Licznik proporcjonalny - Proportional counter

Licznik proporcjonalny jest typu detektor gazowy urządzenia do pomiaru cząsteczek na promieniowanie jonizujące . Kluczową cechą jest jego zdolność do pomiaru energii promieniowania padającego poprzez wytwarzanie impulsu wyjściowego detektora, który jest proporcjonalny do energii promieniowania pochłoniętego przez detektor w wyniku zdarzenia jonizującego; stąd nazwa detektora. Jest szeroko stosowany tam, gdzie muszą być znane poziomy energii padającego promieniowania, na przykład przy rozróżnianiu cząstek alfa i beta lub dokładnym pomiarze dawki promieniowania rentgenowskiego .

Wykres zmienności prądu pary jonowej w funkcji napięcia przyłożonego dla detektora promieniowania gazowego w cylindrze drutowym.

Licznik proporcjonalny wykorzystuje kombinację mechanizmów rury Geigera-Müllera i komory jonizacyjnej i działa w obszarze napięcia pośredniego między nimi. Załączony wykres pokazuje proporcjonalny obszar napięcia roboczego licznika dla współosiowego układu cylindra.

Operacja

Generowanie dyskretnych lawin Townsenda w liczniku proporcjonalnym.
Wykres natężenia pola elektrycznego na anodzie pokazujący granicę obszaru lawinowego.

W liczniku proporcjonalnym gaz wypełniający komorę jest gazem obojętnym, który jest zjonizowany przez padające promieniowanie, oraz gazem gaszącym, aby zapewnić zakończenie każdego wyładowania impulsowego; powszechną mieszaniną jest 90% argon, 10% metan, znany jako P-10. Cząstka jonizująca wchodząca do gazu zderza się z atomem gazu obojętnego i jonizuje go w celu wytworzenia elektronu i dodatnio naładowanego jonu, powszechnie znanego jako „para jonowa”. Gdy jonizująca cząstka przemieszcza się przez komorę, pozostawia ślad par jonowych wzdłuż swojej trajektorii, których liczba jest proporcjonalna do energii cząstki, jeśli jest całkowicie zatrzymana w gazie. Zazwyczaj zatrzymana cząstka o energii 1 MeV tworzy około 30 000 par jonowych.

Geometria komory i przyłożone napięcie są takie, że w większości komory natężenie pola elektrycznego jest niskie, a komora działa jak komora jonowa. Jednak pole jest wystarczająco silne, aby zapobiec ponownemu połączeniu par jonowych i powoduje, że jony dodatnie dryfują w kierunku katody, a elektrony w kierunku anody. To jest obszar „dryfu jonów”. W bezpośrednim sąsiedztwie drutu anodowego siła pola staje się wystarczająco duża, aby wywołać lawiny Townsenda . Ten obszar lawinowy występuje tylko ułamki milimetra od drutu anodowego, który sam ma bardzo małą średnicę. Celem tego jest wykorzystanie efektu zwielokrotnienia lawiny wytwarzanej przez każdą parę jonową. To jest region „lawinowy”.

Kluczowym celem projektowym jest to, aby każde pierwotne zdarzenie jonizujące spowodowane promieniowaniem padającym powodowało tylko jedną lawinę. Ma to na celu zapewnienie proporcjonalności między liczbą pierwotnych zdarzeń a całkowitym prądem jonów. Z tego powodu przyłożone napięcie, geometria komory i średnica drutu anodowego mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia proporcjonalnej pracy. Jeśli lawiny zaczną się rozmnażać samoczynnie z powodu fotonów UV, tak jak w rurze Geigera-Mullera , licznik wchodzi w obszar „ograniczonej proporcjonalności”, aż przy wyższym przyłożonym napięciu nastąpi mechanizm wyładowania Geigera z całkowitą jonizacją otaczającego gazu drut anodowy i w konsekwencji utrata informacji o energii cząstek.

Dlatego można powiedzieć, że licznik proporcjonalny ma kluczową cechę konstrukcyjną dwóch różnych obszarów jonizacji:

  1. Obszar dryfu jonów: w zewnętrznej objętości komory – tworzenie liczbowych par jonów proporcjonalnych do energii promieniowania padającego.
  2. Obszar lawinowy: w bezpośrednim sąsiedztwie anody – wzmocnienie ładunku prądów par jonowych, przy zachowaniu lokalnych lawin.

Proces wzmacniania ładunku znacznie poprawia stosunek sygnału do szumu detektora i zmniejsza późniejsze wymagane wzmocnienie elektroniczne.

Podsumowując, licznik proporcjonalny to genialne połączenie dwóch mechanizmów jonizacyjnych w jednej komorze, które znajduje szerokie zastosowanie praktyczne.

Mieszanki gazowe

Zazwyczaj detektor wypełniony jest gazem szlachetnym ; mają najniższe napięcia jonizacji i nie ulegają degradacji chemicznej. Zazwyczaj stosuje się neon , argon , krypton lub ksenon. Promieniowanie rentgenowskie o niskiej energii najlepiej wykrywa się przy jaśniejszych jądrach (neon), które są mniej wrażliwe na fotony o wyższej energii. Krypton lub ksenon są wybierane w przypadku promieniowania rentgenowskiego o wyższej energii lub w celu uzyskania wyższej pożądanej wydajności.

Często główny gaz jest mieszany z dodatkiem hartującym. Popularną mieszanką jest P10 (10% metan , 90% argon).

Typowe ciśnienie robocze to 1 atmosfera (około 100 kPa).

Wzmocnienie sygnału przez mnożenie

W przypadku cylindrycznego licznika proporcjonalnego mnożenie M sygnału wywołanego przez lawinę można zamodelować w następujący sposób:

Gdzie a jest promieniem drutu anodowego, b jest promieniem licznika, p jest ciśnieniem gazu, a V jest napięciem roboczym. K jest właściwością użytego gazu i wiąże energię potrzebną do wywołania lawiny z ciśnieniem gazu. Ostatni termin podaje zmianę napięcia wywołaną przez lawinę.

Aplikacje

Spektroskopia

Proporcjonalność między energią naładowanej cząstki przemieszczającej się przez komorę a całkowitym wytworzonym ładunkiem sprawia, że ​​liczniki proporcjonalne są przydatne w spektroskopii cząstek naładowanych . Mierząc czas całkowity ładunek ( integralną z prądem elektrycznym ) między elektrodami, można określić na cząstki energię kinetyczną , gdyż liczba par jonowych utworzonych przez zdarzenia jonizującego naładowane cząstki jest proporcjonalna do energii. Rozdzielczość energetyczna licznika proporcjonalnego jest jednak ograniczona, ponieważ zarówno początkowe zdarzenie jonizacyjne, jak i późniejsze zdarzenie „mnożenia” podlegają fluktuacjom statystycznym charakteryzującym się odchyleniem standardowym równym pierwiastkowi kwadratowemu z utworzonej średniej liczby. Jednak w praktyce nie są one tak duże, jak można by się spodziewać, ze względu na działanie empirycznego czynnika Fano, który zmniejsza te wahania. W przypadku argonu jest to eksperymentalnie około 0,2.

Wykrywanie fotonów

Liczniki proporcjonalne są również przydatne do wykrywania fotonów o wysokiej energii , takich jak promieniowanie gamma , pod warunkiem, że mogą one przeniknąć przez okno wejściowe. Są one również wykorzystywane do wykrywania promieniowania rentgenowskiego do poziomu energii poniżej 1 Kev, przy użyciu cienkościennych rurek pracujących pod ciśnieniem atmosferycznym lub zbliżonym.

Wykrywanie skażeń promieniotwórczych

Liczniki proporcjonalne w postaci wielkopowierzchniowych detektorów planarnych są szeroko stosowane do sprawdzania skażenia radioaktywnego personelu, płaskich powierzchni, narzędzi i elementów odzieży. Zwykle ma to postać zainstalowanego oprzyrządowania ze względu na trudności w zapewnieniu przenośnych dostaw gazu do urządzeń ręcznych. Są one zbudowane z dużym oknem detekcyjnym wykonanym z metalizowanego mylaru, który tworzy jedną ściankę komory detekcyjnej i jest częścią katody. Drut anodowy jest poprowadzony w sposób zawiły w komorze detektora, aby zoptymalizować skuteczność wykrywania. Są one zwykle używane do wykrywania cząstek alfa i beta i mogą umożliwiać ich rozróżnienie poprzez dostarczanie impulsu wyjściowego proporcjonalnego do energii zdeponowanej w komorze przez każdą cząstkę. Mają wysoką wydajność dla beta, ale niższą dla alfa. Zmniejszenie wydajności dla alfa wynika z efektu tłumienia okna wejściowego, chociaż odległość od sprawdzanej powierzchni również ma znaczący wpływ, a idealnie źródło promieniowania alfa powinno znajdować się w odległości mniejszej niż 10 mm od detektora ze względu na tłumienie w powietrzu.

Komory te działają przy bardzo niewielkim nadciśnieniu powyżej ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Gaz może być szczelnie zamknięty w komorze lub może być zmieniany w sposób ciągły, w takim przypadku są one znane jako „liczniki proporcjonalne przepływu gazu”. Typy przepływu gazu mają tę zaletę, że tolerują małe otwory w sicie mylarowym, które mogą wystąpić podczas użytkowania, ale wymagają ciągłego zasilania gazem.

Wskazówki dotyczące korzystania z aplikacji

W Zjednoczonym Królestwie Health and Safety Executive (HSE) wydała notę naprowadzania użytkownika na wybór odpowiedniego instrumentu pomiaru promieniowania dla danej aplikacji. [1] Obejmuje to wszystkie technologie instrumentów radiacyjnych i jest użytecznym przewodnikiem porównawczym stosowania liczników proporcjonalnych.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Patenty