Пропорциональный счетчик — это тип газоионизационного детектора, используемый для измерения частиц ионизирующего излучения . Ключевой особенностью является его способность измерять энергию падающего излучения, создавая выходной импульс детектора, пропорциональный энергии излучения, поглощенной детектором из-за ионизирующего события; отсюда и название детектора. Он широко используется там, где необходимо знать уровни энергии падающего излучения, например, при различении альфа- и бета-частиц или точном измерении дозы рентгеновского излучения .
Пропорциональный счетчик использует комбинацию механизмов трубки Гейгера-Мюллера и ионизационной камеры и работает в промежуточной области напряжения между ними. Прилагаемый график показывает область рабочего напряжения пропорционального счетчика для коаксиального цилиндрического расположения.
В пропорциональном счетчике заполняющий газ камеры — это инертный газ , который ионизируется падающим излучением, и гасящий газ, гарантирующий прекращение каждого импульсного разряда; обычная смесь — 90% аргона, 10% метана, известная как P-10. Ионизирующая частица, попадающая в газ, сталкивается с атомом инертного газа и ионизирует его, образуя электрон и положительно заряженный ион, обычно называемый «ионной парой». Когда ионизирующая частица проходит через камеру, она оставляет след из ионных пар вдоль своей траектории, число которых пропорционально энергии частицы, если она полностью остановлена в газе. Обычно остановленная частица с энергией 1 МэВ создает около 30 000 ионных пар. [1]
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 рекомбинацию ионных пар и заставить положительные ионы дрейфовать к катоду, а электроны — к аноду. Это область «ионного дрейфа». В непосредственной близости от анодной проволоки напряженность поля становится достаточно большой, чтобы вызвать лавины Таунсенда . Эта область лавины возникает всего в долях миллиметра от анодной проволоки, которая сама по себе имеет очень малый диаметр. Цель этого — использовать эффект умножения лавины, производимой каждой ионной парой. Это область «лавины».
Ключевой целью проектирования является то, что каждое исходное ионизирующее событие из-за падающего излучения производит только одну лавину. Это необходимо для обеспечения пропорциональности между числом исходных событий и общим ионным током. По этой причине приложенное напряжение, геометрия камеры и диаметр анодной проволоки имеют решающее значение для обеспечения пропорциональной работы. Если лавины начинают саморазмножаться 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 газа, окутывающего анодную проволоку, и последующей потерей информации об энергии частиц.
Таким образом, можно сказать, что ключевой конструктивной особенностью пропорционального счетчика является наличие двух отдельных областей ионизации:
Процесс усиления заряда значительно улучшает отношение сигнал/шум детектора и снижает необходимость последующего электронного усиления.
Подводя итог, можно сказать, что пропорциональный счетчик представляет собой гениальную комбинацию двух механизмов ионизации в одной камере, которая находит широкое практическое применение.
Обычно детектор заполнен благородным газом ; они имеют самые низкие напряжения ионизации и не разрушаются химически. Обычно используются неон , аргон , криптон или ксенон. Низкоэнергетические рентгеновские лучи лучше всего обнаруживаются с помощью более легких ядер (неон), которые менее чувствительны к фотонам с более высокой энергией. 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). [2]
В случае цилиндрического пропорционального счетчика умножение сигнала , M , вызванного лавиной, можно смоделировать следующим образом:
Где a — радиус анодной проволоки, b — радиус счетчика, p — давление газа, а V — рабочее напряжение. K — свойство используемого газа, связывающее энергию, необходимую для возникновения лавины, с давлением газа. Последний член дает изменение напряжения, вызванное лавиной.
Пропорциональность между энергией заряженной частицы, проходящей через камеру, и общим созданным зарядом делает пропорциональные счетчики полезными для спектроскопии заряженных частиц . Измеряя общий заряд (временной интеграл электрического тока ) между электродами, мы можем определить кинетическую энергию частицы , поскольку число 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 флуктуациям, характеризующимся стандартным отклонением, равным квадратному корню из среднего образованного числа. Однако на практике они не так велики, как можно было бы предсказать из-за эффекта эмпирического фактора Фано, который уменьшает эти флуктуации. [1] В случае аргона это экспериментально составляет около 0,2.
Пропорциональные счетчики также полезны для обнаружения высокоэнергетических фотонов , таких как гамма-лучи , при условии, что они могут проникнуть через входное окно. Они также используются для обнаружения рентгеновских лучей с энергией ниже 1 кэВ, используя тонкостенные трубки, работающие при атмосферном давлении или около него.
Пропорциональные счетчики в виде больших плоских детекторов широко используются для проверки радиоактивного загрязнения персонала, плоских поверхностей, инструментов и предметов одежды. Обычно это происходит в виде установленного оборудования из-за трудностей с поставками портативных газов для ручных устройств. Они сконструированы с большим окном обнаружения, изготовленным из металлизированного майлара , который образует одну из стенок камеры обнаружения и является частью катода. Анодный провод проложен извилистым образом внутри камеры обнаружения для оптимизации эффективности обнаружения. Обычно они используются для обнаружения альфа- и бета- частиц и могут обеспечивать их различение, обеспечивая импульсный выход, пропорциональный энергии, вложенной в камеру каждой частицей. Они имеют высокую эффективность для бета-частиц, но более низкую для альфа-частиц. Снижение эффективности для альфа-частиц обусловлено эффектом затухания входного окна, хотя расстояние от проверяемой поверхности также имеет существенное значение, 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 выше окружающего атмосферного давления. Газ может быть запечатан в камере или может непрерывно меняться, в этом случае они известны как «газопроточные пропорциональные счетчики». Газопроточные типы имеют то преимущество, что они допускают небольшие отверстия в майларовом экране, которые могут возникнуть в процессе использования, но они требуют непрерывной подачи газа.
В Соединенном Королевстве Управление по охране труда и промышленной безопасности (HSE) выпустило руководство для пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для соответствующего применения. [3] Оно охватывает все технологии измерения радиации и является полезным сравнительным руководством по использованию пропорциональных счетчиков.
![{\displaystyle \ln M={\frac {V}{\ln(b/a)}}{\frac {\ln 2}{\Delta V_{\lambda }}}\left[\ln \left({\frac {V}{pa\ln(b/a)}}\right)-\ln K\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d2f043c75c180974be4a1c0524b4309263e3b27b)
