Gasni jonizacioni detektor

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

Gasni jonizacioni detektori se koriste u eksperimentalnoj fizici elementarnih čestica za detekciju fotona i čestica sa dovoljnom energijom da jonizuju atome ili molekule gasa i u aplikacijama za za merenje jonizujućeg zračenja u cilju zaštite.

Osnovne informacije

Porodice detektora jonizujućeg zračenja

Prolazom zračenja kroz detekcionu sredinu može doći do veoma raznovrsnih procesa. Najopštije rečeno, zračenje prolazeći kroz detekcionu sredinu troši energiju na jonizaciju i ekcitaciju atoma i molekula. Jonizacijom je jedan deo neutralnih sistema , kao što su atomi i molekuli, razdvojen u naelektrisane sisteme-jona. Energija je utrošena na dobijanje izvesne količine elektriciteta , pozitivnog i negativnog u podjednakoj količini. Pod izvesnim uslovima taj elektricitet može da se usmeri na dobijanje električnog impulsa, koji se onda pojačava,meri i registruje. Način dobijanja impulsa zavisi od prirode detekcione sredine.

Gasni jonizacioni detektori čine važnu grupu instrumenata koji se koriste za detekciju i merenje zračenja jonizujući efekat zračenja na senzor napunjen gasom. Ako čestica ima dovoljno energije da jonizuje atom ili molekul gasa, nastali elektroni i joni izazivaju strujni tok koji se može meriti.

Modeli

Današnji detektori koriste neke gasove i neke vrste čvrstih tela . Procesi u gasovima su nešto jednostavniji jer se joni slobodnije kreću nego u čvrstim telima.Otuda široka upotreba gasnih detektora koji se po načinu funkcionisanja mogu da podele u tri grupe:

• jonizacione komore,

• proporcionalne brojače,

• Gajger-Milerove brojače.

U gasne detektore zasnovane na jonizaciji , takođe spada Vilsonova komora ili maglena komora merni instrument kojim se prate tragovi jonizujućeg zračenja (alfa-čestice, beta-čestice, gama zraci, rendgenski zraci itd.), a sastoji se od komore u kojoj je prezasićena vodena para, kojoj da bi se kondenzovala nedostaju centri kondenzacije, te je za oko i kameru nevidljiva. Međutim , ona se danas ne upotrebljava za merenja zračenja niske energije kakvu emituju radioaktivni izotopi.

Svi modeli ovih detektota imaju isti osnovni dizajn, koji se sastoji od dve elektrode razdvojene vazduhom ili posebnim gasom za punjenje, ali svaki od njih koristi drugačiji metod za merenje ukupnog broja jonskih parova koji su sakupljeni. Jačina električnog polja između elektroda, vrsta i pritisak gasa za punjenje određuju odgovor detektora na jonizujuće zračenje.

Jonizacione komore

Šematski dijagram jonizacione komore, koji pokazuje drift jona. Elektroni obično lebde 1000 puta brže od pozitivnih jona zbog njihove mnogo manje mase

Najstariji gasni detektor je jonizaciona komora koja je u primitivnoj formi služila za merenje jonizacije, još pre nego što je otkrivena radioaktivnost.

U jonizacionim komorama sakupljaju se joni koje oslobodi jonizujuća čestica. Napon se obično podesi tako da je rekombinacija zanemarljiva i broj sakupljenih jona približno jednak ukupnom broju jona koje je čestica oslobodila. Sakupljanjem jona proizvodi se električni impuls koji signališe prolaz čestice i sadrži u sebi sve podatke koje možemo da dobijemo o njoj. Signal se prenosi u elektronski deo aparature koji ga dalje obrađuje i registruje.

Jonizacione komore rade pri niskoj jačini električnog polja, odabranom tako da nema umnožavanja gasa. Jonska struja se generiše stvaranjem "jonskih parova", koji se sastoje od jona i elektrona. Joni odlaze na katodu dok slobodni elektroni odlaze na anodu pod uticajem električnog polja. Ova struja je nezavisna od primenjenog napona ako uređaj radi u „području jonske komore“.

Jonske komore su poželjnije za velike brzine doze zračenja jer nemaju "mrtvo vreme"; fenomen koji utiče na tačnost Gajger-Milerove cevi pri visokim dozama.

Prednosti

Prednosti su:

• dobar ujednačen odgovor na gama zračenje
• tačno očitavanje ukupne doze,
• sposobnost da meri veoma visoke stope zračenja,
• rajni visoki nivoi zračenja ne degradiraju gas za punjenje.

Nedostaci

Nedostaci jonizacioneih komora su:

• mala izlazna snaga koja zahteva sofisticirano kolo elektrometra
• rad i tačnost na koju lako utiče vlaga.

Proporcionalni brojači

Vizuelizacija diskretnih Tovnsendovih lavina u proporcionalnom brojaču

Proporcionalni brojači rade na nešto višem naponu, odabranom tako da se generišu diskretne lavine. Svaki jonski par proizvodi jednu lavinu tako da se generiše impuls izlazne struje koji je proporcionalan energiji deponovanoj zračenjem. Ovo je u regionu „proporcionalnog brojanja“.

Termin "gas proporcionalni detektor" (GPD) se generalno koristi u radiometrijskoj praksi, a svojstvo da može da detektuje energiju čestica je posebno korisno kada se koriste ravni nizovi velike površine za detekciju i diskriminaciju alfa i beta čestica, kao što je kod instaliranog osoblja.

Žičana komora je višeelektrodni oblik proporcionalnog brojača koji se koristi kao istraživački alat.

Prednosti

Prednosti su:

• mogućnost merenja energije zračenja
• pružanja spektrografskih informacija,
• razlikovanja između alfa i beta čestica,
• mogućnost konstruisanja detektora velike površine.

Nedostaci

Nedostaci su:

• anodne žice su delikatne i mogu izgubiti efikasnost u detektorima protoka gasa zbog taloženja,
• efikasnost i rad na koje utiče ulazak kiseonika u gas za punjenje,
• merni prozori se lako oštećuju u detektorima velikih površina.

Gasni detektori sa mikro uzorkom (MPGD) su gasni detektori visoke granularnosti sa rastojanjem ispod milimetara između anodne i katodne elektrode. Glavne prednosti ovih mikroelektronskih struktura u odnosu na tradicionalne žičane komore uključuju: sposobnost brojanja, vremensku i pozicionu rezoluciju, granularnost, stabilnost i tvrdoću zračenja. Primeri MPGD-a su mikrotrakasta gasna komora, množilac gasnih elektrona i mikromega detektor.

Gajger-Milerov brojač (GM)

Vizuelizacija širenja Taunsendovih lavina pomoću UV fotona u Gajger-Milerovoj cevi

Od svih gasnih detektora, GM brojač ima najveću osetljivost i daje najveći impuls. Dovoljno je da čestica proizvede koji par jona u aktivnom volumenu pa da se dobije impuls od 0,1-1 volta. Međutim,impuls je isti za sve čestice,što znači da GM brojač ne može da radi kao spektrometar. Geiger-Milerovi brojači obično imaju cilindričnu simetriju.

GM brojač

Gajger-Milerove cevi (metalni cilinar) su primarne komponente Gajgerovih brojača. Metalni cilindar služi kao katoda kroz čiju osovinu prolazi žica od volframa ili čelika koji ne rđa, debljine 0,02-0,2 mm. On radi na još većem, odabranom naponu tako da svaki par jona stvara lavine, emisijom UV fotona koje se šire duž anodne žice, a susedni gas jonizuje se samo od jednog jona, događaj u paru. Trenutni impulsi proizvedeni jonizujućim događajima se prosleđuju elektronici za obradu koja može da izvede vizuelni prikaz brzine brojanja ili doze zračenja, a obično u slučaju ručnih instrumenata, audio uređaj proizvodi klikove.

Gajgerov brojač koji koristi cev "krajnjeg prozora" za zračenje niske penetracije. Za indikaciju se takođe koristi zvučnik

Funkcionisanje GM brojača zavisi od primenjenog napona. Pri niskom naponu brojač ne radi. Posle izvesnog povećanja napona brojač proradi. Ako se napon i dalje povećava broj impulsa naglo raste,da bi zatim pri daljoj promeni napona vrlo malo rastao. Najpogodnije je da se radi sa nopom negde u sredini srednjeg dela gde se broj impulsa malo menja, i koji se zove plato. Tad broj impulsa praktično ne zavisi od eventualnih manjih promena napona. Poželjno je da plato bude što ravniji i duži. Njegov kvalitet zavisi prvenstveno od čistoće gasne smeše. Kod komercionalnog brojača on iznosi oko 200 V ako su punjeni parom a kod halogenih je kraći i strmiji.

Efikasnost brojača u najužem smislu reči (unutrašnja efikasnost) definiše se kao verovatnoća da će čestica biti detektovana ako je dospela unutar brojača. Za naelektrisane čestice, kao što su alfa i beta, ako prođu kroz prozor, efikasnost je praktično 100%. Efikasnost za gama zrake je znatno manja. Njihova detekcija se zasniva na foto i komtonovim elektronima koje izbaci iz cilindra i gasa. Ona zavisi od njihove prirode i energje gama zraka i manja je od 2%.

Prednosti

Prednosti ovih detektora ogledaju se u tome što su:

• jeftini

• robustni

• sa velikim izborom veličina i primena,

• velikim izlaznim signalom koji se proizvodi u cevi,
• zahteva minimalnu elektronsku obradu signala za jednostavno brojanje

• može meriti ukupnu gama dozu kada se koristi cev sa kompenzacijom energije.

Nedostaci

Nedostaci ovih detektora su u tome što:

• ne mogu da meri energiju zračenja (bez spektrografskih informacija),

• ne mere visoke stope zračenja zbog mrtvog vremena,

• stalni visoki nivoi zračenja dovodi do degradacije gasa za punjenje.

Litetratura

• Blenler E. and Goldsmith J.G., Experimental nucleonics, Rinehart Company, Inc., New York, 1958
• Price J. W., Nuclear radiation detection, Mc Grow Hill, New York 1958
• Washtell S., Radiation Counters an detectors , Tower House, London 1958
• Overman T. R., Clarc M. H., Radioisotopes tehniques, Mc Grow Hill, Inc., New York 1960

Spoljašnje veze

• Gaseous Ionization Detector