Komora jonizacyjna
Komora jonizacyjna jest najprostszym rodzajem gazowego detektora jonizacji i jest szeroko stosowana do wykrywania i pomiaru wielu rodzajów promieniowania jonizującego , w tym promieni rentgenowskich , promieniowania gamma i cząstek beta . Konwencjonalnie termin „komora jonizacyjna” odnosi się wyłącznie do tych detektorów, które zbierają wszystkie ładunki powstałe w wyniku bezpośredniej jonizacji w gazie poprzez zastosowanie pola elektrycznego. Wykorzystuje dyskretne ładunki powstałe w wyniku każdej interakcji między padającym promieniowaniem a gazem, aby wytworzyć wyjście w postaci małego prądu stałego . Oznacza to, że nie można zmierzyć poszczególnych zdarzeń jonizujących, więc nie można rozróżnić energii różnych rodzajów promieniowania, ale daje to bardzo dobry pomiar ogólnego efektu jonizującego.
Ma dobrą jednolitą odpowiedź na promieniowanie w szerokim zakresie energii i jest preferowanym sposobem pomiaru wysokich poziomów promieniowania gamma, na przykład w gorącej komorze promieniowania, ponieważ mogą one tolerować długie okresy w polach o wysokim napromieniowaniu bez degradacji. Są szeroko stosowane w energetyce jądrowej, laboratoriach badawczych, wykrywaniu pożarów , ochronie przed promieniowaniem i monitorowaniu środowiska.
Zasada działania
Komora jonizacji gazu mierzy ładunek na podstawie liczby par jonowych utworzonych w gazie w wyniku padającego promieniowania. Składa się z wypełnionej gazem komory z dwiema elektrodami ; znany jako anoda i katoda . Elektrody mogą mieć postać równoległych płytek (Parallel Plate Ionization Chambers: PPIC) lub cylindra ze współosiowo umieszczonym wewnętrznym drutem anodowym.
Potencjał napięciowy jest przykładany między elektrodami w celu wytworzenia pola elektrycznego w gazie wypełniającym. Kiedy atomy lub cząsteczki gazu między elektrodami są jonizowane przez padające promieniowanie jonizujące , tworzą się pary jonowe , a powstałe jony dodatnie i zdysocjowane elektrony przemieszczają się do elektrod o przeciwnej polaryzacji pod wpływem pola elektrycznego. Generuje to prąd jonizacji, który jest mierzony przez elektrometru w zakresie od femtoamperów do pikoamperów , w zależności od konstrukcji komory i jest proporcjonalna do dawki promieniowania.
Pole elektryczne musi być wystarczająco silne, aby zapobiec rekombinacji par jonowych, które mogłyby zmniejszyć prąd jonowy, a gromadzeniu się jonów dodatnich zapobiega ich rekombinacja z elektronami, gdy dotrą do katody. Ten tryb pracy jest określany jako tryb „prądowy”, co oznacza, że sygnał wyjściowy jest prądem ciągłym, a nie wyjściem impulsowym, jak w przypadku lampy Geigera – Müllera lub licznika proporcjonalnego .
Odnosząc się do załączonego wykresu zbierania par jonowych, można zauważyć, że w obszarze roboczym komory jonowej ładunek zebranej pary jonowej jest faktycznie stały w zakresie przyłożonego napięcia, ponieważ ze względu na stosunkowo niskie natężenie pola elektrycznego komora jonowa nie ma efektu mnożenia. Różni się to od rury Geigera-Müllera lub licznika proporcjonalnego, w którym elektrony wtórne, a ostatecznie wiele lawin, znacznie wzmacniają pierwotne ładunki jonizacji, wytwarzając mierzalne impulsy.
Rodzaje i budowa komór
Powszechnie stosowane są następujące typy komór.
Komora na wolnym powietrzu
Jest to komora swobodnie otwarta na atmosferę, w której gazem wypełniającym jest powietrze otoczenia. Dobrym tego przykładem jest domowa czujka dymu , w której konieczny jest naturalny przepływ powietrza przez komorę, aby cząsteczki dymu mogły zostać wykryte przez zmianę prądu jonowego. Innymi przykładami są zastosowania, w których jony powstają na zewnątrz komory, ale są przenoszone przez wymuszony przepływ powietrza lub gazu.
Wentylowana komora
, w przewodzie odpowietrzającym instalowany jest filtr zawierający środek osuszający . Ma to na celu powstrzymanie gromadzenia się wilgoci we wnętrzu komory, która w przeciwnym razie zostałaby wprowadzona przez efekt „pompowania” zmieniającego się ciśnienia powietrza atmosferycznego. Komory te mają cylindryczny korpus wykonany z aluminium lub tworzywa sztucznego o grubości kilku milimetrów. Materiał jest wybierany tak, aby miał liczbę atomową podobną do liczby atomowej powietrza, dzięki czemu mówi się, że ściana jest „równoważna powietrzu” w zakresie energii wiązki promieniowania. Powoduje to, że gaz w komorze zachowuje się tak, jakby był częścią nieskończenie dużej objętości gazu, i zwiększa dokładność poprzez zmniejszenie interakcji promieniowania gamma z materiałem ściany. Im wyższa liczba atomowa materiału ściany, tym większa szansa na interakcję. Grubość ścianki to kompromis między utrzymaniem efektu powietrza przy grubszej ściance a zwiększeniem czułości dzięki zastosowaniu cieńszej ścianki. Komory te często mają okienko końcowe wykonane z wystarczająco cienkiego materiału, takiego jak mylar cząstki beta mogą wejść do objętości gazu. Promieniowanie gamma wchodzi zarówno przez okno końcowe, jak i przez ściany boczne. W przypadku przyrządów ręcznych grubość ścianki jest jak najbardziej jednolita, aby zmniejszyć kierunkowość fotonów, chociaż każda odpowiedź okna beta jest oczywiście wysoce kierunkowa. Wentylowane komory są podatne na niewielkie zmiany wydajności pod wpływem ciśnienia powietrza, a współczynniki korygujące można zastosować w przypadku bardzo dokładnych pomiarów.
Uszczelniona komora niskiego ciśnienia
Są one podobne w konstrukcji do wentylowanej komory, ale są uszczelnione i działają przy ciśnieniu atmosferycznym lub zbliżonym do niego. Komory te mają również tę zaletę, że nie wymagają odpowietrznika i środka osuszającego. Aby poprawić skuteczność wykrywania, są one wypełnione gazem szlachetnym , ponieważ wysoce elektroujemny tlen w powietrzu łatwo wychwytuje wolne elektrony, tworząc jony ujemne. Wytrzymałość okna beta ogranicza różnicę ciśnień w stosunku do ciśnienia atmosferycznego, które można tolerować, a typowymi materiałami są stal nierdzewna lub tytan o typowej grubości 25 µm.
Komora wysokiego ciśnienia
Wydajność komory można dodatkowo zwiększyć poprzez zastosowanie gazu pod wysokim ciśnieniem. Zwykle można zastosować ciśnienie 8-10 atmosfer i stosuje się różne gazy szlachetne. Wyższe ciśnienie skutkuje większą gęstością gazu, a tym samym większą szansą zderzenia z gazem wypełniającym i utworzeniem pary jonowej przez padające promieniowanie. Ze względu na zwiększoną grubość ścianki wymaganą do wytrzymania tego wysokiego ciśnienia, można wykryć tylko promieniowanie gamma. Detektory te stosowane są w miernikach geodezyjnych oraz do monitoringu środowiska.
Geometria komory
Najczęściej stosowana do pomiarów radioterapii jest komora cylindryczna lub „naparstek”. Aktywna objętość jest umieszczona we wnęce w kształcie gilzy z wewnętrzną powierzchnią przewodzącą (katodą) i centralną anodą. Napięcie polaryzacji przyłożone do wnęki zbiera jony i wytwarza prąd, który można zmierzyć za pomocą elektrometru.
Komory z równoległymi płytami (PPIC) mają kształt małego dysku, z okrągłymi elektrodami zbiorczymi oddzielonymi małą szczeliną, zwykle 2 mm lub mniejszą. Górna tarcza jest niezwykle cienka, co pozwala na znacznie dokładniejsze pomiary dawki przy powierzchni niż jest to możliwe w przypadku komory cylindrycznej. Komory monitorujące to zazwyczaj PPIC, które są używane do ciągłego pomiaru, takiego jak intensywność wiązki promieniowania. Na przykład w głowicy akceleratorów liniowych stosowanych w radioterapii . Komory jonizacyjne z wieloma wnękami mogą mierzyć intensywność wiązki promieniowania w kilku różnych regionach, dostarczając informacji o symetrii i płaskości wiązki.
Komory badawcze i kalibracyjne
.jpg)
Wczesne wersje komory jonowej były używane przez Marie i Pierre'a Curie w ich oryginalnej pracy nad izolowaniem materiałów radioaktywnych. Od tego czasu komora jonowa jest szeroko stosowanym narzędziem w laboratorium do celów badawczych i kalibracyjnych.
Komnaty historyczne
Komora skraplacza
Komora skraplacza ma dodatkową wnękę w trzpieniu, która działa jak kondensator . Kiedy ten kondensator jest w pełni naładowany, jakakolwiek jonizacja w gilzie przeciwdziała temu ładunkowi, a zmianę ładunku można zmierzyć. Są praktyczne tylko dla wiązek o energii 2 MeV lub mniejszej, a wysoki wyciek z łodygi sprawia, że nie nadają się do precyzyjnej dozymetrii.
Komora ekstrapolacyjna
Podobna w konstrukcji do równoległej komory płytowej, górna płyta komory ekstrapolacyjnej może być dolna za pomocą śrub mikrometrycznych. Pomiary można wykonywać przy różnym rozstawie płytek i ekstrapolować do zerowego rozstawu płytek, czyli dawki bez komory.
Rodzaje instrumentów
Ręczny
Komory jonowe są szeroko stosowane w ręcznych miernikach promieniowania do pomiaru promieniowania beta i gamma. Są one szczególnie preferowane do pomiarów dużych dawek, aw przypadku promieniowania gamma dają dobrą dokładność dla energii powyżej 50-100 keV.
Istnieją dwie podstawowe konfiguracje; jednostka „integralna” z komorą i elektroniką w tej samej obudowie oraz instrument „dwuczęściowy”, który ma oddzielną sondę komory jonowej, połączoną z modułem elektroniki za pomocą elastycznego kabla.
Komora integralnego instrumentu znajduje się zazwyczaj z przodu obudowy skierowanej w dół, aw przypadku przyrządów beta/gamma w dolnej części obudowy znajduje się okienko. Zwykle ma przesuwaną osłonę, która umożliwia rozróżnienie między promieniowaniem gamma i beta. Operator zamyka osłonę, aby wykluczyć beta i może w ten sposób obliczyć szybkość każdego rodzaju promieniowania.
Niektóre ręczne instrumenty generują słyszalne kliknięcia podobne do tych wytwarzanych przez licznik GM, aby pomóc operatorom, którzy wykorzystują dźwiękowe sprzężenie zwrotne podczas badań promieniowania i kontroli zanieczyszczeń. Ponieważ komora jonowa działa w trybie prądowym, a nie pulsacyjnym, jest to syntezowane na podstawie szybkości promieniowania.
Zainstalowane
W przypadku pomiarów procesów przemysłowych i blokad z utrzymującymi się wysokimi poziomami promieniowania preferowanym detektorem jest komora jonowa. W tych zastosowaniach tylko komora znajduje się w obszarze pomiarowym, a elektronika jest umieszczona w oddaleniu chroniącym ją przed promieniowaniem i połączona kablem. Zainstalowane przyrządy mogą być używane do pomiaru gamma otoczenia w celu ochrony personelu i zwykle uruchamiają alarm powyżej ustawionej szybkości, chociaż instrument z rurką Geigera – Müllera jest generalnie preferowany tam, gdzie nie jest wymagany wysoki poziom dokładności.
Ogólne środki ostrożności podczas użytkowania
Wilgoć jest głównym problemem wpływającym na dokładność komór jonowych. Wewnętrzna objętość komory musi być całkowicie sucha, a typ wentylowany wykorzystuje środek osuszający, aby w tym pomóc. Ze względu na generowane bardzo niskie prądy, każdy błądzący prąd upływu musi być ograniczony do minimum w celu zachowania dokładności. Niewidoczna higroskopijna wilgoć na powierzchni dielektryków kabli i złączy może wystarczyć do wywołania prądu upływowego, który zatopi każdy prąd jonowy wywołany promieniowaniem. Wymaga to skrupulatnego oczyszczenia komory, jej zakończeń i kabli, a następnie suszenia w piecu. „Pierścienie ochronne” są zwykle stosowane jako cecha konstrukcyjna rur wysokiego napięcia w celu zmniejszenia wycieku przez lub wzdłuż powierzchni izolatorów połączeń rur, co może wymagać rezystancji rzędu 10 13 Ω.
W zastosowaniach przemysłowych ze zdalną elektroniką komora jonowa jest umieszczona w oddzielnej obudowie, która zapewnia ochronę mechaniczną i zawiera środek osuszający usuwający wilgoć, która mogłaby wpłynąć na rezystancję zakończenia.
W instalacjach, w których komora znajduje się w dużej odległości od elektroniki pomiarowej, na odczyty może wpływać zewnętrzne promieniowanie elektromagnetyczne działające na kabel. Aby temu zaradzić, często stosuje się lokalny moduł konwertera do przekształcania bardzo niskich prądów w komorze jonowej na ciąg impulsów lub sygnał danych związany z padającym promieniowaniem. Są odporne na efekty elektromagnetyczne.
Aplikacje
Przemysł jądrowy
Komory jonizacyjne są szeroko stosowane w przemyśle nuklearnym, ponieważ zapewniają moc wyjściową proporcjonalną do dawki promieniowania . Znajdują szerokie zastosowanie w sytuacjach, w których mierzona jest stała wysoka moc dawki, ponieważ mają dłuższą żywotność niż standardowe lampy Geigera-Müllera, które cierpią z powodu awarii gazu i są generalnie ograniczone do około 10 11 zdarzeń. Ponadto rura Geigera-Müllera nie może działać z prędkością większą niż około 10 4 zliczeń na sekundę ze względu na efekt czasu martwego, podczas gdy nie ma podobnych ograniczeń dotyczących komory jonowej.
Wykrywacze dymu
Komora jonizacyjna znalazła szerokie i korzystne zastosowanie w czujkach dymu . W jonizacyjnej czujce dymu powietrze z otoczenia może swobodnie przedostawać się do komory jonizacyjnej. Komora zawiera niewielką ilość ameryku-241 , który jest emiterem cząstek alfa wytwarzających stały prąd jonowy. Jeśli dym dostanie się do detektora, zakłóci ten prąd, ponieważ jony zderzają się z cząsteczkami dymu i zostają zneutralizowane. Ten spadek prądu wyzwala alarm. Detektor posiada również komorę referencyjną, która jest szczelna, ale jonizowana w ten sam sposób. Porównanie prądów jonowych w obu komorach umożliwia kompensację zmian spowodowanych ciśnieniem powietrza, temperaturą lub starzeniem się źródła.
Pomiar promieniowania medycznego
W fizyce medycznej i radioterapii komory jonizacyjne służą do zapewnienia, że dawka dostarczana z jednostki terapeutycznej lub radiofarmaceutyku jest zgodna z przeznaczeniem. Urządzenia stosowane w radioterapii nazywane są „dozymetrami referencyjnymi”, natomiast te stosowane w radiofarmaceutyce nazywane są kalibratorami dawek radioizotopów – niedokładna nazwa kalibratorów radioaktywności radionuklidów , które są używane do pomiaru radioaktywności, ale nie dawki pochłoniętej. Komora będzie miała współczynnik kalibracji ustalony przez krajowe laboratorium normalizacyjne, takie jak ARPANSA w Australii lub NPL w Wielkiej Brytanii, lub będzie miała współczynnik określony przez porównanie z komorą wzorcową przenoszenia, którą można powiązać z normami krajowymi w miejscu użytkownika.
Wskazówki dotyczące korzystania z aplikacji
W Zjednoczonym Królestwie HSE wydało przewodnik użytkownika dotyczący wyboru właściwego przyrządu do pomiaru promieniowania dla konkretnego zastosowania . Obejmuje to wszystkie technologie instrumentów radiacyjnych i jest użytecznym przewodnikiem porównawczym dotyczącym korzystania z instrumentów komory jonowej.
Zobacz też
- Dawka pochłonięta
- Teoria wnęki Bragga-Graya
- Dozymetria
- Gazowy detektor jonizacji
- komora siwerta
- Siła hamowania (promieniowanie cząstek)
Notatki
| Biblioteki Narodowe | |
|---|---|
| Inny | |
