Ионизационные преобразователи основаны на явлениях или ионизации газа при прохождений через него ионизирующего излучения, или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения.
Если камеру, содержащую газ, подвергнуть облучению, например,
β-лучами, то между электродами, включенными в электрическую цепь (рисунок 10.1), потечет электрический ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего облучения и т. д. Эти зависимости используются для измерения различных неэлектрических величин (плотности и состава газовой среды, геометрических размеров и т. д.).
Рисунок 10.1 - Принципиальная схема ионизационного преобразователя
В качестве ионизирующих агентов для этой цели в настоящее время применяются главным образом α-, β- и γ-лучи радиоактивных веществ; значительно реже рентгеновские лучи и нейронное излучение. Для измерения степени ионизации используют ионизационные преобразователи – ионизационные камеры и ионизационные счетчики, работающие на различных участках вольт-амперной характеристики газового промежутка между двумя электродами.
На рисунке 10.2 показана зависимость тока I в камере с постоянным составом газа от приложенного напряжения U и интенсивности облучения J. На участке 1характеристики ток увеличивается прямо пропорционально напряжению, затем рост его замедляется и на участке 2 ток достигает насыщения. Это указывает на тo, что все ионы, образующиеся в камере, уносятся электрическим полем к электродам. На участке 3ионизационный ток снова начинает расти, что вызывается вторичной ионизацией при ударениях первичных электронов и ионов о нейтральные молекулы. Это увеличение тока называется газовым усилением. При дальнейшем увеличении напряжения (участок 4)ионизационный ток перестает зависеть от первоначальной ионизации, и, наконец, наступает непрерывный разряд (участок 5),который уже не зависит от воздействия радиоактивного излучения.
|
|
Рисунок 10.2 – Вольт-амперная характеристика ионизационного преобразователя
Ионизационные камеры работают на участках 1 и 2вольт-амперной характеристики, а ионизационные счетчики – на участках 3 и 4.
Кроме ионизационных камер и счетчиков в качестве ионизационных преобразователей применяют сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах – фосфорах (активированные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и т. д.) – под действием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций), которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями. Яркость этих вспышек, а, следовательно, и ток фотоумножителя определяются радиоактивным излучением.
Выбор ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.
Альфа-лучи, являющиеся ядрами атома гелия, обладают большой ионизирующей способностью, но имеют малую проникающую способность. В твердых телах α-лучи поглощаются в очень тонких слоях (единицы, десятки микрометров). Поэтому при использовании α-лучей в качестве ионизирующего агента α-излучатель необходимо помещать внутри преобразователя.
|
|
Бета-лучи представляют собой поток электронов (или позитронов), они обладают значительно меньшей ионизирующей способностью, чем α-лучи, но зато имеют более высокую проникающую способность. Длина пробега β-частиц в твердых телах достигает нескольких миллиметров. Поэтому β-излучатель может располагаться как внутри, так и вне преобразователя.
При прохождении ионизирующего излучения через среду возникает явление частичного поглощения, рассеивания, вторичного излучения, которые являются функциями свойств среды (плотность, толщина, состав и др.). В зависимости от интенсивности излучения, свойств среды составляют основы ионизирующих методов измерения неэлектрических величин. Ионизационные преобразователи предполагают использование источника и приемника ионизирующего излучения. Ионизационное излучение: a, b, g–излучение, нейтронное и рентгеновское излучение. Преобразование энергии ионизационного излучения в электрический сигнал осуществляется приемником ионизирующего излучения. Основано на явлении ионизации газа при прохождении через него излучения или на люминесценции веществ под действием излучения. В качестве приемников используют ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, полупроводниковые и термо– и фотолюминесцентные детекторы. Погрешность составляет единицы процента. Основное преимущество – бесконтактность преобразователей, их целесообразно применять в агрессивных и взрывоопасных средах, при повышенных давлениях и температурах.
На рисунке 10.3 приведена принципиальная схема применения β-лучей для измерения плотности жидкости, где 1 – источник β-излучения, 2 – камера с анализируемой жидкостью, 3 – ионизационный преобразователь. Из предыдущих положений очевидно, что ток, проходя через преобразователь, является функцией плотности жидкости.
|
|
Рисунок 10.3 – Ионизационный плотномер жидкости
Поглощение β-частиц в функции толщины слоя вещества характеризуется следующим выражением:
N = N0 ∙ e-μd,
где N – число β-частиц, прошедших слой вещества толщиной;
N0 – число β-частиц при отсутствии поглощающего вещества;
μ – коэффициент ослабления, имеющий размерность см-1.
Коэффициент ослабления:
μ = 
,
где ρ – плотность вещества;
Еm – максимальная энергия β-частиц.
Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения.
При регистрации α-частиц размеры камеры выбираются с учетом использования полного пробега α-частиц.
Камеры для регистрации β-излучения по объему больше камер для α-излучения. Часто встречаются цилиндрические камеры объемом 1…2 л. Если источник излучения располагается снаружи, то в камере должно быть предусмотрено окно, затянутое тонкой пластинкой алюминия (5…10 мкм).
Камеры для регистрации γ-излучения значительно отличаются от камер для α- и β-излучений большими размерами, большей толщиной стенок и заполняются газом под давлением.
Для регистрации отдельных частиц, а также измерения небольших γ-излучений широко применяются газоразрядные счетчики.
Устройство газоразрядного счетчика приведено на рисунке 10.4. Газоразрядный счетчик состоит из металлического цилиндра 1, внутри которого натянута тонкая вольфрамовая проволока 2(диаметром 0,02…0,1 мм). Оба эти электрода помещены в геометрический стеклянный цилиндр 3. Пространство между электродами заполняется газом при пониженном давлении.
Рисунок 10.4 – Схема газоразрядного счетчика
Газоразрядные счетчики, работающие на начальной части 3 участка вольт-амперной характеристики, называются пропорциональными счетчиками. Счетчики, работающие на участке 4, называются счетчиками Гейгера-Мюллера. В пропорциональных счетчиках импульсы тока пропорциональны энергии частиц, в счетчиках Гейгера-Мюллера они не зависят от энергии частиц.
В счетчиках Гейгера-Мюллера каждая частица излучения вызывает непрерывный разряд. Для того чтобы счетчик мог различать отдельные частицы, разряд в счетчике, вызванный одной частицей, должен прекратиться несколько раньше, чем поступит другая частица.
Для гашения разряда в счетчике применяются специальные схемы. В настоящее время распространены также самогасящиеся счетчики, в которых самогашение обеспечивается соответствующим газовым наполнением (аргон в смеси с многоатомным газом, например, парами спирта, метана, хлора и т. д.).
Основное достоинство приборов, использующих ионизирующие излучения, заключается в возможности бесконтактных измерений, т. е. измерений без непосредственного соприкосновения преобразователя с измеряемой средой. Это обстоятельство имеет очень большое значение в ряде случаев, как, например, при измерениях в агрессивных или взрывоопасных средах, а также в средах, находящихся под большим давлением или имеющих высокую температуру.
Основной недостаток этих приборов заключается в необходимости применения биологической защиты при достаточной активности источника излучения.