Детекторы ионизирующих излучений реферат

Обновлено: 17.05.2024

Детекторами ионизирующих излучений называют устройства, предназначенные для обнаружения излучений и частиц, определения состава излучения и измерения его энергетического спектра. Детекторы являются датчиками сигнала по отношению к измерительной аппаратуре.

Для реализации детекторов используют разнообразные эффекты, возникающие при взаимодействии излучения с веществом.

Следовые детекторы позволяют определять траекторию частицы и длину ее пробега в веществе. Так, в камере Вильсона, заполненной перегретым паром, движущаяся частица оставляет след в виде мелких капелек жидкости на центрах конденсации, например, на ионах, образующихся на пути движения заряженной частицы. Капельки достигают видимых размеров и могут быть сфотографированы. Природу и свойства исследуемых частиц устанавливают по величине пробега и искривлению следов частицы под действием магнитного поля. В пузырьковой камереследчастицы образуется за счет вскипания перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Этот след отмечается цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирован.

Действие широко распространенных ионизационных детекторов основано на измерении числа и параметров электрических импульсов, возникающих из-за движения ионов, образовавшихся в газе или полупроводниковых материалах под действием излучений.

Например, детектор, используемый в счетчикечастицГейгера (см. рис.3.2) представляет собой цилиндрическую трубку, наполненную газом при давлении 100-200 мм. рт. ст. По оси трубки укрепляется на изоляторах анод в виде тонкой нити. Вторым электродом (катодом) служит корпус счетчика. Зачастую это устройство заключается в оболочку из стекла.

Между катодом и анодом газоразрядной трубки, создается разность потенциалов. При попадании частицы в детектор в газе образуется некоторое количество ионов. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом возникает импульс тока, протекающего по сопротивлению R.Амплитуда этого импульса пропорциональна числу ионов, участвующих в его образовании, и зависит от напряжения.

Не производя детального анализа работы этого детектора отметим, что по амплитуде электрического сигнала можно судить об энергии ионизирующих частиц, а по числу импульсов – об их количестве.

Детектирование фотонного излучения и частиц ионизационными детекторами производится по степени ионизации в определенном объеме вещества. Рентгеновские и гамма-кванты, имеющие большую длину пробега в газе, в небольшом его объеме редко производят ионизацию. Они, преимущественно, выбивают электроны из атомов вещества стенок трубки, которые, попадая в газ, его ионизируют.

Сцинтилляционные детекторы(см. рис.3.3) основаны на регистрации вспышек света, возникающих при попадании на вещество (сцинтиллятор) ионизирующих излучений. При взаимодействии со сцинтиллятором ионизирующие излучения порождают его видимую люминесценцию. С помощью чувствительных фотоэлектрических устройств (фотоумножителей) световые сигналы пропорционально преобразуются в электрические и обрабатываются с помощью электроизмерительной техники. В детекторах небольших размеров сцинтилляторы наносятся непосредственно на катод фотоумножителя. В ряде случаев между сцинтиллятором и фотокатодом помещают световод. Амплитуда электрического сигнала фотоумножителя пропорциональна интенсивности световой вспышки, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии частицы. Поэтому, выбрав для каждого вида излучений соответствующие сцинтилляторы, можно определять энергетические спектры излучений.

В люминесцентных детекторахиспользуются особые вещества (люминофоры), которые способны накапливать поглощенную энергию ионизирующих излучений, а затем выделять ее в виде света под действием дополнительного возбуждения. Это возбуждение осуществляется нагревом люминофора или ультрафиолетовым облучением. Особенностью люминесцентных детекторов является их способность сохранять информацию о дозе. В нужный момент она может быть получена путем дополнительного облучения.

Фотографические детекторыоснованы на том, что степень почернения дозиметрической фотопленки в некотором диапазоне почернений пропорциональна экспозиционной дозе.

В химических детекторах регистрация частиц производится по тем химическим превращениям, которые происходят под действием ионизирующего излучения. Причем, измеряемая концентрация продуктов химической реакции пропорциональна интенсивности излучения. Достоинством химических детекторов является возможность реализовать их свойства поглощать энергию ионизирующих излучений совпадающими с поглощающими свойствами биологической ткани, т.е. создавать тканевоэквивалентные детекторы.

Рассмотрим теперь особенности детектирования различных ионизирующих частиц (см. рис.3.4).

Детектирование бета-частиц, обладающих большей длиной пробега, несколько проще. Однако, надо иметь в виду, что длина пробега бета-частиц зависит от их энергии. Поэтому обнаружить бета-частицы, возникающие при распаде , проще чем при распаде , поскольку максимальная энергия последних намного меньше, и эти бета-частицы практически полностью поглощаются миллиметровыми слоями вещества.

Для оценки степени радиационного заражения среды и организма важно знать не только общую активность, но и радионуклидный состав радиационного заражения, т.е. знать, какие конкретно радионуклиды его обуславливают и каково количественное соотношение их содержания в среде и организме. Для гамма-активных радионуклидов эта проблема решается измерением энергетического спектра гамма-излучения – зависимости его интенсивности от энергии гамма-квантов. Каждому радиоактивному превращению таких радионуклидов соответствует свой набор гамма-квантов вполне определнных энергий – свой энергетический спектр. В качестве примера на рис.3.5. приведен спектр гамма излучения, возникающего при превращении в за счет отрицательного бета-распада.

Датчики счетного типа. Энергетическое разрешение детекторов. Основные составляющие радиационного фона. Использование радиационно-чистых материалов в конструкции датчиков. Радиометры и дозиметры широкого пользования. Принципы классификации датчиков.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	15.11.2018
Размер файла	98,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Датчики ионизирующего излучения

Проф. Давыдов А.В.

1. Общие сведения и терминология

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 преобразование поглощенной энергии в первичный электрический заряд (усиление первичного заряда для детекторов с усилением) сбор заряда на электродах детектора. В сцинтилляционных детекторах эта цепь несколько длиннее: поглощение энергии частицы преобразование поглощенной энергии в световые фотоны сбор фотонов на фотокатоде ФЭУ и выбивание из него фотоэлектронов (первичного электрического заряда) усиление электронного потока динодной системой ФЭУ (ударное размножение разгоняемых электронов на динодах ФЭУ) 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)

дозиметр датчик счетный детектор

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.

Для сравнения детекторов значение энергетического разрешения выражают в относительных единицах (или в %) значения центра распределения: R = r/Eo, где Eo - энергия центра распределения.

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:

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

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Детекторы ионизирующих излучений

Сцинтилляционные счетчики
Сцинтилляционные счетчики уже в течение многих лет являются наиболее распространенными детекторами ионизирующего излучения. Их достоинства хорошо известны: высокая плотность вещества в чувствительном объеме детектора, относительно небольшое время реакции на частицу или квант, вызвавших сцинтилляцию, возможность выбора приемлемых размеров и свойств сцинтиллятора.

Существуют две разновидности сцинтилляторов: неорганические и органические.

Неорганические сцинтилляторы

Для регистрации нейтронов и заряженных частиц, а также при решении специальных задач используют широкую номенклатуру сцинтилляционных детекторов, но все-таки доминирующее положение в технике радиационных измерений занимают сцинтилляционные счетчики с кристаллами NaI(Tl), в ниже приведенной таблице находятся основные характеристики некоторых органических сцинтилляторов.

Получили распространение кристаллы NaI(Tl) с встроенным реперным источником

241 Am для стабилизации сцинтилляционного детектора во времени и при изменении температуры окружающей среды, в частности кристаллы с внесением a - излучателя 241 Am в кристаллическую решетку NaI(Tl) . Детектирование моноэнергетических a

a - частиц дает в распределении амплитуд пик, эквивалентный энергии a - излучения 3,15 МэВ, удобный для автоматической стабилизации коэффициента преобразования энергии в амплитуду выходного сигнала.

Усовершенствование материала и технологии упаковки кристалла позволили создать также сцинтилляторы, работающие при высоких температурах окружающей среды, используемые, например для измерения параметров плазмы. Чтобы выдерживать такие условия, детекторы NaI(Tl) должны сохранять герметизацию и удовлетворительные оптические свойства при высоких температурах.

Наряду с совершенствованием технологии изготовления классических сцинтилляторов в последние годы велись работы по использованию новых видов неорганических сцинтилляторов, позволяющих более эффективно решать отдельные задачи.

В тех случаях, когда ограничен объем детектора g - излучения большой интерес вызывают сцинтилляторы, обладающие большой плотностью и позволяющие повысить эффективность регистрации g - излучения. Один из таких сцинтилляторов – ортогермант висмута Be 4 Ge 3 O 12 (BGO) . Кристаллы BGO обладают по сравнению с NaI(Tl) , более высокой поглощающей способностью, что позволяет снизить объем детектора на порядок. Кроме того, этот сцинтиллятор имеет малую чувствительность к нейтронам, что оказывается удобным при измерении  - излучения в смешанных полях. При изготовлении кристаллов BGO не возникает проблем равномерного распределения активатора для хорошей равномерности. Существенный недостаток этого сцинтиллятора – низкий световой выход; однако улучшение технологии и получение чистого сырья позволили для кристаллов BGO с диаметром 25 мм и высотой 2,5 мм улучшить энергетическое разрешение с 15 до 9,5%.

Наконец, для многих неорганических сцинтилляторов, и в частности для NaI(Tl) , свойственно послесвечение – наличие долговременного компонента высвечивания; кристаллы BGO обладают минимальным послесвечением.

Наименьшая длительность сцинтилляций в неорганических кристаллах была получена с детекторами из фторида бария BaF 2 быстрый компонент сцинтилляции позволяет получить временное разрешение в 4 – 5 раз лучше, чем NaI(Tl) , и приближающееся к значениям, достигаемым с пластическими сцинтилляторами.

Органические сцинтилляторы

Из-за некоторых преимуществ органические сцинтилляторы – как пластические, так и жидкостные – по прежнему оказываются предпочтительными при решении многих задач радиационных измерений. К их достоинствам относятся короткое время высвечивания ( менее 10 нс ) , позволяющее выполнять блоки детектирования, работающие при больших импульсных загрузках, а также эффективно выделять случаи одновременного воздействия на детекторы двух частиц или квантов, относительно высокая плотность вещества в чувствительном объеме детектора, высокий световой выход при сцинтилляции, малая зависимость коэффициента преобразования поглощенной энергии в свет от внешних условий. Важные свойства органических сцинтилляторов – возможность изменения состава, гибкость при выполнении детекторов различного объема и формы. Наконец, они позволяют наиболее просто и дешево изготовить детекторы большого объема.

Органические сцинтилляторы широко используют для детектирования и спектрометрии b - излучения, поскольку обратное рассеяние от поверхности такого сцинтиллятора существенно меньше, чем от детектора с большим Z . Для этой цели чаще всего применяют пластические сцинтилляторы с геометрией, обеспечивающей уменьшение эффекта обратного рассеяния.

Пластические сцинтилляторы удобно использовать для измерения удельной активности жидкостей.

Органические сцинтилляторы наиболее часто используют как детекторы быстрых нейтронов. У многих таких сцинтилляторов различается форма импульсов, вызванных регистрацией нейтронов или g - излучения, что позволяет осуществить избирательную регистрацию быстрых нейтронов в смешанных радиационных полях.

Излучаемое сцинтиллятором число фотонов является линейной функцией энергетического кванта в широком интервале длин волн. Отклонение от линейности в области коротких длин волн связанно с неполным поглощением излучения. Для пластического сцинтиллятора линейность сохраняется до 8 А, однако не было обнаружено сильных отклонений от линейности вплоть до 16 А.

Обычно рентгеновское излучение импульсного плазменного источника измеряется с помощью пластического сцинтиллятора; оптический контакт с окном умножителя достигается при помощи тонкого слоя силиконового масла. На сцинтиллятор наносится напылением тонкое алюминиевое покрытие, увеличивающее собирание света и уменьшающее регистрирование рассеянного света.

Во всех случаях, когда это возможно толщина сцинтиллятора не должна превышать той, которая необходима для поглощения существенной доли излучения. Это уменьшает возможное влияние других источников сцинтилляции.

Ионы и электроны обычно устраняют беря сцинтилляторы малой толщины. При низких интенсивностях рентгеновского излучения, темповой ток ограничивает применение сцинтилляционных датчиков. При высоких энергиях фотонов эту трудность можно устранить применением амплитудного анализа. Однако для мягкого рентгеновского излучения этот метод неприменим.

Несколько слов об амплитудном анализе.

Когда амплитуды создаваемых квантами импульсов в достаточной мере превышают шумы детектора, газовые, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики могут быть использованы в качестве спектрометров в тех спектральных интервалах, где амплитуда сигнала пропорциональна энергии падающего кванта. Амплитудный анализ редко применим к плазме с коротким временем существования; ограничения накладываются в этом случае постоянной времени счетчика и амплитудного анализатора.

Рентгеновская диагностика плазмы

Рентгеновская спектрометрия и спектрометрические измерения в видимой области спектра представляются сходными диагностическими возможностями. Оба метода позволяют определить:

Электронную температуру Т е по измерениям интенсивности линий или непрерывного спектра

Наша биосфера всю свою историю находилась и находится во взаимодействии с ионизирующими излучениями. Под ионизирующими излучениями (радиацией) понимают поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. К ним относятся потоки электронов, позитронов, протонов, α-частиц, нейтронов, рентгеновское и γ-излучение. Сюда же следует отнести потоки дейтронов, тритонов и других ионов или частиц – компонентов космического излучения или ускоренных на ускорителях до высоких энергий.

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

Швецов Д. В. Ф 3 курс Курсовая работа.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Кафедра физики и информационных систем

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Работу выполнил _______________ (Швецов Дмитрий Викторович)

кандидат педагогических наук, доцент кафедры общей физики и информационных систем ______________________________ _(Н. М. Богатов)

доцент ______________________________ _________________(Н. М. Богатов)

Реферат

Швецов Д. В. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. Курсовая работа: 26 с., 12 рис., 10 источников.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, ЭЛЕКТРОНЫ, ПОЗИТРОНЫ, ПРОТОНЫ, α-ЧАСТИЦЫ, НЕЙТРОНЫ, РЕНГЕНОВСКОЕ И γ-ИЗЛУЧЕНИЯ, РЕГИСТРАЦИЯ ЧАСТИЦ.

Обозначения и сокращения………………………………………….. . 4

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………… ……………..5

Свойства полупроводниковых детекторов…… ………………………………. 7

Принцип действия детекторов…………………………………………………. ..8

Типы и характеристики детекторов……………………………………………. 9

Обозначения и сокращения

ППД - Полупроводниковые детекторы

ДКД - Кремниевые диффузно-дрейфовые детекторы

ДКПО - Кремниевые, полностью обедненные детекторы

ДКД-Г - Диффузионно-дрейфовые кремниевые детекторы

МДКД-П - Мозаичные кремниевые дрейфовые поверхностные детекторы

ДДС - Кремниевые диффузионно-дрейфовые детекторы

АКН - Активационные комплекты – нейтронные

НДС - Нейтронно-активационные детекторы сопровождения

ВВЕДЕНИЕ

Рис.1 Шкала длин волн.

Длины волн электромагнитного излучения простираются в широком диапазоне (Рис.1).

Качественный и количественный анализ ионизирующих излучений необходим в различных областях науки и техники: ядерной физике, физике элементарных частиц, радиохимии, технике радиоактивных индикаторов, радиационной химии, радиационном материаловедении, дефектоскопии в сельском хозяйстве, медицине, экологии, геологии, атомной энергетике, в технологиях ядерно- топливного цикла, дозиметрии и радиационной безопасности, в практике обитаемых космических полётов и т. д. и т.п. Поэтому методы измерения ядерных излучений постоянно и весьма активно развиваются.

Методы регистрации радиоактивных излучений могут быть классифицированы по характеру взаимодействия излучения с веществом и по способам их измерения. Заряженные ядерные частицы могут быть обнаружены по их ионизирующему действию. Нейтральные частицы, например нейтроны и гамма-кванты, непосредственно не производят ионизации, однако, взаимодействуя с ядрами, могут вызвать образование вторичных заряженных частиц.

Работа детекторов излучения основана на взаимодействии излучений с веществом детектора. Энергия излучения, поглощённая непосредственно или с помощью специальных устройств, вызывает в цепи детектора излучения электрический ток, прохождение которого регистрируется измерительными схемами. В некоторых случаях результаты взаимодействия излучения с веществом могут наблюдаться, например, по потемнению фотоплёнки, свечению фосфоров. Однако в радиометрической практике наиболее широко применяются простые и надёжные детекторы излучения, позволяющие использовать электрические схемы регистрации.

Для получения необходимой информации о составе и характеристиках радиации, её преобразуют чаще всего с помощью соответствующих приборов в электрические сигналы, которые затем измеряют, сортируют и регистрируют радиометрической аппаратурой. Радиометрические приборы состоят из детекторов, в которых происходит преобразование энергии излучения в электрические и др. сигналы, и регистрирующих устройств. Детекторы могут быть ионизационными, сцинтилляционными, трековыми и другими в зависимости от того, на каком из эффектов основано их действие. По агрегатному состоянию рабочего тела различают газонаполненные, жидкостные, твердотельные детекторы; по типу регистрируемого излучения-детекторы α-частиц, β-частиц, γ-квантов, нейтронов.

Существуют два метода измерения излучений ионизационными детекторами. Первый состоит в измерении среднего значения постоянного тока интегрирующей ионизационной камеры посредством электрометрического усилителя. Этот метод наиболее простой. Второй метод заключается в счёте числа импульсов, вырабатываемых соответствующим детектором под действием излучения. Этот метод намного более чувствителен. Кроме того, рабочий сигнал импульсных камер, пропорциональных и сцинтилляционных счётчиков содержит информацию двух видов: число импульсов говорит об интенсивности радиации, амплитуда импульсов – об энергии частиц. Амплитуда импульсов измеряется посредством многоканальных анализаторов. Развитие импульсных ускорителей частиц привело к разработке специальных быстродействующих счётных установок. Необходимость детального изучения ядерных процессов потребовало создание координатных детекторов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.).

Полупроводниковые детекторы (ППД) являются наиболее совершенными из существующих детекторов ионизирующих излучения. Они широко используются в судовой аппаратуре при измерениях радиоактивных загрязнений внешней среды, в дозиметрии, для контроля работы ядерных реакторов и т.д. Однако наибольшее применение они получили при спектрометрии ионизирующих излучений.

Полупроводниковые кремниевые и германиевые детекторы ионизирующих излучений используются для регистрации -, β-частиц, протонов, нейтронов, γ-лучей и осколков деления. Линейная зависимость амплитуды выходных импульсов от энергии излучения позволяет широко применять эти детекторы в спектрометрической аппаратуре, а также для измерения слабых потоков сильноионизирующих частиц на фоне интенсивных потоков слабоионизирующего излучения (например, α-частиц на фоне β- и γ-излучений).

Появление и развитие

Появление в шестидесятых годах полупроводниковых детекторов ядерных излучений явилось важной вехой в развитии экспериментальной ядерной физики. В настоящее время детекторы занимают ведущее место среди приборов, регистрирующих излучения. Полупроводниковые детекторы являются твердотельными аналогами ионизационных камер. Они имеют большие преимущества перед другими типами детекторов, наиболее важным из которых является высокое разрешение. Среди других достоинств полупроводниковых детекторов следует указать: линейность в широком диапазоне энергий, малое время нарастания импульса, относительную простоту и небольшие размеры, а также нечувствительность к магнитным полям.

Первые детекторы были применены для регистрации тяжелых частиц, их использование сразу привело к успехам в изучении ядерных реакций. Освоение процесса дрейфа лития в германии дало возможность изготовлять детекторы с большим объемом. Такие Ge(Li) детекторы стали использоваться при изучении спектров частиц большой энергии и в спектроскопии электронов. Применение техники дрейфа лития в германии привело к созданию больших детекторов, пригодных для регистрации γ-лучей.

В дальнейшем была разработана технология высокой очистки кристаллов кремния и германия от примесей, что привело к появлению сверхчистых кристаллов. Эти кристаллы стали использоваться в так называемых HP-детекторах (high pure — сверхчистые). Такие детекторы не содержат лития и могут храниться при комнатной температуре, но при регистрации частиц и γ-квантов их необходимо охлаждать.

В настоящее время полупроводниковые детекторы в области γ-спектроскопии практически заменили сцинтилляционные кристаллы.

Развитие полупроводниковых спектрометров привело к прогрессу не только в ядерной физике, но и в смежных областях: физике твердого тела, радиотехнике, технологии изготовления полупроводников. Детекторы широко применяются при изучении космического пространства, в биофизике и геофизике, в медицине.

Свойства полупроводниковых детекторов

Носители заряда, образующиеся в результате взаимодействия излучения с веществом полупроводникового детектора, собираются на его электродах электрическим полем. Процесс образования и собирания зарядов зависит от распределения электронных энергетических уровней в кристалле. В полупроводниках и изоляторах существует полностью заполненная зона с энергетической щелью над ней, и для перевода электронов нужно затратить некоторую энергию. Если энергетическая щель АЕ велика, то приложение

небольшого поля не вызовет появления тока. Такие вещества называются изоляторами. Если же щель мала, то некоторые электроны в результате тепловых флуктуации переходят в зону проводимости, что вызывает появление тока. Такие вещества имеют небольшую, но заметную проводимость и называются полупроводниками. Энергетическое расстояние между заполненной зоной и зоной проводимости называется энергетической щелью. В полупроводниках энергетическая щель не превышает 2 эВ.

Число электронов n, переведенных в зону проводимости в результате тепловых флуктуации, зависит от температуры. Электрическая проводимость резко увеличивается с температурой и это является характерным свойством полупроводников.

Средняя энергия , необходимая для перехода электронов в зону проводимости, называется энергией ионизации. Она несколько больше энергетической щели. В том случае, когда зона проводимости накладывается на заполненную зону, проводимость вещества велика и почти не зависит от температуры. Такие вещества называются металлами.

Принцип действия детекторов

Действие полупроводниковых детекторов аналогично действию ионизационных камер. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары: электрон-“дырка”, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, которую потеряла частица или γ-квант в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нем заряды. Процесс сбора заряда в полупроводниковом детекторе сложнее, чем в ионизационной камере. Детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед камерами:

Энергия, необходимая для получения одной пары носителей в детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (30 эВ). Поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статистическим флуктуациям.
Плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и γ-кванты.

Время нарастания электрического импульса в детекторах значительно меньше, чем в ионизационных камерах, так как подвижность носителей в полупроводнике гораздо больше, чем подвижность ионов и электронов в камерах.

Однако у полупроводниковых детекторов сравнительно небольшое удельное сопротивление даже при температуре жидкого азота (77 К). Например, образцы кремния р-типа с концентрацией примесных атомов 1013 имеют удельное сопротивление 1400 Ом∙см. Это приводит к большой силе тока уже при небольшом приложенном напряжении, и регистрация слабых импульсов от ионизации затрудняется. Для повышения удельного сопротивления детекторов были разработаны различные методы уменьшения числа носителей, вызванных наличием примесей в Si и Ge. Эти методы основаны на создании в детекторе p-n-перехода с малым количеством носителей.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Биологический факультет

по учебной дисциплине

Выполнил студент Клименков М. В.

Проверил Дворник А.М.

Типы ионизирующего излучение ……………………………………3

В начале 20 века человечество столкнулось с загадочным явлением – радиоактивность (от лат. Radio - "Испускаю лучи", activus - "активно") -

самопроизвольные или наведенные превращения нестабильных атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц или квантов излучения. Явление представляет значительную опасность для людей. Открытие радиоактивности было сделано в 1896 году французским физиком Беккерелем при исследовании им свойств соединений урана. Впоследствии это свойство было обнаружено у целой группы веществ. Дальнейшие исследования показали, что радиоактивность - это невидимые, не имеющие цвета и запаха излучения, которые испускают некоторые вещества, которые стали называть радиоактивными. Теперь известны следующие виды излучений радиоактивных веществ: ?-лучи (поток положительно заряженных атомов гелия); ?-лучи(поток отрицательно заряженных электронов, скорость которых близка к скорости света и которые обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи);?-лучи, подобные рентгеновским, но обладающие еще большей проникающей способностью и представляющие собой электромагнитные волны. Наряду с этими видами различают еще нейтронное, протонное и рентгеновское излучения. В настоящее время радиоактивные вещества широко применяются: в энергетике (АЭС) для получения электричества и тепла, в промышленности (атомной и не атомной), на транспорте (атомные суда), в медицине, науке, военном деле (ядерные и другие виды оружия и технические средства), во многих других областях человеческой деятельности. При этом все большее применение получают не только радиоактивные, но и другие вещества, обладающие искусственной (созданной человеком) радиоактивностью, так называемые радиоактивные изотопы этих веществ или радионуклиды (например, изотопы углерода, кальция, натрия, йода, фосфора, серы). В виду широкого использования радиоактивных веществ стала необходимость измерения уровня радиации и разработка единиц измерение активности тех или других веществ, окружающей нас седы, уровень фона на промышленных предприятиях.

Измерения радиации в некоторых областях и сферах являются обязательным условием возведения зданий и промышленных объектов, в других областях они необязательны, но могут проводиться добровольно – зачастую, желая заранее избежать всех оплошностей, компании и частные лица предпочитают убедиться в том, что с приобретаемым участком все в порядке, еще до покупки его, а не после, и измерения радиации на объекте входят в перечень процедур, которые желательно провести перед тем, как начать строительство на участке.

Типы ионизирующего излучения

?-лучи правильней сказать А?льфа-части?ца (?-частица), положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия-4. Образуется при альфа-распаде ядер. При этом ядро может перейти в возбуждённое состояние, избыток энергии удаляется при выделении гамма-излучения. Однако вероятность перехода ядра при альфа-распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц. Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами.

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8–15 МэВ. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию и в результате очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно ткани организма, весьма опасно для здоровья. Опасно для здоровья также внешнее облучение высокоэнергичными альфа-частицами, источником которых является ускоритель. Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность (г/см2).

Таким образом, опасность для человека могут представлять излучение ?-частиц с энергиями достаточными для преодоления кожного покрова (10 МэВ и выше). В тоже время, большинство исследовательских ускорителей ?-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ. Альфа-частицы образуются также в результате ядерных реакций. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: 6Li+2H=4He+4He. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия (из звёздных атмосфер и межзвёздного газа), некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц. Масса альфа-частицы составляет 6,644656?10?27 кг, что эквивалентно энергии 3,72738 ГэВ.

?-лучи - Бета-частица, заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение.

Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (??), положительно заряженные — позитронами (?+). Бета-лучи следует отличать от вторичных и третичных электронов, образующихся в результате ионизации воздуха — так называемые дельта-лучи и эпсилон-лучи. Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа; эта максимальная энергия лежит в диапазоне от 2,5 кэВ (для рения-187) до десятков МэВ (для короткоживущих ядер, далёких от линии бета-стабильности). Бета-лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.

Значительные дозы внешнего бета-излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета-активных радионуклидов, попавших внутрь организма. Бета-излучение имеет значительно меньшую проникающую способность, чем гамма-излучение (однако на порядок большую, чем альфа-излучение). Слой любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см2 (например, несколько миллиметров алюминия или несколько метров воздуха) практически полностью поглощает бета-частицы с энергией около 1 МэВ.

Га?мма-излуче?ние (гамма-лучи, ?-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — ?3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно. Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер, при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях. Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Виллардом в 1900 году при исследовании излучения радия. Физические свойства в отличие от ?-лучей и ?-лучей, не отклоняются электрическими и магнитными полями, характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:

Фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится ионизированным). Области применения гамма-излучения:

Гамма-дефектоскопия, контроль изделий просвечиванием ?-лучами.

Консервирование пищевых продуктов.

Стерилизация медицинских материалов и оборудования.

Гамма-каротаж в геологии.

Гамма-высотомер, измерение расстояния до поверхности при приземлении спускаемых космических аппаратов.

Гамма-стерилизация специй, зерна, рыбы, мяса и других продуктов для увеличения срока хранения.

Биологические эффекты Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевые болезни. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором. Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана).

Методы регистрации ионизирующего излучение

Ионизация может быть вызвана альфа и бета излучениями непосредственно, и косвенно рентгеновским, гамма и нейтронным излучениями. Образовавшиеся пары ионов могут быть собраны, и количество накопленных ионных пар соотнесено с уровнем излучения, вызвавшего ионизацию. Во многих приборах дозиметрического контроля ионизация используется в качестве механизма регистрации.

Ионизацио?нная ка?мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии ионов в газе между электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. Ток при прочих равных условиях пропорционален скорости возникновения ионов и, соответственно, мощности дозы облучения.

В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении. Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом. Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

Измерение потока нейтронов

Ионизационные камеры позволяют измерять не только альфа-, бета- или гамма-излучение, но и нейтронное излучение, что достаточно трудно, так как нейтроны не несут заряда и их прохождение через газовый объём камеры не приводит к ионизации газа, которую можно было бы измерить.

Для измерения потока нейтронов камеру разделяют на 2 одинаковых части. В первой части измеряют фоновую ионизацию газа за счёт альфа-, бета- или гамма-излучения, во второй части камеры на стенки наносят бор-10 (для ионизационных камер, измеряющих большие потоки нейтронов в ядерных реакторах) или уран-235 (для камер, измеряющих малые потоки нейтронов). При захвате нейтрона ядром урана-235 происходит вынужденное деление ядра и дополнительная ионизация газа в объёме камеры осколками деления. Бор-10 при захвате нейтрона распадается на ядро лития-7 и альфа-частицу. Разница в ионизации обоих объёмов камеры пропорциональна потоку нейтронов. Вариант ионизационной камеры с ураном-235 (или другим делящимся изотопом) на электродах называется камерой деления. Иногда камеру заполняют газообразным соединением 10BF3 — трифторидом бора-10, что позволяет улучшить эффективность регистрации осколков. При измерении потоков нейтронов ионизационные камеры могут работать в двух режимах: импульсном — при измерении малых потоков нейтронов;

токовом — при измерении больших потоков нейтронов. Используется на АЭС в аппаратуре контроля нейтронного потока (АКНП) для измерения нейтронной мощности реактора. Используемые в настоящее время ионизационные камеры:

КНК-15 — камера пускового диапазона.

КНК-53 — камера рабочего диапазона.

Сцинтилляция

Термолюминесценция

Химические превращения

Ионизирующее излучение может вызывать химические превращения. Это воздействие наблюдается при использовании фотографической пленки в индивидуальной дозиметрии, в медицинской и промышленной рентгенографии. Это явление используют для измерения высоких доз, например, от медицинского оборудования.

Ионизирующее излучение может повышать температуру поглощающей среды и тщательное измерение увеличения температуры может использоваться для измерения дозы облучения. Этот метод (известный как калориметрия) не подходит для текущих измерений в целях радиационной защиты, так как чтобы вызвать даже небольшое повышение температуры, необходимы достаточно большие дозы. Однако он используется как первичный эталон для калибровки дозиметрических приборов.

Биологические изменения

Так как ионизирующее излучение не может быть обнаружено с помощью органов чувств человека, мы полагаемся на регистрацию изменений, производимых излучением при его взаимодействии с различными материалами. Принцип действия детекторов ионизирующего излучения основан на регистрации изменений в поглощающей среде, вызванных передачей энергии ионизирующего излучения веществу. Существуют следующие эффекты, вызываемые ионизирующим излучением, которые позволяют его регистрировать и измерять: ионизация, сцинтилляция, термолюминесценция, химические превращения, калориметрия, биологические изменения. В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических частиц до конца не ясна). Искусственными источниками ионизирующего излучения являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа-, бета- и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение).

Читайте также: