соединений трубок, что может потребовать сопротивления порядка 10 13 Ом. [6]
Для промышленных применений с удаленной электроникой ионизационная камера размещается в отдельном корпусе, который обеспечивает механическую защиту и содержит осушитель для удаления влаги, которая может повлиять на сопротивление оконечной нагрузки.
В установках, где камера находится на большом расстоянии от измерительной электроники, показания могут быть затронуты внешним электромагнитным излучением, действующим на кабель. Чтобы преодолеть это, часто используется локальный модуль преобразователя для преобразования очень низких токов ионной камеры в импульсную последовательность или сигнал данных, связанный с падающим излучением. Они невосприимчивы к электромагнитным эффектам.
Ионизационные камеры широко используются в ядерной промышленности, поскольку они обеспечивают выход, пропорциональный дозе облучения . Они находят широкое применение в ситуациях, когда измеряется постоянная высокая мощность дозы, поскольку они имеют больший срок службы, чем стандартные трубки Гейгера-Мюллера, которые страдают от пробоя газа и, как правило, ограничены сроком службы около 10 11 событий счета. [1] Кроме того, трубка Гейгера-Мюллера не может работать выше около 10 4 счетов в секунду из-за эффектов мертвого времени, тогда как для ионной камеры нет подобных ограничений.
Ионизационная камера нашла широкое и полезное применение в дымовых извещателях . В дымовом извещателе ионизационного типа окружающий воздух свободно попадает в ионизационную камеру. Камера содержит небольшое количество америция-241 , который является излучателем альфа-частиц , которые производят постоянный ионный ток. Если дым попадает в детектор, он нарушает этот ток, поскольку ионы ударяют по частицам дыма и нейтрализуются. Это падение тока вызывает срабатывание сигнализации. Детектор также имеет контрольную камеру, которая герметична, но ионизируется таким же образом. Сравнение ионных токов в двух камерах позволяет компенсировать изменения, вызванные давлением воздуха, температурой или старением источника. [7]
В медицинской физике и радиотерапии ионизационные камеры используются для обеспечения того, чтобы доза, доставленная из терапевтического устройства [8] или радиофармпрепарата, была той, что была задумана. Устройства, используемые для радиотерапии, называются «эталонными дозиметрами», в то время как те, которые используются для радиофармпрепаратов, называются радиоизотопными дозовыми калибраторами — неточное название для радионуклидных радиоактивных калибраторов , которые используются для измерения радиоактивности, но не поглощенной дозы. [9] Камера будет иметь калибровочный коэффициент, установленный национальной лабораторией стандартов, такой как ARPANSA в Австралии или NPL в Великобритании, или будет иметь коэффициент, определенный путем сравнения с камерой стандарта переноса, прослеживаемой до национальных стандартов на месте пользователя. [4] [10]
В Соединенном Королевстве HSE выпустила руководство пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для конкретного применения. [ 11] Оно охватывает все технологии радиационных приборов и является полезным сравнительным руководством по использованию приборов с ионной камерой.
