Виды датчиков (детекторов) дозиметрических приборов

Для измерения радиации используют различные дозиметрические приборы. 

Датчик дозиметрического прибора - это элемент, который преобразует энергию ионизирующего излучения в электрический сигнал, который затем обрабатывается и отображается в виде измеряемой величины (например, мощности дозы, поглощенной дозы, числа импульсов).

     Разнообразие видов ионизирующего излучения (альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское излучение, нейтроны) и их различные свойства вызывают необходимость использования различных датчиков, каждый из которых имеет свои особенности.

Ниже приведу лишь некоторые виды датчиков (детекторов) дозиметрических приборов, которые, по моему мнению, самые распространённые.

И приведу только лишь ОБЩЕЕ описание, так как мало того что они могут быть разного типа (конструкции), но также и каждый тип может делить ещё на разные конструкции со своими особенностями.

И прежде чем начну описывать виды детекторов хочу сказать что по возможности регистрации энергораспределения излучения детекторы бывают двух видов

• спектрометрические детекторы. Для них характерно прямо пропорциональная зависимость энергии излучения от выходного сигнала.
       Спектрометрические детекторы бывают пропорциональными и полупроводниковыми.
• интегральные детекторы. Для них характерно что выходной сигнал остается постоянным, то есть не зависит от энергии излучения. Примером такого детектора может быть сётчик Гейгера-Мюллера, который описан ниже.

Ионизационная камера дозиметрического прибора

Ионизационные камеры - это датчики ионизирующего излучения, конструкция которых состоит из различных по исполнению газонаполненных камер.

Конструкция ионизационной камеры может быть различной. Обычно они плоская (две пластины с зазором между ними) или коаксиальная (один электрод представляет собой трубу, а другой - цилиндр или проволока, помещённая внутри первого электрода соосно с ним).

Принцип работы ионизационной камеры следующий: при отсутствии радиоактивного излучения в цепи ионизационной камеры тока не будет, поскольку воздух является изолятором. Под воздействием проходящих через камеру заряженных частиц молекулы воздуха в камере ионизируются. В образовавшемся электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к катоду (-), а отрицательные - к аноду. В результате возникает ионизационный ток, который регистрируется микроамперметром.

     То есть работа ионизационных детекторов основана на ионизирующей способности излучения

Ионизационные камеры в основном применяются для регистрации бета и гамма излучений.

Ионизационные камеры применяются главным образом в рентгенометрах.

Газоразрядный датчик дозиметрического прибора (счётчик Гейгера, счётчик Гейгера-Мюллера)

Газоразрядные датчики представляет собой герметичный металлическую или стеклянную трубку, которая наполнена инертным газом (неон, аргон) или газовой смесью. Внутри трубки имеются электроды - катод и анод (Внутри стеклянной колбы протянут тонкий металлический провод, являющийся анодом, а внутренняя стенка стеклянной колбы покрыта медной плёнкой, которая служит катодом. У металлической колбы катодом служит сам корпус.). Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создаётся пониженное давление. 

Самый известный и самый старый вариант газоразрядного счётчика называется "счётчик Гейгера" или "счётчик Гейгера-Мюллера". И именно так иногда называют вообще всё дозиметрические приборы.

Принцип работы газоразрядного датчика следующий: при отсутствии радиоактивного излучения тока не будет, так как хоть на электродах и есть высокое напряжение, но газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление. Когда заряженная частица с высокой энергией сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения в несколько сотен вольт электроны, находящиеся в инертном газе, начинают устремляться к аноду. На этом пути они легко ионизируют молекулы газа, выбивая вторичные электроны.

     Эти электроны, ускоряясь под действием электрического поля между анодом и катодом, ионизируют другие атомы газа, создавая лавину электронов и положительных ионов. Этот процесс приводит к кратковременному электрическому разряду (импульсу), который регистрируется электроникой прибора.

Газоразрядные датчики имеют простую конструкцию и малую стоимость, обладают высокой чувствительностью и применяются для обнаружения и измерения радиоактивных излучений малой интенсивности. Но они плохо подходят для регистрации альфа излучений.

Наиболее распространенной конструкцией газоразрядного датчика, является счетчик Гейгера-Мюллера, который применяется в большинстве бытовых и профессиональных дозиметрах.

Сцинтилляционные кристаллы дозиметрических приборов

Сцинтилляционные кристаллы - это кристаллы неорганического или органического происхождения.

Принцип работы сцинтилляционных кристаллов следующий: ионизирующее излучение взаимодействует с материалом сцинтиллятора (например, кристалл йодида натрия, активированный таллием, пластиковые сцинтилляторы), возбуждая его атомы или молекулы. При возвращении в основное состояние они испускают фотоны света (то есть возникают вспышки). Эти фотоны усиливаются фотоэлектронным умножителем ФЭУ или улавливаются фотодиодом и преобразуются в электрический сигнал.

     То есть принцип сцинтилляционных детекторов основан на преобразовании фотоэлектрическим умножителем световых вспышек в электросигналы.

Сцинтилляционные кристаллы могут применяться для регистрации всех видов радиации (в зависимости от типа сцинтиллятора), обладают высокой эффективностью регистрации гамма-излучения, позволяют создавать детекторы большой площади и объёма.

Имеют достаточно большие размеры и высокую стоимость, чувствительны к температуре и влажности.

Сцинтилляционные кристаллы применяются в основном в поисковых дозиметрических приборах, так как обладают высокой чувствительностью и точностью. Реже они применяются в сигнализаторах и измерителях.

Сцинтилляционные кристаллы примеются в гамма-спектрометрии, медицинской диагностики (сцинтилляционные камеры), системах радиационного контроля на атомных электростанциях, поисковых приборы для обнаружения гамма-излучающих изотопов.

Твердотельные полупроводниковые датчики дозиметрических приборов

Твердотельные полупроводниковые детекторы состоят из кристаллов и полупроводникового материала (кремний, германий), которые при взаимодействии с ионизирующим излучением генерируют электронно-дырочные пары

Принцип работы твёрдотельных полупроводниковых датчиков дозиметрических приборов следующий: ионизирующее излучение, проходя через полупроводниковый кристалл, выбивает электроны из атомов, создавая свободные носители заряда (электроны и дырки). Под действием приложенного напряжения эти носители заряда перемещаются, создавая электрический ток или импульс.

Твердотельные полупроводниковые детекторы могут применяться для регистрации всех видов радиации. Они имеют малые размебры, быстро срабатывают, возможно их использовать при низких температурах (для германиевых детекторов).

     Но некоторые типы твердотельных полупроводниковых детекторов(например, германиевых) требуют охлаждение.