В каталоге 4065 приборов

Для инженеров:
— удобный поиск по параметрам
— постоянно обновляемый каталог
Для компаний КИПиА:
— возможность бесплатно получить клиентов
— удобный инструмент добавления приборов

Принцип действия датчиков радиоактивности



 О чем эта статья

Чтобы контролировать радиоактивный фон необходим специальный датчик радиоактивности. Существует несколько типов устройств, имеющих свои достоинства и недостатки. Об этих типах датчиков радиактивности и их устройства и пойдет речь в статье.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Приборы для измерения шероховатости» или «Принцип работы твердомеров по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу».

Использование радиоактивных материалов позволило создать новые установки и аппараты, использующиеся в различных областях человеческой деятельности. Эффективность их использования не вызывает сомнений.

Однако, их использование несет потенциальную опасность при нарушении правил эксплуатации или техногенных катастрофах. Своевременно выявить неполадки и обеспечить постоянный мониторинг радиационной обстановки позволяют датчики радиоактивности.

Действие всех разработанных датчиков радиоактивности основано на эффектах, возникающих в результате взаимодействия излучений (альфа, бета, гамма, нейтронного, рентгеновского) с газообразными, жидкими или твердыми веществами.

Радиоактивность обнаруживается по наличию ионизирующего излучения. Оно является результатом взаимодействия продуктов ядерного распада (частиц или электромагнитного излучения) с определенной средой. В результате взаимодействия продукты распада теряют свою энергию, что приводит к образованию разноименных носителей заряда - ионов или электронов и дырок. А направленное движение зарядов легко преобразуется в электрические сигналы, связанные с характеристиками радиоактивности.

Комплект для измерения радиоактивности обычно состоит из датчика радиоактивности (детектора), усилителя, преобразователя и устройства отображения информации.

Бок-схема устройства контроля радиоактивности
Рис. 1. Бок-схема устройства контроля радиоактивности.

Ниже рассмотрен принцип работы трех типов наиболее распространенных датчиков радиоактивности: полупроводниковых, прямого заряда и с ионизационной камерой.

Полупроводниковые датчики радиоактивности

В датчиках этого типа чувствительным элементом является обедненная носителями электрического заряда зона полупроводника. Проходя через эту зону энергия излучения продуцирует новые носители зарядов. Количество возникающих зарядов связано с характеристиками радиоактивного излучения.

Конструктивно полупроводниковая структура датчика состоит из двух соединенных полупроводников с различными типами проводимости. В полупроводниках р-типа носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в полупроводниках n-типа – отрицательно заряженные электроны. Зона контакта на границе их соединения называется электронно-дырочным переходом или запретной зоной.

В обесточенном состоянии (рис.2а) дырки и электроны диффундируют через переход в противоположных направлениях. При этом на границах своей зоны электроны, покидая ее, оставляют положительный заряд, а дырки – отрицательный. Этот слой оставленных зарядов своим электрическим полем перекрывает пути мигрирования электронов и дырок.

Распределение носителей заряда
Рис. 2. Распределение носителей заряда: а – без внешнего поля, б – в электрическом поле.

Внешнее электрическое поле (рис.2б) концентрирует дырки у отрицательного электрода, а электроны – у положительного. Благодаря этому узкая граница перехода превращается в широкую, свободную от носителей зарядов зону. Ширина этой зоны определяется величиной приложенного «концентрирующего» напряжения Это обедненная носителями зона, в ней «обитают» только атомы исходных полупроводников и примесей. Сформированная таким образом зона чувствительна к ионизирующему излучению.

При прохождении через чувствительную зону ионизирующего излучения (рис.3) в ее объеме формируются новые электронно-дырочные пары. Они перемещаются к соответствующим электродам, создавая ток во внешней цепи. Величина этого тока пропорциональна энергии ионизирующего излучения.

Полупроводниковый датчик радиоактивности
Рис. 3. Полупроводниковый датчик радиоактивности.

Полупроводниковые датчики изготовляются из различных материалов и используются для определения энергий с большой ионизационной способностью. Их достоинством является малая величина энергии, необходимая для образования носителей заряда – порядка 3 эВ.

Датчики радиоактивности прямого заряда

Работа датчиков радиоактивности прямого заряда основана на взаимодействии нейтронов с нейтроночувствительным материалом. Процесс взаимодействия проходит несколько этапов. Это обусловлено тем, что нейтроны самостоятельно не могут  создавать в чувствительном материале датчика носители  заряда. Но взаимодействие нейтронов с ним  вызывает ядерные реакции с появлением бета-частиц, сопровождающиеся гамма-излучением. Вторичное излучение способствует появлению свободных электронов, количество которых можно регистрировать.

Основными элементами датчика являются нейтроночувствительный эмиттер и коллектор, разделенные диэлектрическим материалом. В качестве материала эмиттера применяются такие металлы как платина, родий, кадмий. Материал выбирают в зависимости от назначения датчика. Например, лучшей линейной зависимостью выходного сигнала обладают датчики с эмиттером из родия, а худшей – из платины. Платина больше подходит для обнаружения гамма-излучения, чем нейтронного.

При нахождении датчика в потоке нейтронов, электроны, образующиеся при бета-распаде в нейтроночувствительном эмиттере движутся к коллектору. Создается разность потенциалов в промежутке эмиттер – коллектор. Датчик работает как генератор, вырабатывая ток. Величина тока, обусловленная этой разностью потенциалов, пропорциональна плотности нейтронов.

Датчик прямого зарядаКонструктивно датчик прямого заряда (рис. 4) представляет собой тонкостенный металлический корпус 1 (нержавеющая сталь), являющийся коллектором. Внутри корпуса расположен эмиттер 2. Объем между эмиттером и коллектором заполнен диэлектриком 3 (окись алюминия). Коллектор 1 датчика соединен с металлической оболочкой 4, а эмиттер – с нихромовой жилой 5. Пространство между выводами заполнено окисью магния 6.

К достоинствам датчиков прямого заряда следует отнести достаточно длительный срок эксплуатации (несколько лет), возможность работы при больших температурах (до 700°С), нечувствительность к фоновым излучениям.

Датчики радиоактивности с ионизационной камерой

Ионизационная камера – это устройство, позволяющее измерить величину ионизационного тока, возникающего при прохождении потока частиц (фотонов) в высоковольтном межэлектродном пространстве.

Конструктивно ионизационная камера (рис. 5) представляет собой герметичный объем, который заполнен воздухом или инертным газом (гелий, аргон). Внутри камеры расположены два электрода – анод и катод. Форма электродов может быть различной, например, цилиндрической, плоской или коаксиальной. Несмотря на то, что к электродам приложено напряжение, ток во внешней цепи отсутствует. Это объясняется тем, что межэлектродный воздушный промежуток является хорошим изолятором и в нем отсутствуют носители зарядов.

Схема ионизационной камеры
Рис.5. Схема ионизационной камеры.

При появлении ионизирующего излучения обстановка в камере изменяется. Под его воздействием в объеме камеры появляются носители зарядов – противоположно заряженные ионы. В электрическом поле они перемещаются в  промежутке анод-катод: отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, а положительно заряженные – в противоположном направлении, к катоду.

Зависимость тока от приложенного напряженияТок, обусловленный движением ионов, пропорционален числу ионов, достигших электродов. Поэтому при работе ионизационной камеры в качестве датчика радиоактивности выбирают такой режим работы, который соответствует полному сбору носителей зарядов. Обеспечение режима полного сбора поясняется рис. 6. При небольших значениях постоянного напряжения (U меньше U1), скорость дрейфа ионов мала и они активно рекомбинируют. Ток в этом случае пропорционален приложенному напряжению.

Увеличение напряжения (участок U1 - U2) прекращает процесс рекомбинации и все ионы достигают электродов.  В этом случае ток уже не зависит от величины приложенного напряжения – наступил режим насыщения. Такой режим является рабочим режимом ионизационной камеры – при этих условиях ток пропорционален величине энергии ионизирующего излучения.

Опубликована 26-01-13.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

 

Корзина

Сейчас корзина пуста.
Найти нужный прибор можно через поиск приборов или в каталоге.


Каталог


Случайные приборы





13C5000PS1K width="160px" height="105px"
Резистивные датчики давления




DC001NDR4 width="160px" height="105px"
Резистивные датчики давления




BS5-K2M width="160px" height="105px"
Оптические датчики положения