Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ионизационной камеры является самым простым из всех детекторов излучения , заполненных газом, и широко используется для обнаружения и измерения определенных видов ионизирующего излучения ; Рентгеновские лучи , гамма-лучи и бета-частицы . Обычно термин «ионизационная камера» используется исключительно для описания тех детекторов, которые собирают все заряды, создаваемые прямой ионизацией в газе посредством приложения электрического поля. [1] Он использует только дискретные заряды, создаваемые каждым взаимодействием между падающим излучением и газом, и не включает механизмы умножения газа, используемые другими радиационными приборами, такими как счетчик Гейгера.или пропорциональный счетчик .

Ионные камеры имеют хороший равномерный отклик на излучение в широком диапазоне энергий и являются предпочтительным средством измерения высоких уровней гамма-излучения. Они широко используются в атомной энергетике, исследовательских лабораториях, радиографии, радиобиологии и мониторинге окружающей среды.

Принцип работы [ править ]

Принципиальная схема ионной камеры с параллельными пластинами, показывающая создание ионных пар и дрейф ионов под действием электрического поля. Электроны обычно дрейфуют в 1000 раз быстрее, чем положительные ионы, из-за их меньшей массы. [1]
График зависимости ионного тока от напряжения для детектора газового излучения с проволочным цилиндром. В ионной камере используется самая нижняя доступная область обнаружения.

Ионизационная камера измеряет заряд по количеству ионных пар, созданных в газе в результате падающего излучения. [nb 1] Он состоит из газонаполненной камеры с двумя электродами ; известный как анод и катод . Электроды могут иметь форму параллельных пластин (камеры ионизации с параллельными пластинами: PPIC) или цилиндрической формы с коаксиально расположенным внутренним анодным проводом.

Между электродами прикладывается потенциал напряжения для создания электрического поля в наполняющем газе. Когда газ между электродами ионизируется падающим ионизирующим излучением , создаются ионные пары , и образующиеся положительные ионы и диссоциированные электроны перемещаются к электродам противоположной полярности под действием электрического поля. Это генерирует ионизационный ток, который измеряется схемой электрометра . Электрометр должен быть способен измерять очень малый выходной ток, который находится в диапазоне от фемтоампер до пикоампер , в зависимости от конструкции камеры, дозы облучения и приложенного напряжения.

Каждая созданная ионная пара откладывает или удаляет небольшой электрический заряд на электрод или с электрода, так что накопленный заряд пропорционален количеству созданных ионных пар и, следовательно, дозе излучения. Это непрерывное генерирование заряда создает ионизационный ток, который является мерой общей ионизирующей дозы, поступающей в камеру.

Электрическое поле достаточно велико, чтобы устройство могло работать непрерывно, уничтожая все ионные пары, предотвращая рекомбинацию ионных пар, которая уменьшала бы ионный ток. Этот режим работы называется «текущим», что означает, что выходной сигнал представляет собой непрерывный ток, а не импульсный выход, как в случае трубки Гейгера – Мюллера или пропорционального счетчика. [1] Поскольку количество образованных ионных пар пропорционально энергии падающего излучения, этот непрерывно измеряемый ток пропорционален мощности дозы (энергия, выделяемая в единицу времени) в ионизационной камере.

Обращаясь к прилагаемому графику сбора ионной пары, 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 имеют эффекта умножения. В этом отличие от трубки Гейгера-Мюллера или пропорционального счетчика, посредством которого вторичные электроны и, в конечном итоге, множественные лавины значительно усиливают первоначальный заряд ионного тока.

Типы и конструкция камер [ править ]

Обычно используются следующие типы камер.

Воздушная камера [ править ]

Это камера, свободно открытая в атмосферу, где наполняющим газом является окружающий воздух. Домашний дымовой извещатель является хорошим примером этого, где необходим естественный поток воздуха через камеру, чтобы частицы дыма могли быть обнаружены по изменению ионного тока. Другими примерами являются приложения, в которых ионы создаются вне камеры, но переносятся принудительным потоком воздуха или газа.

Давление в камере [ править ]

Вентилируемая камера [ править ]

Эти камеры обычно имеют цилиндрическую форму и работают при атмосферном давлении, но для предотвращения попадания влаги в вентиляционную линию устанавливается фильтр, содержащий осушитель . [2] Это сделано для предотвращения накопления влаги внутри камеры, которая в противном случае была бы вызвана эффектом «насоса» при изменении атмосферного давления воздуха. Эти камеры имеют цилиндрический корпус из алюминия или пластика толщиной несколько миллиметров. Материал выбирается так, чтобы его атомный номер был аналогичен номеру воздуха, так что стенка считается «воздушным эквивалентом» в диапазоне энергий пучка излучения. [1] [3] [4]Это обеспечивает эффект того, 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 стенок. Чем выше атомный номер материала стенки, тем больше вероятность взаимодействия. Толщина стенки - это компромисс между сохранением воздушного эффекта при более толстой стене и повышением чувствительности за счет использования более тонкой стенки. Эти камеры часто имеют торцевое окно, сделанное из достаточно тонкого материала, такого как майлар, так что бета-частицыможет войти в объем газа. Гамма-излучение проникает как через торцевое окно, так и через боковые стенки. Для портативных приборов толщина стенок сделана как можно более однородной, чтобы уменьшить направленность фотонов, хотя любой отклик бета-окна, очевидно, является сильно направленным. Вентилируемые камеры чувствительны к небольшим изменениям эффективности при изменении давления воздуха [2], и поправочные коэффициенты могут применяться для очень точных измерений.

Герметичная камера низкого давления [ править ]

По конструкции они аналогичны вентилируемой камере, но герметичны и работают при атмосферном давлении или около него. Они содержат специальный наполняющий газ для повышения эффективности обнаружения, поскольку свободные электроны легко захватываются в заполненных воздухом вентилируемых камерах нейтральным кислородом, который является электроотрицательным , с образованием отрицательных ионов. Эти камеры также имеют то преимущество, что не требуют вентиляции и осушителя. Окно на бета-конце ограничивает допустимый перепад давления от атмосферного, и обычно используются нержавеющая сталь или титан с типичной толщиной 25 мкм. [5]

Камера высокого давления [ править ]

Эффективность камеры можно еще больше повысить за счет использования газа под высоким давлением. Обычно можно использовать давление 8-10 атмосфер и использовать различные благородные газы. Более высокое давление приводит к большей плотности газа и, следовательно, к большей вероятности столкновения с наполняющим газом и созданию ионной пары падающим излучением. Из-за увеличенной толщины стенок, необходимой для выдерживания этого высокого давления, может быть обнаружено только гамма-излучение. Эти детекторы используются в измерительных приборах и для мониторинга окружающей среды. [2]

Форма камеры [ править ]

Наперсточная камера [ править ]

Чаще всего для измерений в 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 резонатору, собирает ионы и создает ток, который можно измерить электрометром.

Параллельно-пластинчатые камеры [ править ]

Камеры с параллельными пластинами имеют форму небольшого диска с круглыми собирающими электродами, разделенными небольшим зазором, обычно 2 мм или меньше. Верхний диск очень тонкий, что позволяет проводить гораздо более точные измерения приповерхностной дозы, чем это возможно с цилиндрической камерой.

Камеры монитора [ править ]

Камеры монитора обычно представляют собой ионные камеры с параллельными пластинами, которые помещаются в пучки излучения для непрерывного измерения интенсивности пучка. Например, в головке линейных ускорителей, используемых для лучевой терапии , ионизационные камеры с несколькими полостями могут измерять интенсивность луча излучения в нескольких различных областях, обеспечивая информацию о симметрии и плоскостности луча.

Камеры исследования и калибровки [ править ]

Ионизационная камера Пьера Кюри, 1895-1900 гг.

Ранние версии ионной камеры использовались Мари 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. Для этого были разработаны и использованы самые разные формы камер, в некоторых из которых в качестве ионизированной среды используются жидкости. [6] Ионные камеры используются национальными лабораториями для калибровки первичных стандартов, а также для передачи этих стандартов в другие калибровочные центры.

Исторические палаты [ править ]

Конденсаторная камера [ править ]

Камера конденсатора имеет в штоке вторичную полость, которая действует как конденсатор . Когда этот конденсатор полностью заряжен, любая ионизация внутри гильзы противодействует этому заряду, и изменение заряда можно измерить. Они применимы только для пучков с энергией 2 МэВ или меньше, а высокая утечка через стержень делает их непригодными для точной дозиметрии.

Камера экстраполяции [ править ]

Подобно конструкции камеры с параллельными пластинами, верхняя пластина камеры экстраполяции может быть опущена с помощью микрометрических винтов. Измерения можно проводить с различным расстоянием между пластинами и экстраполировать на расстояние между пластинами, равное нулю, то есть дозу без камеры.

Типы инструментов [ править ]

Ручной [ править ]

Переносной измерительный прибор со встроенной ионной камерой в использовании
Вид скользящего бета-экрана на встроенном портативном приборе

Ионные камеры широко используются в портативных измерителях радиационного контроля 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]

Есть две основные конфигурации; «интегральный» блок с камерой и электроникой в ​​одном корпусе и «двухкомпонентный» прибор, который имеет отдельный зонд с ионной камерой, прикрепленный к электронному модулю гибким кабелем.

Камера встроенного прибора обычно находится в передней части корпуса, обращенной 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 ручные инструменты генерируют звуковые щелчки, подобные тем, которые производятся счетчиком GM, чтобы помочь операторам, которые используют звуковую обратную связь при обследовании радиации и проверках загрязнения. Поскольку ионная камера работает в токовом режиме, а не в импульсном, это синтезируется из мощности излучения.

Установлено [ редактировать ]

Ионная камера является предпочтительным детектором для промышленных измерений и блокировок с устойчиво высокими уровнями излучения. В этих приложениях только камера расположена в зоне измерения, а электроника расположена удаленно для защиты от излучения и соединена кабелем. Установленные приборы можно использовать для измерения гаммы окружающей среды для защиты персонала и, как правило, подавать сигнал тревоги выше заданного значения, хотя трубчатый прибор Гейгера – Мюллера обычно предпочтителен там, где не требуется высокий уровень точности.

Общие меры предосторожности при использовании [ править ]

Влага - основная проблема, влияющая на точность работы ионных камер. Внутренний объем камеры должен быть полностью сухим, и вентилируемый тип использует осушитель, чтобы помочь в этом. [2] Из-за очень малых генерируемых токов любой паразитный ток утечки должен быть сведен к минимуму для сохранения точности. Невидимая гигроскопическая влага на поверхности кабельных диэлектриков и разъемов может быть достаточной, чтобы вызвать ток утечки, который поглотит любой ионный ток, индуцированный излучением. Это требует тщательной очистки камеры, ее выводов и кабелей и последующей сушки в печи. «Защитные кольца» обычно используются в качестве конструктивного элемента на трубках высокого напряжения для уменьшения утечки через или вдоль поверхности изоляторов для соединения трубок, для которых может потребоваться сопротивление порядка 10.13  Ом. [7]

Для промышленных применений с удаленной электроникой ионная камера размещается в отдельном корпусе, который обеспечивает механическую защиту и содержит влагопоглотитель для удаления влаги, которая может повлиять на оконечное сопротивление.

В установках, где камера находится на большом расстоянии от измерительной электроники, на показания может влиять внешнее электромагнитное излучение, воздействующее на кабель. Для преодоления этого часто используется модуль локального преобразователя для преобразования очень низких токов ионной камеры в последовательность импульсов или сигнал данных, связанный с падающим излучением. Они невосприимчивы к электромагнитным воздействиям.

Приложения [ править ]

Атомная промышленность [ править ]

Ионизационные камеры широко используются в ядерной промышленности, поскольку они обеспечивают выходную мощность, пропорциональную 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 газового пробоя и обычно ограничиваются сроком службы около 10 11 событий. [1] Кроме того, трубка Гейгера-Мюллера не может работать с частотой выше 10 4 отсчетов в секунду из-за эффектов мертвого времени, тогда как для ионной камеры нет аналогичных ограничений.

Детекторы дыма [ править ]

Ионизационная камера нашла широкое и полезное применение в детекторах дыма . В дымовом извещателе ионизационного типа окружающий воздух может беспрепятственно попадать 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 прерывает этот ток, поскольку ионы ударяются о частицы дыма и нейтрализуются. Это падение тока вызывает тревогу. 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.

Измерение медицинского излучения [ править ]

Схема калибратора доз ядерной медицины или калибратора радионуклидов, в котором используется ионизационная камера. Ковш используется для получения воспроизводимого положения источника.

В медицинской физике и радиотерапии ионизационные камеры используются для обеспечения того, чтобы доза, полученная от терапевтического блока [8] или радиофармпрепарата , соответствовала назначению. Устройства, используемые для лучевой терапии, называются «эталонными дозиметрами», а устройства, используемые для радиофармпрепаратов, называются калибраторами дозы радиоизотопов - неточное название калибраторов радиоактивности радионуклидов , которые используются для измерения радиоактивности, но не поглощенной дозы. [9] У камеры будет калибровочный коэффициент, установленный национальной лабораторией стандартов, такой как ARPANSA в Австралии или NPL.в Великобритании, или будет иметь коэффициент, определяемый путем сравнения с камерой для переноса эталонов, соответствующей национальным стандартам на объекте пользователя. [4] [10]

Руководство по использованию приложения [ править ]

В Соединенном Королевстве HSE выпустило инструкцию по выбору правильного инструмента измерения излучения для конкретного применения заинтересованного. [11] Он охватывает все технологии радиационных приборов и представляет собой полезное сравнительное руководство по использованию приборов с ионной камерой.

См. Также [ править ]

  • Поглощенная доза
  • Теория полости Брэгга – Грея
  • Дозиметрия
  • Камера Зиверта
  • Тормозная способность (излучение частиц)

Заметки [ править ]

  1. ^ Среда, рассматриваемая в этой статье, является газообразной, но может быть жидкой или твердой.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е Knoll, Glenn F (1999). Обнаружение и измерение радиации (3-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN 978-0-471-07338-3.
  2. ^ a b c d Ионные камеры - журнал RSO Vol.8 № 5, Paul R Steinmeyer. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 15 сентября 2012 года . Проверено 18 августа 2013 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  3. ^ Секо, Жоао; Класи, Бен; Партридж, Майк (21 октября 2014 г.). «Обзор характеристик радиационных детекторов для дозиметрии и визуализации» . Физика в медицине и биологии . 59 (20): R303 – R347. Bibcode : 2014PMB .... 59R.303S . DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 59/20 / R303 . PMID 25229250 . 
  4. ^ а б Хилл, Робин; Хили, Брендан; Холлоуэй, Лоис; Кунчич, Зденка; Твэйтс, Дэвид; Бэлдок, Клайв (21 марта 2014 г.). «Достижения в дозиметрии киловольтного рентгеновского излучения». Физика в медицине и биологии . 59 (6): R183 – R231. Bibcode : 2014PMB .... 59R.183H . DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 59/6 / R183 . PMID 24584183 . 
  5. ^ Листы спецификаций ионной камеры LND. Архивировано 2 ноября 2012 г. на Wayback Machine.
  6. ^ «Ионизационные камеры» . Собрание исторической аппаратуры физики здоровья . Ассоциированные университеты Ок-Ридж . Проверено 16 апреля 2017 года .
  7. ^ Тейлор, Д .; Шарп, Дж. (Апрель 1951 г.). «Детекторы ядерных частиц и излучения. Часть 1: Ионные камеры и ионно-камерные приборы». Труды ИЭЭ - Часть II: Энергетика . 98 (62): 174–190. DOI : 10,1049 / пи-2.1951.0058 .
  8. ^ Хилл, R; Мо, Z; Хак, М; Бэлдок, С. (2009). «Оценка ионизационных камер для относительной дозиметрии киловольтных рентгеновских лучей». Медицинская физика . 36 (9Part1): 3971–3981. Bibcode : 2009MedPh..36.3971H . DOI : 10.1118 / 1.3183820 . PMID 19810470 . 
  9. ^ Mo, L .; Рейнхард, Мичиган; Дэвис, JB; Алексиев, Д .; Бэлдок, К. (апрель 2006 г.). «Калибровка калибратора дозы Capintec CRC-712M для 18F». Прикладное излучение и изотопы . 64 (4): 485–489. DOI : 10.1016 / j.apradiso.2005.09.006 . PMID 16293417 . 
  10. ^ Секо, Жоао; Класи, Бен; Партридж, Майк (октябрь 2014 г.). «Обзор характеристик радиационных детекторов для дозиметрии и визуализации». Физика в медицине и биологии . 59 (20): R303 – R347. Bibcode : 2014PMB .... 59R.303S . DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 59/20 / R303 . PMID 25229250 . 
  11. ^ «Выбор, использование и обслуживание портативных инструментов мониторинга» (PDF) . Руководитель по охране труда и технике безопасности . 2001 г.