Недавняя статья про опарафиненный детектор нейтронов побудила меня поднять старую тему и написать еще парочку статей на тему радиации. А именно — про детекторы ионизирующих излучений.
Начну я с газоразрядных детекторов. Собственно, в вышеуказанной статье газоразрядный детектор и применен, причем не самый обычный. Но увы, никаких подробностей о его использовании или даже принципах действия мы не увидели, так что пробел этот нужно исправлять.
Ионизация и ионизационная камера
Еще первые опыты Рентгена, Беккереля, четы Кюри и других пионеров исследования рентгеновских лучей и излучения, испускаемого радиоактивными веществами, показали, что эти лучи способны генерировать свободные ионы в воздухе, через которые проходят. Проявлялось это в том, что воздух приобретал электропроводность, разряжая электростатически заряженные тела, что можно было легко обнаружить с помощью простейшего электроскопа. Электроскопы и электрометры стали первыми "дозиметрами" радиоактивных излучений. Опыты показали пропорциональность числа сгенерированных излучением ионных пар поглощенной воздухом энергии, что привело к появлению такого понятия, как экспозиционная доза, определяемая через число ионных пар, рожденных в воздухе при облучении.
Ионизационная камера в принципе проста. Это просто объем, заполненный каким-нибудь газом при каком-нибудь давлении, в который помещены какие-нибудь два электрода. Один электрод находится под положительным потенциалом и собирает отрицательные ионы, другой — наоборот. Заряд, прошедший через камеру, пропорционален дозе, а ток — мощности дозы. Геометрия ионизационной камеры (рис. 1), то есть форма ее электродов и их взаимное расположение могут быть различными, но обычно это или плоская (две пластины с зазором между ними), или коаксиальная (один электрод представляет собой трубу, а другой — цилиндр или проволока, помещенная внутри первого электрода соосно с ним). Заполнена камера может быть самыми различными газами в зависимости от поставленной задачи. Это может быть воздух при атмосферном давлении, если нужно измерять экспозиционную дозу, тяжелые газы, если нужно повысить чувствительность к высоким энергиям, трехфтористый бор или гелий-3, когда стоит задача детектирования нейтронных потоков (бор-10 и гелий-3 легко вступают в реакции с нейтронами, продукты которых вызывают ионизацию). Давление газа тоже выбирают исходя из условий эксперимента: его увеличение способствует повышению эффективности поглощения излучения, но с его ростом снижается вероятность того, что ионы не завязнут в газе и не рекомбинируют по пути, а дойдут до электродов.
Рис.1. Плоская и коаксиальная ионизационные камеры.
Ток, проходящий через ионизационную камеру, очень мал. Допустим, мощность экспозиционной дозы равна 1 Р/ч. Это много. Но по определению единицы рентгена за час будет рождаться лишь 2,082⋅109 пар ионов в кубическом сантиметре, каждая из которых заберет электрон с катода и отдаст на анод, если камера будет достаточно велика, чтобы воздух поглотил все излучение. То есть ток в цепи камеры объемом 1 см3 будет составлять 9,3⋅10-14 А! А при уровнях, соответствующих естественному радиационному фону этот ток будет ниже еще в сто тысяч раз.
Существуют два способа измерить такой ток. Первый — это зарядить ионизационную камеру и отключить от нее все, кроме чувствительного электрометра с бесконечным входным сопротивлением. Измерив скорость падения напряжения (или перепад напряжения до и после облучения) и зная суммарную емкость ионизационной камеры и электрометра, можно определить дозу или ее мощность. Такую аппаратуру использовали Беккерель и супруги Кюри, и так устроены карманные дозиметры-накопители карандашного типа. Однако чаще нужно знать интенсивность излучения, поэтому поступают по-другому: включают в цепь ионизационной камеры очень высокоомное сопротивление, типичное сопротивление которого выбирают около 100 ГОм. Тогда падение напряжения на этом резисторе при мощности дозы 1 Р/ч составит 9,3 мВ и это значение вполне можно измерить. Правда, чтобы это удалось, входное сопротивление вольтметра должно измеряться тераомами! Раньше основой такого вольтметра почти всегда являлась специальная электрометрическая лампа со всеми вытекающими чудесами типа анодного напряжения в несколько вольт. Смысл последнего — в том, чтобы не происходила ионизация остаточных газов
Рис. 2. Включение электрометрической лампы (из кн.: Шумиловский Н.Н., Стаховский Р.И. Масс-спектральные методы. М.: Энергия. 1966.)
Лучшие электрометрические лампы могут иметь входные (сеточные) токи на уровне 0,1 фА, что эквивалентно мощности дозы ~1,2 мР/ч и, не требуя для питания высоких напряжений и большого тока накала, хорошо вписываются в полупроводниковую электронику. Однако они очень чувствительны к внешним воздействиям и не особо долговечны. Альтернативой им является применение специальных полевых транзисторов с ультрамалыми утечками затвора (в отечественной практике для этого чаще всего брали отобранные экземпляры КП304А). Современная элементная база для измерения фемтоамперных токов — это специальные операционные усилители, такие, как ADA4530-1. Всего за 15 американских долларов мы легко и непринужденно получаем входной ток около 1 фА. Такие ОУ обычно включают в схеме трансимпедансного усилителя, то есть огромное сопротивление R включают в цепь обратной связи (рис.3)
Чтобы входной ток на уровне 1 фА был реальностью, схему можно монтировать только навесным монтажом или на плате из специального диэлектрика, тщательно соблюдая рекомендации производителя. Ориентироваться при этом имеет смысл на разводку оценочной платы ADA4530-1R-EBZ-TIA со всеми ее защитными кольцами и экранами. Разумеется, усилитель лучше расположить прямо внутри корпуса-экрана ионизационной камеры.
Применимы также схемы электрометрических усилителей на дискретных элементах, вплоть до простейших почти что однотранзисторных схем наподобие тех, что применяются в пожарных извещателях. Применение последних, впрочем, ограничено целями индикации наличия излучения. Так, известна "полониевая ручка", обнаруживающая источники альфа-излучения и рекомендуемая автором публикации всем шпионам и дипломатам. Разумеется, это шутка, но конструкция вполне работоспособна и реагирует, например, на америциевый источник из дымоизвещателя. Кажется невозможным, чтобы она работала, потому что схема усилителя (выходной сигнал которого зажигает светодиод) выполнена на двух составных биполярных транзисторах. Но она, как ни странно, работает, я проверял.
Обычно ионизационные камеры работают в токовом режиме. То есть не делается попыток различить сигналы от отдельных частиц, пересекающих объем камеры. В случае слабоионизирующих частиц это почти невозможно из-за их малости. Импульсные ионизационные камеры используют обычно для регистрации альфа-излучения и высокоэнергетических частиц из космических лучей и ускорителей.
Газовое усиление и пропорциональные счетчики
Для работы ионизационной камеры на нее подают некоторое напряжение: такое, чтобы ионы были достаточно быстро разделены электрическим полем и собраны катодом и анодом. Как будет зависеть ионизационный ток от этого напряжения?
При нулевой разности потенциалов тока не будет. Возникшие ионы и электроны через некоторое время в процессе неупорядоченного теплового движения встречают ионы противоположного знака и рекомбинируют. С ростом разности потенциалов все больше ионов будет успевать осесть на электродах, и ионизационная камера в целом ведет себя в соответствии с законом Ома. Но при достаточно большом напряжении пропорциональность нарушается, так как значительная часть ионов уже собрана электродами. При дальнейшем росте разности потенциалов мы выходим на плато: ток уже не растет.
Но до бесконечности плато продолжаться не может. В какой-то момент начинается самое интересное: ток снова начинает расти. И вот почему: ионы и электроны в электрическом поле ускоряются настолько, что, столкнувшись с нейтральными молекулами, ионизируют и их. В газе появляются дополнительные ионы и электроны, которые включаются в общий ток, и чем больше разность потенциалов, тем этот вклад становится большим.
При достаточно большой разности потенциалов мы можем наблюдать ионные лавины: первичный ион, столкнувшись с несколькими атомами, рождает дополнительные ионы, которые также генерируют еще несколько пар. Таким образом, единичная ионная пара, рожденный радиоактивным излучением, сам в свою очередь рождает множество носителей заряда и ток в цепи, зависящий от интенсивности излучения, оказывается значительно большим по сравнению с током насыщения на плато. Коэффициент такого самоусиления тока (газового усиления) может достигать тысяч и десятков тысяч.
При дальнейшем увеличении напряжения ток растет еще больше, но перестает зависеть от излучения. Возникает самостоятельный разряд: лавины нарастают неограниченно, порождают вторичные лавины, все это излучает жесткий ультрафиолет, который вместе с бомбардировкой электродов ионами производит с них эмиссию электронов и положительных ионов, и дополнительные ионы от радиоактивности уже не играют никакой роли.
Таким образом, выбрав подходящее напряжение, мы можем сильно облегчить задачу измерения ничтожно малых ионизационных токов. И главное — когда каждый ион рождает 1000-10000 вторичных ионов, а каждый квант излучения может породить несколько сотен или тысяч ионов, становятся хорошо различимыми и измеримыми токи от отдельных частиц. Причем амплитуда этих импульсов оказывается пропорциональной количеству первичных ионов, а значит — энергии частицы (более правильно -- энергии, оставленной частицей в детекторе), что позволяет эту энергию определять, регистрировать энергетический спектр частиц. Однако ценой этого становится очень высокая чувствительность камеры к составу, температуре и давлению газовой среды внутри нее, напряжению, геометрии электродов.
Наиболее оптимальная конструкция пропорционального счетчика, при которой размножение ионов приобретает характер управляемого процесса — это коаксиальная конструкция, в которой анодом является тонкая (сотые доли миллиметра) проволока, натянутая по оси цилиндрического катода. В таком случае ударная ионизация молекул газа происходит лишь рядом с анодом, в области большой, до 40 кВ/см, напряженности электрического поля, никогда не захватывая всего пространства между катодом и анодом. Большое пространство, в котором напряженность поля недостаточна для развития лавин и происходит только дрейф положительных ионов к катоду, предотвращает развитие "зачатков" самостоятельного разряда — стримеров. Дополнительно их образование подавляют, вводя в газовую смесь многоатомные органические молекулы (метан, пропан и т.п.), которые являются "ловушками" для стримера, создавая на пути его головы своего рода дымовую завесу, поглощающую жесткое УФ-излучение, испускаемое ею и играющее существенную роль в распространении стримера и последующем возникновении самостоятельного разряда.
Типовое применение пропорционального счетчика — это спектрометрия мягкого рентгеновского излучения с энергией ниже 20 кэВ, в частности — для рентгенофлюоресцентного анализа. При такой энергии бессильны сцинтилляционные детекторы, способные только посчитать частицы, но не определить их энергию, а полупроводниковые до сих пор дороги и требуют для хорошего энергетического разрешения глубокого охлаждения. Для доступа рентгеновского излучения в них делают бериллиевое или майларовое окно (рис.5). Зачастую их делают в проточном исполнении, так как газовая смесь при работе постепенно теряет свои свойства из-за разложения органической добавки. Применяются газовые смеси водород-метан, аргон-метан, ксенон-метан и другие.
Другое распространенное применение пропорциональных счетчиков, которое скорее может встретиться в радиолюбительской практике — это счет нейтронов. Счетчики нейтронов обычно заполняют гелием-3 с небольшой добавкой инертных газов под довольно высоким (2-4 атм) давлением, ядро которого, вступив в реакцию с медленным нейтроном, превращается в разлетающиеся в разные стороны протон и ядро трития. Суммарная их энергия составляет 764 кэВ, и они оставляют по пути пролета в газе множество ионов, давая импульсы, резко отличающиеся по амплитуде от фоновых, вызванных гамма-излучением (рис. 6, узкий пик справа, соответствующий полному поглощению частиц газом). Пропорциональные детекторы нейтронов могут также быть заполнены газообразным трифторидом бора, но чаще всего их используют в другом режиме -- в режиме постоянного коронного разряда.
Напряжение питания пропорциональных счетчиков обычно составляет 1000..3000 В и для целей спектрометрии должно выдерживаться с высочайшей точностью. Для нейтронных счетчиков такая точность не нужна, но все же следует учитывать, что выраженного плато такие счетчики не имеют. Амплитуда импульсов невелика, единицы милливольт. Тут очень важно подобрать оптимальное время формирования импульса. Сам импульс тока довольно короткий — примерно 0,6 мкс. Импульс этот заряжает емкость счетчика и монтажа, а также входную емкость пересчетного устройства, формируя фронт импульса напряжения. Спад же возникает в процессе разряда этой емкости на нагрузку. Постоянную времени этого спада выбирают из следующих соображений: если она будет около 0,5 мкс, амплитуда импульсов от нейтронов окажется слишком низкой, и вместе с тем низкоамплитудные импульсы от гамма-фона будут сильнее мешать регистрации. С ростом времени формирования последние как бы размазываются и сливаются друг с другом, и импульсы от нейтронов становятся более выраженными. При слишком большом времени напротив, уже импульсы от нейтронов "размазываются". В большинстве случаев время формирования выбирают в районе 3-5 мкс.
Счетчик Гейгера-Мюллера
В счетчик Гейгера-Мюллера пропорциональный счетчик превращается, если повысить напряжение между его электродами. С ростом напряжения растет и коэффициент газового усиления. Но до бесконечности он расти не может. В какой-то момент лавина, несмотря на неоднородность поля, превращается в стример. Канал стримера является проводящей средой и в его вершине высокая напряженность поля, и растущий стример несет эту область впереди себя, пробивая себе путь. Достигнув катода, стример соединяет катод и анод проводящим ионизированным каналом и возникает самостоятельный разряд. Так единственная частица переводит детектор из непроводящего состояния в проводящее и вывести из него может только снятие напряжения на время, достаточное для рекомбинации заряженных частиц внутри счетчика. Сделать это можно, например, включив в цепь счетчика очень большое сопротивление: при возникновении разряда емкость, образованная электродами счетчика разряжается и напряжение падает вплоть до погасания разряда, а после этого емкость счетчика заряжается вновь и он снова готов к регистрации следующей частицы. Правда, мертвое время -- время, в течение которого счетчик заряжается и нечувствителен пока — слишком велико, оно может достигать миллисекунд! Что делать? Варианта два: либо, снизив сопротивление в цепи анода до разумного, при котором мертвое время приемлемо, подключить внешнюю схему, которая, зафиксировав фронт импульса, обрывает разряд, закоротив счетчик, и, выждав несколько микросекунд до деионизации, снимает закоротку (рис. 8). Либо изобрести самогасящийся счетчик.
Рис. 8. Схема принудительного гашения разряда в счетчике Гейгера.
Как сделать счетчик самогасящимся? Помните, когда шла речь о пропорциональном счетчике, я говорил о добавке органического газа? Это работает и в счетчике Гейгера. Если внутри счетчика будет компонент, который под действием разряда сделает среду между катодом и анодом непрозрачной, разряд погаснет, так как исчезнет один из факторов его поддержания —фотоэлектронная эмиссия из катода. Обычно в газовое наполнение счетчиков Гейгера вводят или спирт, или галогены — бром и йод. Спирт используют в высоковольтных счетчиках, он обеспечивает поддержание обширного плато с малым наклоном, но активно расходуется при каждом импульсе, так что ресурс таких детекторов невелик, не более нескольких десятков миллионов импульсов. Чаще встречаются галогеновые счетчики с рабочим напряжением 400-900 В. Галогены превращаются в непрозрачную среду из-за диссоциации молекул на атомы, которые немедленно воссоединяются, так что гасящая присадка в галогеновых счетчиках не расходуется. Однако из-за химической активности все же происходит постепенная ее потеря из-за реакции с электродами. Так что и у этих детекторов ресурс не бесконечен, но он составляет миллиарды импульсов.
Применение самогасящего счетчика Гейгера предельно просто. Подать +400 вольт на анод через сопротивление в несколько МОм и снимать импульсы с катода, включив между ним и землей нагрузочное сопротивление. Или с анода — через разделительный конденсатор. Амплитуда импульсов тут не милливольты, а вольты и десятки вольт, а зависимость чувствительности счетчика от напряжения имеет хорошо выраженное плато протяженностью 80-100 В. Но увы: ни амплитуда, ни форма импульсов абсолютно не несут никакой информации ни о природе частиц, ни о их энергии. Существуют, впрочем, некоторые ухищрения. Например, если поставить один за другим два плоских (типа Pancake) счетчика, можно одновременно регистрировать бета- и гамма-излучение, разделяя их на два канала. А сделав катод счетчика из меди, а окно — из никеля, мы получим счетчик, очень чувствительный к излучению характеристической линии CuKα и почти не видящий остального рентгеновского излучения в ее окрестностях.
А как вы думаете, для регистрации какого излучения предназначен вот этот счетчик Гейгера-Мюллера (рис.9)?
Это детектор ультрафиолетового излучения. Причем — солнечно-слепой. Его чувствительность к естественному и искусственному освещению практически равна нулю. Зато пламя свечи он обнаруживает на расстоянии в 2-3 метра при засветке прямым солнечным светом. Используется в качестве датчика пламени. Кстати, он несамогасящийся (схема гашения, приведенная выше — именно для этого счетчика).
На этом я завершаю разговор о счетчике Гейгера-Мюллера, потому что писал об этом несколько лет назад в этой статье. И лишь для перехода к следующей главе спрошу читателя: а что будет, если напряжение на счетчике Гейгера повысить еще больше? И отвечу на него: счетчик "загорится". Гасящая присадка уже не сможет прекращать разряд и он станет непрерывным. В этом режиме счетчик полностью теряет всякую чувствительность к излучению.
Коронные счетчики
Но так будет только при низком давлении газа, при котором наблюдается тлеющий разряд. Если поднять давление до атмосферного, характер разряда меняется и в определенном диапазоне напряжений наблюдается коронный разряд. При нем анод "обрастает шубой" из электронно-ионных лавин, которые обрываются, не достигая катода. И в этом режиме, в отличие от режима тлеющего разряда, разряд оказывается чувствителен к сильно ионизирующим частицам.
Механизм этой чувствительности такой: частица оставляет в газе своего рода след — канал из ионизированного газа. В отсутствии внешней ионизации лавина, возникнув на аноде в области максимальной напряженности поля, растет до тех пор, пока напряженность в его вершине не упадет ниже критической под действием поля, создаваемого соседними лавинами. Картина меняется, когда вершина такой лавины попадает в ионизированный канал: дополнительная ионизация позволяет ей вырваться вперед из общей массы и образовать вокруг себя область с высокой напряженностью поля. Это приводит к появлению кратковременного импульса тока на фоне шума из слившихся вместе более слабых импульсов, вызываемых отдельными лавинами разряда.
В отличие от режима Гейгера-Мюллера, в коронном режиме счетчик остается чувствительным к энергии частиц. Слабоионизирующие частицы — гамма-кванты и выбитые ими электроны — если и порождают импульсы тока, то они тонут в шуме короны. Только при высокой интенсивности гамма-излучения, свыше 50-1000 Р/ч, наблюдается значительное усиление этого шума и увеличение среднего тока. В большинстве практических случаев, не связанных с работой внутри активной зоны реактора, можно считать, что коронные счетчики вообще нечувствительны к гамма-излучению.
Коронные счетчики применяют обычно для детектирования альфа-частиц и нейтронов. Счетчики альфа-частиц можно сделать разборным и помещать препарат непосредственно внутрь: при рабочем давлении в 1 атм нет необходимости в вакуумной системе и достаточно промыть объем счетчика потоком смеси Пеннинга из баллончика. Тем не менее, промышленно выпускаемые счетчики (САТ-7, САТ-8, СИ-9АМ) снабжены окнами из тонкой слюды.
Коронные счетчики нейтронов заполняют обычно смесью, содержащей BF3 при давлении больше атмосферного или содержат боросодержащий твердый радиатор. Как и гелиевые, они в основном чувствительны к медленным и тепловым нейтронам, так что для регистрации быстрых нейтронов их нужно помещать в замедлитель. В коронном режиме могут работать и многие гелиевые счетчики, рассчитанные на пропорциональный режим.
Включение счетчика в коронном режиме почти ничем не отличается от пропорционального, но для поддержания устойчивого коронного разряда и сопротивление в анодной цепи должно быть велико. Его следует выбирать согласно документации на счетчик: так, для относительно низковольтного СИ-9АМ оно составляет 6-8 МОм, для более высоковольтных нейтронных счетчиков, таких, как СНМ-16 — 47 МОм. Обычно схема включения коронных счетчиков с рекомендуемыми номиналами приводится в паспорте, и ее следует придерживаться. Выходной сигнал представляет собой шум, на фоне которого наблюдаются импульсы, форма и длительность которых зависит от номиналов внешних элементов. Амплитуда этих импульсов составляет десятки милливольт, иногда до 150-200 мВ. Следует подобрать порог дискриминации таким образом, чтобы шум не попадал в счетный канал. При этом нужно учитывать, что амплитуда импульсов зависит от энергии частиц и выбор порога дискриминации — это компромисс между эффективностью регистрации и фоном и чувствительностью к гамма-излучению.
У коронных счетчиков, как и у счетчиков Гейгера-Мюллера, имеется хорошо выраженное плато на счетной характеристике. Наклон этого плато обратный: скорость счета не растет с напряжением, а падает. При этом амплитуда импульсов почти не зависит от напряжения питания.
Заключение
На этом я заканчиваю рассмотрение газоразрядных детекторов. Я не касался здесь детекторов, задачей которых является восстановление пространственной траектории частиц — искровых и стримерных камер, многоэлектродных пропорциональных и дрейфовых камер, так как имею о них лишь самое общее представление. Следующая статья будет посвящена сцинтилляционным детекторам.
