1. Общие сведения и терминология
Скачать 332.63 Kb.
|
Проф. Давыдов А.В. Датчики ионизирующего излучения 1. Общие сведения и терминология. Датчики (блоки детектирования) ионизирующих излучений относятся к электронным устройствам, основное назначение которых заключается в обеспечении процесса взаимодействия потока ионизирующего излучения с физической средой детектора излучения, и в преобразовании актов взаимодействия в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы соответствующей измерительной аппаратурой. В комплекте с измерительными блоками датчики образуют приборы для измерения ионизирующих излучений (спектрометры, радиометры, дозиметры и пр.).  Рис. 1. Типовая схема датчика излучения На рис.1 приведена функциональная схема датчика. Датчик содержит детектор излучения с формирователем электрических сигналов на выходе, предварительный усилитель сигналов, выходной усилитель мощности сигналов и источник питания детектора. Формирователь электрических сигналов обычно объединяется с предварительным усилителем в общий блок согласующего усилителя. В специализированной аппаратуре датчики могут содержать только детекторы излучения (один или несколько) и формирователи сигнала, с включением остальных блоков в состав регистрирующих приборов. Детектор ионизирующего излучения (radiation detector) - чувствительный элемент средства измерений, предназначенный для регистрации ионизирующего излучения. Действие детектора основано на явлениях, возникающих при прохождении ионизирующего излучения через вещество (рабочую среду детектора). По физической сущности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом выделяют следующие типы детекторов: - ионизационный, основанный на способности излучений ионизировать среду, через которую они проходят; - сцинтилляционный, регистрирующий фотоны света, возникающие в сцинтилляторе под действием ионизирующих излучений; - люминесцентный, базирующийся на эффектах радиофотолюминесценции (ФЛД) и радиотермолюминесценции (ТЛД). Детекторы поглощают и накапливают энергию излучения в молекулярных центрах фотолюминесценции, и способны высвечивать накопленную энергию при освещении ультрафиолетовым светом (ФЛД) или при нагревании (ТЛД); - фотографический, основан на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету; - химический, основанный на измерении выхода радиационно-химических реакций (изменение степени окраски или цвета), протекающих под действием ионизирующих излучений. Метод используют при регистрации значительных уровней радиации; - калориметрический, базирующийся на измерении количества теплоты, выделяемой в детекторе при поглощении энергии ионизирующих излучений; Принципы классификации датчиков. Как правило, блоки детектирования специализируются по виду регистрируемого излучения на датчики заряженных частиц, нейтронов и электромагнитного излучения (рентгеновских и гамма-квантов). Специализация достигается применением детектора соответствующего типа и конструкции, обеспечивающих максимальную эффективность регистрации данного вида излучения при минимальной эффективности регистрации всех других видов излучения. Специализация может быть усилена конструкцией датчика, обеспечивающей пропускание на детектор определенного вида излучения при максимальном подавлении сопутствующих видов, и селекцией сигналов в блоке их формирования или в измерительном устройстве. Однако специализация обычно не является абсолютной, так как рабочая среда детекторов имеет определенную вероятность взаимодействия со всеми видами излучения, равно как и конструкционные материалы датчика при взаимодействии с сопутствующим видом излучения могут индуцировать вторичные виды излучения, регистрируемые детектором. По линейности преобразования энергии ионизирующего излучения в энергию выходных сигналов датчики разделяются на три типа: спектрометрические, счетные и дозовые. Спектрометрические датчики позволяют регистрировать энергетический спектр излучения. В спектрометрических датчиках амплитудное значение или полный электрический заряд выходного сигнала пропорциональны поглощенной в детекторе энергии частицы, что позволяет реализовать многочисленные методы ядерно-физического анализа вещественного состава изучаемых сред. Спектрометрические датчики используются в составе спектрометров. Датчики счетного типа предназначены для измерения плотности потока излучения и активности источников излучения (количества распадов в единицу времени в изучаемом образце). Физической величиной, регистрируемой от датчиков счетного типа, является частота (скорость счета) актов взаимодействия частиц ионизирующего излучения с детектором излучения, которая пропорциональна плотности потока излучения. Связь скорости счета частиц с активностью источника излучения задается условиями и методикой измерений. Датчики счетного типа используются в составе радиометров. По группам практических задач в сочетании с конструктивными особенностями исполнения выделяют следующие типы датчиков: 1. Массовой активности радионуклидов. 2. Поверхностной активности радионуклидов. 3. Объемной активности газов, жидкостей, радиозолей. 4. Плотности потоков ионизирующих частиц. Дозовые датчики используются в составе дозиметров и предназначены для измерения дозы и/или мощности дозы ионизирующего излучения, т.е. количества энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается средой за определенный промежуток времени. 2. Детекторы излучения Измерение ионизирующего излучения представляет собой регистрацию актов взаимодействия излучения с детектором (в радиометрах) и количественную энергетическую оценку данного взаимодействия (в спектрометрах и дозиметрах). Процесс измерения реализуется только в том случае, если взаимодействие излучения с веществом (рабочей средой) детектора сопровождается процессом преобразования энергии излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации. В промышленных датчиках используются, в основном, два типа детекторов: 1. Ионизационные детекторы с прямым преобразованием энергии частиц в электрический заряд. К ним относятся газонаполненные детекторы - ионизационные камеры, газоразрядные и пропорциональные счетчики, и полупроводниковые детекторы (ППД). 2. Сцинтилляционные детекторы, в которых используется люминесценция вещества детектора при поглощении излучения с последующим преобразованием энергии световых фотонов в электрический сигнал (при помощи фотоэлектронного умножителя - ФЭУ). По линейности преобразования энергии излучения в энергию выходного сигнала различают пропорциональные и непропорциональные детекторы. По агрегатному состоянию рабочей среды детекторы подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные. Принцип действия детекторов основан на обнаружении эффекта ионизации или возбуждения атомов рабочей среды детектора при взаимодействии с излучением. Заряженные частицы взаимодействуют непосредственно с электрическим полем атомов рабочей среды детектора с передачей им своей кинетической энергии. Гамма – кванты и нейтральные частицы взаимодействуют с детектором через процессы фотопоглощения, комптоновского рассеяния, образования электронно-позитронных пар и ядерные реакции в рабочей среде детекторов и в специальных конструкционных материалах, которые может иметь детектор для повышения вероятности этих процессов. В результате этого взаимодействия возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц, которое и регистрируется в рабочей среде детектора. Механизм преобразования энергии в детекторах ионизационного типа идет по цепи: поглощение энергии частицы Þ преобразование поглощенной энергии в первичный электрический заряд Þ (усиление первичного заряда для детекторов с усилением) Þ сбор заряда на электродах детектора. В сцинтилляционных детекторах эта цепь несколько длиннее: поглощение энергии частицы Þ преобразование поглощенной энергии в световые фотоны Þ сбор фотонов на фотокатоде ФЭУ и выбивание из него фотоэлектронов (первичного электрического заряда) Þ усиление электронного потока динодной системой ФЭУ (ударное размножение разгоняемых электронов на динодах ФЭУ) Þ сбор электронного потока на аноде ФЭУ. Особенности протекания данных процессов в детекторах определяют их основные технические характеристики. Эффективность регистрации излучения является энергетической пространственно-угловой функцией вероятности процесса взаимодействия излучения с рабочей средой детектора. Вероятность регистрации ионизирующей частицы при прохождении через рабочую среду детектора определяется вероятностью передачи частицей своей энергии, частично или полностью, рабочей среде. Эта вероятность зависит от вида излучения, его энергии, плотности рабочей среды детектора, его размеров и геометрии измерений. В первом приближении она определяется выражением: p = 1-exp(-l), где - массовый коэффициент поглощения излучения данного вида и энергии в рабочей среде (см2/г), - плотность среды, l - средняя длина пробега частиц в среде. Приведенное выражение не учитывает факторов конкретной конструкции детектора и условий проникновения излучения в рабочую среду детектора, что немаловажно для низкоэнергетических видов излучений. Эффективность регистрации может иметь средние значения от 0 до 1.  Рис. 2. Эффективность регистрации гамма-квантов сцинтилляторами NaI(Tl) На практике понятие эффективности регистрации используется в узком смысле только энергетической функции вероятности регистрации данного вида излучения данным типом детектора, среднее значение которой определяется как отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших на входное окно детектора. Расчет практической эффективности регистрации производится по формуле: Э(E) = m/(s×ф(E)), где s - площадь входного окна детектора (для изотропных детекторов - площадь сечения), ф(E) - плотность потока излучения, m - частота актов регистрации выходных сигналов детектора. Самым проникающим видом излучения с большой длиной пробега квантов является гамма-излучение, в связи с чем для их детектирования используются сцинтилляторы и ППД, эффективность регистрации которых тем больше, чем больше их плотность, геометрические размеры и эффективный атомный номер вещества детектора. На рис. 2 приведены графики спектральной эффективности регистрации гамма-излучения неорганическими сцинтилляторами NaI(Tl) различных размеров. При регистрации низкоэнергетических гамма-квантов (менее 100 кэВ) существенную роль начинает играть поглощение излучения в контейнере детектора и в защитной конструкции блока детектирования, если он не имеет специального входного окна.  Рис. 3. Эффективность регистрации гамма-квантов газонаполненными счетчиками Эффективность регистрации гамма-излучения газонаполненными счетчиками в интервале энергий от 100 кэВ до 3 МэВ не превышает 2% и практически не зависит от размеров счетчиков, а в области энергий ниже 200 кэВ существенно зависит от материала корпуса (катода) счетчика, в котором осуществляется конверсия гамма-квантов в электроны. В качестве материала катода обычно используется вольфрам, медь и железо. Пример эффективности регистрации газонаполненных счетчиков приведен на рис. 3. Что касается эффективности регистрации бета- и альфа-частиц, то практически для всех видов детекторов она близка к 100% в связи с малой проникающей способностью этих видов излучения. Последнее обстоятельство выводит на первое место по влиянию на эффективность регистрации фактор поглощения излучения во входном окне детектора, особенно при регистрации низкоэнергетических частиц. Понятие практической эффективности регистрации обычно применяется к датчику в целом (с данным типом детектора) и выражается в % (от 0 до 100%). Для характеристики блоков детектирования и устройств с фиксированной геометрией измерений применяется также понятие светосилы, как отношение числа регистрируемых частиц к числу частиц, испускаемых источником излучения. Значение светосилы является безразмерной величиной в интервале 0-1. Энергетическое разрешение детекторов. При регистрации моноэнергетического излучения и линейном преобразовании энергии частиц в выходные сигналы в силу статистической природы процессов преобразования распределение значений выходных сигналов "расплывается" в фотопик (рис. 4). За меру "расплывания" энергии сигналов принимается значение ширины фотопика на половине его высоты. Эта характеристика регистрации излучения получила название энергетического разрешения детекторов. Если источник излучения имеет две линии излучения и второй фотопик отстоит от первого на расстоянии, меньшем энергетического разрешения, то фотопики сливаются в один суммарный пик.  Рис. 4.Для сравнения детекторов значение энергетического разрешения выражают в относительных единицах (или в %) значения центра распределения: R = r/Eo, где Eo - энергия центра распределения. При аппроксимации фотопика функцией Гаусса имеет место: r =где - среднее квадратическое отклонение энергии зарегистрированных сигналов от среднего значения Eo. При удельной энергии на образование первичных носителей заряда, формирующих выходной сигнал, среднее число носителей заряда N при поглощении частицы с энергией Е, дисперсия их числа и значение относительного энергетического разрешения равны: N=E/, 2 = F N, R=2.36 /N. где F- поправочный коэффициент на частичное нарушение статистики процесса. Значение коэффициента F для каждого типа, размеров и конструкции детектора определяется индивидуально. Средние значения коэффициентов порядка 0.2-0.4 для полупроводниковых, 0.4-0.7 для газонаполненных и 1.5-2 для сцинтилляционных детекторов. При известном разрешении детектора R1 для энергетической линии E1 оценка разрешения R2 для любой другой энергии E2 может производиться по формуле: R2 = R1  .Энергетическое разрешение детекторов тем лучше, чем большее число носителей заряда образуется в детекторе, т.е. чем выше энергия излучения и меньше удельная энергия образования носителей заряда. Наименьшую удельную энергию образования одной пары носителей заряда (электрон-дырка) имеют полупроводниковые детекторы - от 2,9 до 3,7 эВ в зависимости от типа, что обеспечивает ППД наилучшее энергетическое разрешение из всех типов детекторов. Удельная энергия ионизации среды в газовых детекторах (образование пары ион - электрон) на порядок выше и составляет от 20 до 32 эВ в зависимости от типа среды, и энергетическое разрешение газовых детекторов практически в 3 раза хуже разрешения ППД. В сцинтилляционных детекторах энергия излучения конвертируется в фотоны света (коэффициент преобразования не более 0.1), а первичными носителями заряда являются фотоэлектроны, которые выбиваются с фотокатода ФЭУ световыми фотонами (вероятность не более 0.1 на фотон). Отсюда следует, что удельная энергия образования первичных носителей заряда в сцинтилляционных детекторах практически на порядок больше, чем у газонаполненных детекторов, и на 2 порядка больше, чем у ППД, а энергетическое разрешение соответственно в 3-4 раза хуже, чем у газонаполненных детекторов, и на порядок хуже, чем в ППД. В таблице 1 приведены средние значения удельной энергии и энергетического разрешения по энергии 662 кэВ изотопа Цезий-137 для наиболее распространенных типов детекторов, по которым нетрудно выполнить оценку разрешения детекторов для любой другой энергии излучения. Таблица 1. Удельная энергия преобразования и энергетическое разрешение детекторов по энергетической линии излучения 662 кэВ.
Разрешение может существенно ухудшаться, если энергия излучения соизмерима с энергией собственных тепловых шумов детектора. При регистрации гамма-квантов в нормальных температурных условиях среднее значение энергетического эквивалента тепловых шумов для пропорциональных счетчиков составляет 0.2-0.5 кэВ, для фотоумножителей в энергетической шкале NaI(Tl) 0.3-1 кэВ, для кремниевых ППД может достигать 10 кэВ. Для снижения уровня шумов, ППД используются с охлаждением до 70-1000К, при этом уровень шумов может быть снижен на порядок. Кроме того, при регистрации низкоэнергетического излучения приобретают значение шумы первого каскада усиления сигнала. Избирательность детекторов. Детекторы различных типов, размеров и конструкций, с различным состоянием агрегатной среды могут отличаться на 1, 2 и более порядков как по эффективности регистрации различных видов излучения, так и по эффективности регистрации в различных диапазонах спектра излучения. Это позволяет специализировать детекторы по измерительным задачам и производить измерение одних видов и энергий излучения на сопутствующем фоне излучения других видов и энергий. Качество работы детекторов при этом может прямо оцениваться избирательностью - отношением эффективности регистрации измеряемого и фонового излучения при равных значениях плотности потоков. Избирательность в значительной степени может быть усилена геометрией измерений и конструкцией блока детектирования в целом (экранирование, коллимация и т.п.). Для детектирования заряженных частиц, в принципе, можно использовать все типы детекторов, при этом по характеру преобразования энергии частиц в заряд детекторы разделяют на пробежные и пролетные. К пробежным относят детекторы с толщиной чувствительного объема, превышающей длину пробега частиц в материале детектора и обеспечивающей полное поглощение энергии частиц. У пролетных детекторов толщина чувствительного объема много меньше длины пробега частиц и выходные сигналы пропорциональны произведению линейной плотности ионизации на треках частиц на длину треков, т.е. зависят от типа частиц, их массы, заряда и угла входа в детектор. Один и тот же детектор может быть пробежным к одному виду частиц и пролетным к другому, что создает условия для их селективной регистрации. Так, например, поверхностно-барьерные ППД с малой толщиной чувствительного слоя (порядка 0.05 мм) являются пробежными по альфа-излучению и пролетными по бета-излучению с энергией более 100 кэВ. Реакция детекторов на поток нейтральных частиц и квантов имеет более сложный характер и проходит в два этапа. На первом этапе в чувствительной среде детектора или в специальных материалах его конструкции осуществляется конверсия первичного потока излучения во вторичный поток заряженных частиц, который и регистрируется на втором этапе. Эффективность процессов на этих двух этапах может изменяться раздельно и целенаправленно, что создает разнообразие детекторов по материалам и агрегатному состоянию чувствительных сред и защите от внешних потоков заряженных частиц в зависимости от специализации датчиков по видам и энергии регистрируемого излучения. В таблице 2 приведена основная специализация детекторов по видам регистрируемого излучения и по возможностям спектрального анализа излучения. Таблица 2. Направления основной специализации детекторов.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Общие сведения ”. Основные вопросы: Назначение, запуск, интерфейс модуля “ Модуль “Общие сведения” содержит базовую информацию об образовательном учреждении, обеспечивая основу для создания адресных отчетов,... | | Общеобразовательная программа «от рождения до школы» муниципального... Общие сведения об учреждении, контингент детей, воспитывающихся в доу. Комплектование групп, режим работы детского сада. Сведения... |
 | Отчет о результатах самообследования деятельности образовательного... Общие сведения о доу. Цели и задачи деятельности мадоу «Детский сад №104» | | Отчет о результатах самообследования деятельности образовательного... Общие сведения о доу. Цели и задачи деятельности мадоу «Детский сад №104» |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Общие сведения об учреждении, контингент детей, воспитывающихся в доу. Комплектование групп, режим работы детского сада. Сведения... | | Публичный отчет директора за 2012-2013 уч. Год москва, 2013 г. Общие... Общие сведения о гбоу кадетской школе-интернате №7 «Московский казачий кадетский корпус» им. М. А. Шолохова |
| Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе... Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников | | Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе... Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников |
| Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе... Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников | | Общие сведения об образовательном учреждении 3 |
| Отчет о результатах самообследования Общие сведения | | Конспект Общие сведения по курсу русского языка |
| Оглавление 3 Общие сведения о профессии. Организационно-правовое обеспечение образовательной деятельности. 4 | | Оглавление 3 Общие сведения о профессии. Организационно-правовое обеспечение образовательной деятельности. 4 |
| Хозяйства и государственной службы при президенте российской федерации Общие сведения о филиале | | I. Общие сведения Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) |
