Proporcionalni brojač

Proporcionalni brojač

Proporcionalni brojač je vrsta detektorskog uređaja za gasnu jonizaciju koja se koristi za merenje čestica jonizujućeg zračenja. Ključna karakteristika je njegova sposobnost da meri energiju upadnog zračenja, tako što proizvodi izlazni impuls detektora koji je proporcionalan energiji zračenja koju detektor apsorbuje usled jonizujućeg događaja; otuda i naziv detektora. Široko se koristi tamo gde moraju biti poznati energetski nivoi upadnog zračenja, kao što je diskriminacija između alfa i beta čestica, ili tačno merenje doze rendgenskog zračenja.

Proporcionalni brojač koristi kombinaciju mehanizama Gajger-Milerove cevi i jonizacione komore, i radi u oblasti srednjeg napona između njih. Prateći dijagram prikazuje oblast radnog napona proporcionalnog brojača za koaksijalni raspored cilindara.

Način rada

Grafikon varijacije struje jonskog para u odnosu na primenjeni napon za detektor gasnog zračenja žičanog cilindra.

U proporcionalnom brojaču gas za punjenje komore je inertni gas koji je jonizovan upadnim zračenjem i gas za gašenje da bi se osiguralo da se svako impulsno pražnjenje završi; uobičajena smeša je od 90% argona, 10% metana, poznata kao P-10. Jonizujuća čestica koja ulazi u gas sudara se sa atomom inertnog gasa i jonizuje ga da bi proizvela elektron i pozitivno naelektrisan jon, opšte poznat kao "jonski par". Dok jonizujuća čestica putuje kroz komoru, ona ostavlja trag jonskih parova duž svoje putanje, čiji je broj proporcionalan energiji čestice ako je potpuno zaustavljena u gasu. Obično zaustavljena čestica od 1 MeV stvara oko 30.000 jonskih parova.

Generacija diskretnih Taunsendovih lavina u proporcionalnom brojaču.

Grafikon jačine električnog polja na anodi, koji pokazuje granicu oblasti lavine.

Geometrija komore i primenjeni napon su takvi da je u većem delu komore jačina električnog polja niska i komora deluje kao jonska komora. Međutim, polje je dovoljno jako da spreči rekombinaciju jonskih parova i izaziva pomeranje pozitivnih jona ka katodi, a elektrona ka anodi. Ovo je region "odnosa jona". U neposrednoj blizini anodne žice, jačina polja postaje dovoljno velika da proizvede Taunsendove lavine. Ova oblast lavine se javlja samo u delovima milimetra od anodne žice, koja je sama po sebi veoma malog prečnika. Svrha ovoga je da se iskoristi efekat množenja lavine koju proizvodi svaki par jona. Ovo je region "lavine".

Ključni cilj dizajna je da svaki originalni jonizujući događaj usled incidentnog zračenja proizvede samo jednu lavinu. Ovo je da se obezbedi proporcionalnost između broja originalnih događaja i ukupne struje jona. Iz tog razloga, primenjeni napon, geometrija komore i prečnik anodne žice su kritični da bi se obezbedio proporcionalan rad. Ako lavine počnu da se samoumnožavaju zbog UV fotona kao što to rade u Gajger-Mulerovoj cevi, tada brojač ulazi u oblast „ograničene proporcionalnosti“ sve dok se pri većem primenjenom naponu ne dogodi Gajgerov mehanizam pražnjenja sa potpunom jonizacijom gasnog omotača. anodna žica i posledični gubitak informacija o energiji čestica.

Stoga se može reći da proporcionalni brojač ima ključnu dizajnersku karakteristiku dva različita regiona jonizacije:

Region drifta jona: u spoljnoj zapremini komore – stvaranje broja parova jona proporcionalnih energiji upadnog zračenja.

Region lavine: u neposrednoj blizini anode – pojačanje naelektrisanja struja jonskih parova, uz održavanje lokalizovanih lavina.

Proces pojačanja punjenja u velikoj meri poboljšava odnos signal-šum detektora i smanjuje naknadno potrebno elektronsko pojačanje.

Ukratko, proporcionalni brojač je genijalna kombinacija dva mehanizma jonizacije u jednoj komori koja nalazi široku praktičnu primenu.

Gasne mešavine

Obično je detektor napunjen plemenitim gasom; imaju najniže napone jonizacije i ne razgrađuju se hemijski. Obično se koriste neon, argon, kripton ili ksenon. Rendgenski zraci niske energije najbolje se detektuju lakšim jezgrima (neon), koji su manje osetljivi na fotone veće energije. Kripton ili ksenon se biraju za rendgenske zrake veće energije ili za veću željenu efikasnost.

Često se glavni gas meša sa dodatkom za gašenje. Popularna smeša je P10 (10% metana, 90% argona).

Tipičan radni pritisak je 1 atmosfera (oko 100 kPa).

Pojačavanje signala množenjem

U slučaju cilindričnog proporcionalnog brojača, množenje, M, signala izazvanog lavinom može se modelirati na sledeći način:

$\ln M={\frac {V}{\ln(b/a)}}{\frac {\ln 2}{\Delta V_{\lambda }}}\left[\ln \left({\frac {V}{pa\ln(b/a)}}\right)-\ln K\right]$

Gde je a poluprečnik anodne žice, b poluprečnik brojača, p pritisak gasa, i V radni napon. K je svojstvo upotrebljenog gasa i povezuje energiju potrebnu za izazivanje lavine sa pritiskom gasa. Završni termin $\Delta V_{\lambda }$ daje promenu napona izazvanu lavinom.

Primena

Proporcionalni brojač je pogodan za merenje alfa čestica, prvenstveno iz dva razloga. Njegovom upotrebom u protočnom obliku izbegava se upotreba prozora. S druge strane elektronska aparatura može tako da se podesi da prima samo veće impulse prouzrokovane alfa česticama, dok beta i gama ostaju nedetektovane, što olakšava merenje alfa česticama u prisustvu ostalog zračenja.

U slučaju beta čestica, proporcionalni brojač se upotrebljava za odbrojavanje, dok kao spektrometar može da meri samo spektar nižih energija.

Za veće energije trebalo bi znatno povećati dimenzije ili pritisak što nije naročito praktično.

Kod merenja gama zračenja važno je da je proporcionalni brojač gasnog tipa što znači da ima malu efikasnost.

Situacija se poboljšava na niskom energijama, ispod 100 keV, gde upotrbom teškog gasa,kao što je ksenon, efikasnost može da dostigne 10%.

Jedna od najvažnijih primena proporcinalnog brojača je detekcija neutrona. Najčešđe se koristi nuklearna reakcija neutrona sa izotopom bora, 10V. Kad neutron upadne u jezgro 10V u stanju je da izbaci alfa česticu koja se detektuje. Bor može da se stavi ili na zidove brojača ili upotrebljava u formi gasa. U ovom drugo slučaju koji se često susreće, bor se nalazi kao hemijsko jedinjenje BF3.

Detekcija alfa, beta i gama zračenja pomoću proporcionalnog brojača

Proporcionalni brojači u obliku planarnih detektora velike površine se u velikoj meri koriste za proveru radioaktivne kontaminacije na:

• osoblju,

• ravnim površinama,
• alatima,
• odevnim predmetima.

Proporcionalni brojači se obično koriste za otkrivanje alfa i beta čestica. Oni mogu omogućiti diskriminaciju između njih obezbeđujući impulsni izlaz proporcionalan energiji svake čestice deponovane u komori. Imaju visoku efikasnost za beta, ali nižu za alfa čestic. Da bi alfa i beta čestice bile otkrivene proporcionalnim brojačima, mora im se dati tanak prozor. Ovaj „krajnji prozor“ mora biti dovoljno tanak da alfa i beta čestice mogu prodreti. Međutim, prozor skoro bilo koje debljine sprečiće alfa česticu da uđe u komoru. Prozor je obično napravljen od liskuna sa gustinom od oko 1,5 – 2,0 mg/cm² kako bi se omogućilo beta čestice niske energije (npr od ugljenika-14) za ulazak u detektor. Smanjenje efikasnosti za alfa je posledica efekta slabljenja krajnjeg prozora, iako rastojanje od površine koja se proverava takođe ima značajan uticaj. U idealnom slučaju, izvor alfa zračenja treba da bude manji od 10 mm od detektora zbog slabljenja u vazduhu.

Gama zraci imaju vrlo malo problema da prodru kroz metalne zidove komore. Zbog toga se proporcionalni brojači mogu koristiti za detekciju gama zračenja i rendgenskih zraka (tankozidne cevi) zajednički poznatih kao fotoni, a za to se koristi cev bez prozora.

Glavni nedostatak korišćenja proporcionalnih brojača u prenosivim instrumentima je taj što im je potrebno veoma stabilno napajanje i pojačalo da bi se obezbedili konstantni radni uslovi (u sredini proporcionalnog regiona). Ovo nije lako obezbediti u prenosivom instrumentu, tako da se proporcionalni brojači češće koriste u fiksnim ili laboratorijskim instrumentima.

Spoljašnje veze

Mediji vezani za članak Proporcionalni brojač na Vikimedijinoj ostavi