Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал  © 2011 - 2019                          Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки 
Измерения с помощью датчиков, преобразователей, сенсоров
Датчики, сенсоры, измерительные преобразователи. Sensors, transducers
русский / english
Датчики, преобразователи. Sensors, transducers
Датчики, преобразователи, sensors, gauge
Как работает ионизационная камера
   В простейшем случае ионизационная камера представляет собой устройство из двух металлических пластин, изолированных друг от друга и разделенных газовым зазором. Любой воздушный конденсатор может действовать как ионизационные камеры. Пространство между пластинами называется рабочим объемом камеры. Если к пластине приложить постоянное напряжение, образуется пространство с электрическим полем, силовые линии которого направлены от положительной пластины к отрицательной. На электрически заряженную частицу, помещенную в электрическое поле, будет действовать сила, при которой она будет двигаться по траектории, совпадающей с направлением линий электрического поля. Направление движения положительно заряженных частиц совпадает с направлением силовых линий. Отрицательные частицы движутся в противоположном направлении.
   Рассмотрим процессы, происходящие в рабочем объеме ионизационной камеры. При отсутствии напряжения на электродах камеры ионы и электроны, образующиеся в рабочем объеме в результате радиоактивного излучения, беспорядочно движутся вместе с нейтральными атомами, некоторые из которых будут достигать электродов. Если теперь к электродам прикладывать небольшое постоянное напряжение, под воздействием электрического поля ионы и электроны приобретают направленное движение, соответствующее линиям поля (рис. 1). Электроны движутся к положительно заряженной пластине анода, а положительные ионы к отрицательно заряженной пластине катода. Скорость движения тяжелых положительных ионов в тысячи и десятки тысяч раз меньше скорости легких электронов.
   При низком напряжении электродное поле слабое и частицы движутся медленно. Поэтому большинство из них не доходят до электродов, рекомбинируют, то есть превращаются в частицы нейтрального газа. В результате во внешней цепи ток будет очень малым.
   Сила ионизационного тока равна общему электрическому заряду, вносимому заряженными частицами на поверхность электрода в течение одной секунды. Чем больше ионов идет на электроды, тем больше ток. Этот ток записывается с помощью любого электрического прибора, подключенного к цепи камеры.
  









The dependence of the collected on the electrode charge voltage on a discharge gap for large and small primary ionization
The circuit and operation of the ionization counter.
The current-voltage characteristics of the ionization chamber.
 The principle of ionization chamber.
Рис. 1. Принцип ионизационной камеры. Как работает ионизационная камера

   Как работает ионизационная камера
   С увеличением приложенного к пластинам напряжения увеличивается напряженность электрического поля, и  увеличивается количество заряженных частиц, не успевших рекомбинировать, падают на электроды. Сила тока во внешней цепи возрастает (рис. 2, от О до А).
   Наконец, при некотором напряжении U напряженность электрического поля увеличивается, так что все заряженные частицы, образованные внешним ионизатором в рабочем объеме камеры, попадут на электроды. В этом случае ток во внешней цепи определяется только ионизационной способностью излучения. Если ионизационная способность излучения не изменяется, то ток в камере схемы течет без изменений (площадь А кривая). Этот ток называется током насыщения камеры.
   При дальнейшем увеличении напряжения в точке U2 ток, протекающий в цепи камеры, снова начинает расти, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее (часть кривой над точкой). Это связано с тем, что при напряжении выше точки U2 напряженность электрического поля внутри камеры возрастает так, что электроны под действием своих сил получают скорости, достаточные для ионизации атомов нейтрального газа при их встрече. Поэтому ток во внешней цепи определяется общим количеством зарядов, образующихся под воздействием внешнего ионизатора и под действием ионизирующих электронов, попавших внутрь рабочего объема камеры.



Рис. 2. Вольт-амперные характеристики ионизационной камеры.

   Как работает ионизационная камера
   Кривая зависимости ионизационного тока камеры от величины приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой. На участке характеристик от А до В находится разрядный промежуток, так называемый бесшумный разряд.
   Ионизационные камеры обычно находятся в области насыщения тока. Поскольку величина этого тока пропорциональна количеству образующихся ионов, он может служить мерой ионизационной способности излучения.
   В зависимости от использования ионизационные камеры бывают двух типов. Камера, используемая для измерения общей ионизации, вызванной проходом через нее значительного числа ионизирующих частиц, называется интегрирующей ионизационной камерой. В камере, если она работает в области насыщения, через очень короткий промежуток времени после начала излучения достигается баланс между количеством пар ионов, образующихся в камере за единицу времени, и количеством пар ионов, идущих на электроды. в то же время. Величина тока насыщения равна произведению числа пар ионов, образующихся в секунду на кубический сантиметр камеры, ее смещения и заряда каждого иона. Следовательно, текущая величина насыщения может служить мерой дозы облучения.
   Вторым типом являются счетно-ионизационные камеры, которые можно использовать для проверки и определения ионизационной способности любой одной ионизирующей частицы (например, a-частицы), захваченной в рабочем объеме камеры.

О ионизационной камере Гейгера - Мюллера. Радиоактивное излучение

Рис. 3. Схема и работа счетчика ионизации. Как работает ионизационная камера
   Как работает ионизационная камера
   Рассмотрим устройство, показанное на фиг.3, состоящее из металлического цилиндра, на оси которого на изоляторах натянута проволочна нить. Такое устройство мы будем называть газоразрядным счетчиком. На рисунке показано поперечное сечение счетчика. Цилиндр связан с отрицательным полюсом батареи и поэтому называют его катодом; подключенный через сопротивление нагрузки положительный полюс называют его анодом.
   Если через рабочий объем счетчика пройдет ионизирующая частица, то в ее движении будут положительные ионы и электроны, которые под действием электрического поля движутся к электродам: электроны на нить, ионы на цилиндр. Во внешней цепи будет проходить импульс тока, который формирует импульс падения напряжения на сопротивлении нагрузки. Этот импульс напряжения может быть зафиксирован с помощью регистрирующего устройства.
   Посмотрим, как изменится количество электричества в импульсе тока в зависимости от величины, приложенной к противодействующему напряжению. Первоначально, при очень малых напряжениях,  в ионизационной камере количество электричества на импульс будет соответствовать неполному числу электронов, которые достигли нити, а некоторые из них из-за слабости электрического поля могут рекомбинировать. Поэтому с увеличением напряжения счетчика увеличивается и количество электричества на импульс. При определенном напряжении все электронов образующихся в результате ионизации радиоактивными частицами, попадут на поток, и количество электричества за импульс увеличивается. Наступает ток насыщения. Это соответствует горизонтальной части кривой на рис. 4.
   Количество электричества на импульс в этой области определяется только первичной мощностью ионизации ионизатора. Чем больше мощность, тем больше количество электричества на импульс. Таким образом,  α - частица имеет наибольшую мощность ионизации, соответствует верхней кривой. Область напряжения от 0 - U1 - область, называемая областью ионизационной камеры, поскольку счетчик работает как ионизационная камера, то есть количество накопленного на электродах заряда, равное общему заряду электронов, образовавшихся в процессе ионизации.
   Когда напряжение счетчика превышает определенное значение U1, при котором напряжение (сила) электрического поля увеличивается, так что электроны приобретают скорость, достаточную для создания ударной ионизации, количество электричества на импульс увеличивается из-за дополнительной ионизации газа при столкновении электронов. Медленно увеличивая напряжение, этот процесс ударной ионизации сначала происходит только вокруг нити накала, где напряженность поля максимальна. Мы знаем, что ионизация атома электроном может происходить только в том случае, когда энергия электрона будет равна или больше потенциала ионизации газа, в котором он движется. При каждой встрече с нейтральным атомом электрон теряет большую часть своей кинетической энергии.
Рис. 4. Зависимость накопленного напряжения заряда электрода от разрядного промежутка при большой и малой первичной ионизации:
/ - области ионизационных камер; // - коэффициент пропорциональности площади; /// - область ограниченной пропорциональности; IV -  область саморазряда или область Гейгера; V -  область непрерывного разряда.

   Как работает ионизационная камера.
   Если электрическое поле таково, что электрон до следующего столкновения успеет набрать энергию, равную потенциалу ионизации газа, произойдет столкновение, акт ионизации, т. е. электронная оболочка атома, выпускает электрон. Этот "вторичный" электрон вместе с "первичным" полем повторно рассеивается в следующих столкновениях, каждый из которых ионизирует атомы, создавая новые "вторичные" электроны.
   Их число быстро увеличивается, подобно грозным снежным лавинам, скатывающимся по крутым склонам гор. Поэтому этот процесс называется процессом формирования электронных лавин. В этом процессе с увеличением напряжения количество электричества на импульс быстро увеличивается (фаза  II  на рис. 4).
   При движении к нити электрона, образованный внешним ионизатором, создает на пути большое количество новых ионов и электронов. Очевидно, что количество электричества на импульс в области напряжения // будет во много раз больше количества электричества на импульс в области, во сколько раз "умножится" первичный электрон. Электрический ток в счетчике как бы умножается, усиливается, так и для фотоэлектронного умножителя.
   Усиление достигает десятков тысяч раз. Число, которое увеличивает количество, протекающее через счетчик электроэнергии по сравнению с графиком напряжения /, называется коэффициентом усиления газа. Значение коэффициента усиления газа может варьироваться между единицами, в случае, когда счетчик работает в режиме ионизации камеры (часть кривой), и приблизительно до нескольких тысяч в конце сегмента //. На этой части значение коэффициента газового усиления не зависит от числа первичных электронов. Независимо от того, является ли начальный импульс  γ - кванта,  α - частицы или  β - частиц, он увеличивается в постоянном количестве раз.
   Таким образом, здесь, как и в камере, величина импульса пропорциональна ионизирующему излучению, причем эта область называется областью пропорционального усиления. Счетчик, работающий в этом регионе, называется пропорциональным счетчиком. Пропорциональные счетчики характеризуются не только тем, что значение коэффициента усиления газа в них не зависит от исходного числа пар, создаваемых внешним ионизатором, а также тем, что разряд в них прекращается сразу после прекращения внешней ионизации. Этот тип разряда называется не самостоятельным разряд. По мере увеличения напряжения коэффициент усиления газа увеличивается.
   При дальнейшем увеличении напряжения U2 выше коэффициент усиления начинает зависеть от величины начальной ионизации. Для импульсов, возникающих при прохождении ионизирующих частиц с большой емкостью, коэффициент усиления, меньший, чем у импульсов от частиц с низкой ионизирующей способностью, является причиной, по которой область напряжений от U2 до U3 называется областью ограниченной пропорциональности.
   Если вы продолжите увеличивать напряжение на счетчике, количество электричества на импульс не зависит от величины начальной ионизации. В этом случае измеритель переходит в режим саморазряда, то есть разряда, который, если не принимать специальных мер, в результате разряда не прекращается после удаления внешнего ионизатора, т.е. сама категория поддерживает. Область напряжения от U3 до U4 называется областью Гейгера, счетчиком, работающим в этом режиме, счетчиками Гейгера-Мюллера или газоразрядными.
   Из этих счетчиков значение импульсного напряжения на сопротивлении нагрузки не зависит от начальной ионизации. Следовательно, такие счетчики не могут служить непосредственно для измерения ионизирующего действия излучения. Но эти счетчики обладают огромной чувствительностью: их достаточно в измерителе, чтобы принять хотя бы один электрон, поскольку при рождении электронная лавина и во внешней цепи будет пропускать импульс тока.
   Если напряжение на счетчике поднимать выше точки U4, счетчик попадает в поле непрерывного разряда и становится непригодным для регистрации ионизирующих частиц.
   Таким образом, в зависимости от приложенного напряжения, счетчик может работать как ионизационная камера, пропорциональный счетчик и газоразрядный Гейгера - Мюллера. Однако на практике они представляют собой три типа различных устройств с различными конструкциями и в зависимости от назначения применяют тот или иной прибор.