WikiDer > Ионизационная камера

Ionization chamber

В ионизационная камера является самым простым из всех газонаполненных детекторов излучения и широко используется для обнаружения и измерения определенных типов ионизирующего излучения; Рентгеновские лучи, гамма излучение, и бета-частицы. Обычно термин «ионизационная камера» используется исключительно для описания тех детекторов, которые собирают все заряды, создаваемые прямая ионизация 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 однородный 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 действия

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 от количества ионные пары создается в газе в результате падающего излучения.[nb 1] Он состоит из газонаполненной камеры с двумя электроды; известный как анод и катод. Электроды могут иметь форму параллельных пластин (ионизационные камеры 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 ионизирующего излучения, ионные пары создаются и образующиеся положительные ионы и диссоциированные электроны перемещаются к электродам противоположного полярность под действием электрического поля. Это генерирует ионизационный ток, который измеряется электрометр схема. Электрометр должен быть способен измерять очень малый выходной ток, который находится в районе фемтоамперы к пикоамперыв 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 постоянное генерирование заряда создает ионизационный ток, который является мерой общей ионизирующей дозы, поступающей в камеру.

Электрическое поле достаточно сильное, чтобы устройство могло работать непрерывно, уничтожая все пары ионов, предотвращая рекомбинация ионных пар, которые уменьшили бы ионный ток. Этот режим работы называется «текущим» режимом, что означает, что выходной сигнал представляет собой непрерывный ток, а не импульсный выход, как в случаях Трубка Гейгера – Мюллера или пропорциональный счетчик.[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 ионных пар, 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

Обычно используются следующие типы камер.

Воздушная камера

Это камера, свободно открытая в атмосферу, где наполняющим газом является окружающий воздух. Внутренний детектор дыма является хорошим примером этого, когда естественный поток воздуха через камеру необходим, 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

Вентилируемая камера

Эти камеры обычно имеют цилиндрическую форму и работают при атмосферном давлении, но для предотвращения проникновения влаги фильтр, содержащий осушитель установлен в вентиляционной линии.[2] Это сделано для предотвращения накопления влаги внутри камеры, которая в противном случае была бы введена «насосным» эффектом изменения 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 из достаточно тонкого материала, например майлара, чтобы бета-частицы может войти в объем газа. Гамма-излучение проникает как через торцевое окно, так и через боковые стенки. Для портативных инструментов 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

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 электроотрицательный, 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

Эффективность камеры можно дополнительно 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, можно обнаруживать только гамма-излучение. Эти детекторы используются в измерительных приборах и для мониторинга окружающей среды.[2]

Форма камеры

Наперсточная камера

Чаще всего используется для радиационная терапия измерения - цилиндрическая или «наперсточная» камера. Активный объем размещен внутри полости в форме наперстка с внутренней проводящей поверхностью (катодом) и центральным анодом. Напряжение смещения, приложенное к полости, собирает ионы и создает ток, который можно измерить электрометром.

Параллельно-пластинчатые камеры

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

Камеры монитора

Камеры монитора обычно представляют собой ионные камеры с параллельными пластинами, которые помещаются в пучки излучения для непрерывного измерения интенсивности пучка. Например, в главе линейные ускорители используется для лучевая терапияИонизационные камеры с несколькими полостями могут измерять интенсивность пучка излучения в нескольких различных областях, обеспечивая информацию о симметрии и плоскостности пучка.

Камеры исследования и калибровки

Ионизационная камера Пьера Кюри, 1895-1900 гг.

Ранние версии ионной камеры использовались Мари и Пьер Кюри в своей 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 эталонов, а также для передачи этих эталонов в другие калибровочные центры.

Исторические палаты

Конденсаторная камера

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

По конструкции аналогично камере 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 нулевое расстояние между пластинами, то есть дозу без камеры.

Типы инструментов

Ручной

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

Ионные камеры широко используются в портативные измерители 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 «состоящий из двух частей» 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 слышимые щелчки, аналогичные тем, которые производятся счетчиком G-M, 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.

Установлены

Ионная камера является предпочтительным детектором для промышленных измерений и блокировок с устойчиво высокими уровнями излучения. В этих приложениях только камера расположена в области измерения, а электроника расположена удаленно, чтобы защитить их от излучения, и соединена кабелем. Установленные приборы можно использовать для измерения гамма-излучения 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

Влага - основная проблема, влияющая на точность ионных камер. Внутренний объем камеры должен быть полностью сухим, и в вентилируемом типе используется осушитель, чтобы помочь в этом.[2] Из-за очень малых генерируемых токов любой паразитный ток утечки должен быть сведен к минимуму, чтобы сохранить точность. 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 трубных соединений, для которых может потребоваться сопротивление порядка 10.13 Ω.[7]

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

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, который переводит очень низкие токи ионной камеры в последовательность импульсов или сигнал данных, связанный с падающим излучением. Они невосприимчивы к электромагнитным воздействиям.

Приложения

Атомная промышленность

Ионизационные камеры широко используются в атомной промышленности, поскольку они обеспечивают производительность, пропорциональную доза 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 ограничены сроком службы около 1011 подсчитывать события.[1]Кроме того, трубка Гейгера-Мюллера не может работать выше 104 отсчетов в секунду из-за эффектов мертвого времени, в то время как для ионной камеры нет аналогичных ограничений.

Детекторы дыма

Ионизационная камера нашла широкое и полезное применение в детекторы дыма. В дымовом извещателе ионизационного типа окружающий воздух может беспрепятственно попадать в ионизационную камеру. В камере содержится небольшое количество америций-241, который является излучателем альфа-частицы которые производят постоянный ионный ток. Если курить попадает в детектор, он нарушает этот ток, потому что ионы ударяются о частицы дыма и нейтрализуются. Это падение тока вызывает тревогу. Детектор также имеет камеру сравнения, которая герметична, но ионизируется таким же образом. Сравнение ионных токов в двух камерах позволяет компенсировать изменения, вызванные давлением воздуха, температурой или старением источника.

Медицинское измерение радиации

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

В медицинская физика и лучевая терапия, ионизационные камеры используются для обеспечения доза доставлено из терапевтического отделения[8] или радиофармпрепарат это то, что предназначено. Устройства, используемые для лучевой терапии, называются «эталонными дозиметрами», а устройства, используемые для радиофармацевтических препаратов, называются калибраторами дозы радиоизотопов - неточное название для калибраторы 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 НПЛ 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

в объединенное Королевство в HSE выпустила руководство пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для конкретного приложения.[11] Он охватывает все технологии радиационных приборов и является полезным сравнительным руководством по использованию приборов с ионной камерой.

Смотрите также

Заметки

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

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Нолл, Гленн Ф (1999). Обнаружение и измерение радиации (3-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN 978-0-471-07338-3.
  2. ^ а б c d Ионные камеры - журнал RSO Vol.8 No. 5, Paul R Steinmeyer. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-09-15. Получено 2013-08-18.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  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:2014ПМБ .... 59Р.303С. Дои: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. Дои:10.1088 / 0031-9155 / 59/6 / R183. PMID 24584183.
  5. ^ Листы технических характеристик ионной камеры LND В архиве 2012-11-02 в Wayback Machine
  6. ^ «Ионизационные камеры». Коллекция исторических приборов по физике здоровья. Ассоциированные университеты Ок-Ридж. Получено 16 апреля 2017.
  7. ^ Taylor, D .; Шарп, Дж. (Апрель 1951 г.). «Детекторы ядерных частиц и излучения. Часть 1: Ионные камеры и ионно-камерные приборы». Труды IEE - Часть II: Энергетика. 98 (62): 174–190. Дои:10.1049 / пи-2.1951.0058.
  8. ^ Hill, R; Мо, Z; Хак, М; Бэлдок, С. (2009). «Оценка ионизационных камер для относительной дозиметрии киловольтных рентгеновских лучей». Медицинская физика. 36 (9Part1): 3971–3981. Bibcode:2009МедФ..36.3971Н. Дои:10.1118/1.3183820. PMID 19810470.
  9. ^ Mo, L .; Рейнхард, M.I .; Дэвис, J.B .; Алексиев, Д .; Бэлдок, К. (апрель 2006 г.). «Калибровка калибратора дозы Capintec CRC-712M для 18F». Прикладное излучение и изотопы. 64 (4): 485–489. Дои: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:2014ПМБ .... 59Р.303С. Дои:10.1088 / 0031-9155 / 59/20 / R303. PMID 25229250.
  11. ^ «Выбор, использование и обслуживание портативных средств мониторинга» (PDF). Руководитель отдела здоровья и безопасности. 2001.