Образование заряда (носителей)

В простейшем представлении ионизационная камера – это устройство, собирающее заряд, высвобожденный в газе (обычно, воздухе) при прохождении через него ионизирующего излучения. На рис. 5.1 представлены важнейшие элементы ионизационной камеры. Частицы или фотоны (слева на рисунке) попадают в электрическое поле между двумя электродами и ионизуют газ (воздух) в этой области, образуя свободные электроны и положительно заряженные ионы. Многие освобожденные электроны присоединяются к молекулам кислорода, образуя отрицательно заряженные ионы. Относительное количество свободных электронов и отрицательно заряженных ионов (O₂^-) зависит от концентрации кислорода, силы приложенного электрического поля и концентрации молекул воды (влажности) в камере. Положительно заряженные ионы в газе притягиваются к отрицательному электроду, где положительный заряд нейтрализуется. Аналогично, отрицательные ионы и электроны притягиваются к положительному электроду, где собирается отрицательный заряд. Суммарное количество заряда может быть измерено измерителем заряда. Альтернативно, измеритель заряда может быть заменен измерителем тока (амперметром), в этом случае будет измеряться скорость образования заряда.

Рис. 5.1. Схематическое представление ионизационной камеры

Электрическое поле между электродами формируется за счет приложения внешнего напряжения смещения . Диапазон напряжений, при котором устройство функционирует в режиме ионизационной камеры, показан на рисунке 5.2. Напряжение должно быть достаточно большим, чтобы притянуть положительно и отрицательно заряженные ионы и электроны из газа и собрать их на электродах до того, как они нейтрализуют друг друга за счет процессов рекомбинации. С другой стороны, если напряжение слишком высоко, свободные электроны быстро набирают энергию и вероятность их присоединения к молекулам уменьшается.

Рис. 5.2. Различные режимы работы ионизационных детекторов

При более высоких энергиях электрическое поле сообщает электронам и ионам достаточную энергию для образования дополнительной ионизации на пути к электродам. При эксплуатировании камеры в таком режиме, в устройстве будет происходить ионное умножение, и ионизационная камера перейдет в режим пропорционального счетчика. При выборе надлежащего напряжения для ионизационной камеры необходимо убедиться, что режим работы устройства находится между пропорциональной областью и областью рекомбинации.

В правильно запитанной ионизационной камере суммарный высвобожденный заряд будет пропорционален флюенсу фотонов или частиц (част/см²), попавших в камеру. Из рисунка можно увидеть, что ионизация в расчете на одну частицу растет с увеличением размера камеры в направлении падения излучения. Исходя из этих двух фактов получаем, что чувствительность ионизационной камеры (заряд, высвобожденный на один фотон или частицу) прямо пропорционален ее активному объему.