ГЕТЕРОГЕННАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Изобретение относится к отрасли приборостроения, в частности, к средствам рентгеновской аппаратуры, используемой для медицинской и технической диагностики состояния органов человека, качества технологических процессов соответственно и других, а так же при экологическом мониторинге окружающей среды.
Известны гетерогенные ионизационные камеры, содержащие корпус, первый и второй электроды, выполненные из материалов с низким и высоким атомными номерами соответственно и закрепленные на противоположных поверхностях корпуса навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения, и источник электрического питания электродов напряжением 220 В [Патент №2221220 РФ. БИ. 2002. №1].
Основным недостатком камер является необходимость высоко стабилизированного электрического напряжения питания электродов камер (не менее 0,02%) для обеспечения высокой точности измерения, так как нестабильность питающего напряжения (ее переменная составляющая) накладывается на измеряемый сигнал. Поскольку высокую стабильность питающего напряжения технически обеспечить затруднительно, поэтому стоимость таких камер не всегда доступна для потребителя.
Наиболее близким по технической сущности является гетерогенная ионизационная камера, содержащая корпус, в котором размещены навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения металлические электроды из материалов с разными атомными номерами и разделены электроды вакуумным промежутком, при этом камера может быть выполнена как с внешним, так и без внешнего источника электрического питания [см. А.Н.Иванов, Н.И.Комяк, Ф.Н.Хараджа. Измерение больших мощностей доз дозиметром на вакуумных камерах. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Выпуск 2. Л. 1967. С.152-169, прототип.].
Точность и чувствительность вакуумных камер очень низкие за счет того, что ток камеры образуется только электронами, вышедшими с электродов, при этом
ионы, которые могли бы увеличить ток камеры, в вакууме отсутствуют (не образуются).
низ
выс
газ
газ
низ
выс
Сущность изобретения заключается в том, что в гетерогенной ионизационной камере, содержащей герметичный корпус, первый и второй электроды, выполненные в виде пластин из материалов с низким и высоким атомными номерами Z и Z соответственно и закрепленные на противоположных внутренних поверхностях корпуса навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения, при этом камера выполнена без внешнего источника электрического питания, расстояние промежутка а между поверхностями первого и второго электродов выполнено не более величины пробега фотоэлектронов, но гарантирующее отсутствие контакта между электродами, а полость промежутка заполнена инертным газом с атомным номером Z, образуя с первыми двумя электродами гетерогенную структуру Z<Z<Z, и введены дифференциальный усилитель и резистор, включенный в обратную электрическую связь усилителя, а входы усилителя присоединены к первому и второму электродам соответственно.
-6
-1
5
10
Техническим преимуществом заявленного технического решения является то, что предложенная камера без внешнего источника напряжения питания обладает высокими точностью и чувствительностью, а экономически дешевле вакуумных камер, за счет того, что позволяет работать при низких значениях мощностей доз от 10...10 Р/мин (рентген в минуту), в то время как вакуумные камеры с электродами, выполненными из материалов так же с разными атомными номерами, предназначены для работы с высокими значениями мощностей доз от 10...10 Р/мин, что на много порядков выше, чем в нашем предложении (см. прототип). Кроме того, электроды в предложенной камере практически не ограничены по площади их взаимодействия с ионизирующим излучением, в то время как вакуумные камеры площади электродов ограничены, поскольку на них действует атмосферное давление, которое пропорционально площади электрода, в результате чего может произойти замыкание электродов.
На фиг.1 приведена конструкция гетерогенной ионизирующей камеры.
Она содержит герметичный корпус 1, первый и второй электроды 2 и 3, в промежуток которых введен инертный газ 4, операционный дифференциальный усилитель 5 и резистор 6.
низ
выс
13
83
Корпус 1 камеры изготавливают из не электропроводящего конструкционного материала, например, стекла. Электроды 2, 3 выполняют из материалов с низким и высоким атомными числами Z и Z, которым могут соответствовать, например Al и Bi. Расстояние промежутка от между первым и вторым электродами 2, 3 выполнено не более величины пробега фотоэлектронов, но гарантирующее отсутствие электрического контакта между электродами 2 и 3. Величина пробега в среде инертного газа не превышает как правило приблизительно 0,5...2,5 мм. При увеличении расстояния промежутка от более величины пробега фотоэлектронов эффективность камеры будет теряться (уменьшаться), за счет увеличения числа рекомбинаций носителей зарядов (положительных и отрицательных ионов), которое растет в кубической зависимости от расстояния промежутка от.
газ
Атомный номер Z инертного газа, в качестве которого рекомендуется использовать, например, гелий, азот может достигать нескольких единиц, но меньше величины атомного номера Al. Инертная среда выбрана с тем, чтобы в промежутке между электродами отсутствовала собственная проводимость. Разно полярные входы операционного усилителя 5 связаны электрически с первым и вторым электродами соответственно, а резистор 6 включен в обратную связь между выходом усилителя 5 и одним из его входов. Резистор 6 обеспечивает стабилизацию параметров усилителя 5.
Работа камеры заключается в следующем.
1,2
При воздействии потока ионизирующего излучения на камеру между электродами 2, 3 возникает разность потенциалов U.
1,2
ион
z1
z2
U=k (Q-Q)/С,
ион
z1
где k - безразмерный коэффициент, учитывающий плотность распределения между электродами пространственных носителей зарядов; Q и
z2
Q - пространственные носители зарядов электродов 2 и 3; С - электрическая емкость между электродами.
низ
выс
1,2
выс
низ
Вместе с тем в результате действия потока ионизирующего излучения в промежутке между электродами 2, 3 образуются электронные поля, создаваемые выходящими из электродов фотоэлектронами (внешний фотоэффект), но так как электроды имеют разное значение Z материала, то потенциал U поля у материала с Z будет существенно меньшим, чем у электрода из материала Z. За счет этого образуется перепад напряжений и так как входное сопротивление операционного усилителя 5 равно близко к нулю, то потечет ток, линейно зависящий от величины поглощенной энергии в камере. Разность потенциалов U вызывает движение положительных и отрицательных ионов в промежутке между электродами 2 и 3, при этом положительные ионы двигаются в направлении к электроду из материала с Z, а отрицательные ионы - в противоположном направлении, т.е. к электроду из материала с Z. Таким образом, образуется ионизационный ток камеры, который усиливается в усилителе 5. По электрическому сигналу на выходе усилителя 5 судят о мощности дозы потока ионизирующего излучения.
Положительным результатом заявленного технического решения является то, что предложенная камера без внешнего источника напряжения питания ее электродов позволяет работать при значениях мощностей доз на несколько порядков ниже по сравнению с вакуумными камерами, у которых электроды, допустим, выполнены из материалов, например с такими же атомными числами. Самое главное, что точность и чувствительность предложенной камеры во много раз выше и обеспечить эти показатели нашим предложением гораздо дешевле экономически, чем вакуумными камерами.