Joniseringskammare
Joniseringskammaren är den enklaste typen av gasformig joniseringsdetektor och används i stor utsträckning för detektering och mätning av många typer av joniserande strålning , inklusive röntgenstrålar , gammastrålar och beta-partiklar . Konventionellt hänvisar termen "joniseringskammare" uteslutande till de detektorer som samlar upp alla laddningar som skapas genom direkt jonisering i gasen genom applicering av ett elektriskt fält. Den använder de diskreta laddningarna som skapas av varje interaktion mellan den infallande strålningen och gasen för att producera en uteffekt i form av en liten likström . Detta innebär att enskilda joniserande händelser inte kan mätas, så energin för olika typer av strålning kan inte särskiljas, men det ger ett mycket bra mått på den totala joniserande effekten.
Den har ett bra enhetligt svar på strålning över ett brett spektrum av energier och är det föredragna sättet att mäta höga nivåer av gammastrålning, såsom i en strålningsvärmecell eftersom de kan tolerera långa perioder i höga strålningsfält utan försämring. De används i stor utsträckning inom kärnkraftsindustrin, forskningslaboratorier, branddetektering , strålskydd och miljöövervakning.
Funktionsprincip
En gasjoniseringskammare mäter laddningen från antalet jonpar som skapas i en gas orsakad av infallande strålning. Den består av en gasfylld kammare med två elektroder ; känd som anod och katod . Elektroderna kan vara i form av parallella plattor (Parallel Plate Ionization Chambers: PPIC), eller en cylinder med en koaxiellt placerad inre anodtråd.
En spänningspotential appliceras mellan elektroderna för att skapa ett elektriskt fält i påfyllningsgasen. När gasatomer eller molekyler mellan elektroderna joniseras av infallande joniserande strålning , skapas jonpar och de resulterande positiva jonerna och dissocierade elektronerna flyttas till elektroderna med motsatt polaritet under påverkan av det elektriska fältet. Detta genererar en joniseringsström som mäts av en elektrometerkrets i området femtoamper till pikoamper , beroende på kammarens design, och är proportionell mot strålningsdosen.
Det elektriska fältet måste vara tillräckligt starkt för att förhindra rekombination av jonpar vilket skulle minska jonströmmen, och uppbyggnad av positiva joner förhindras genom att de rekombineras med elektroner när de når katoden. Detta driftläge kallas "strömläge", vilket betyder att utsignalen är en kontinuerlig ström och inte en pulsutgång som i fallen med Geiger- Müller-röret eller proportionalräknaren.
Med hänvisning till den medföljande jonparuppsamlingsgrafen, kan det ses att i jonkammarens arbetsområde är laddningen av ett uppsamlat jonpar effektivt konstant över ett intervall av pålagd spänning, eftersom jonkammaren på grund av dess relativt låga elektriska fältstyrka har ingen multiplikationseffekt. Detta är till skillnad från Geiger-Müller-röret eller proportionellräknaren där sekundära elektroner, och i slutändan flera laviner, kraftigt förstärker de ursprungliga joniseringsladdningarna för att producera mätbara pulser.
Kammartyper och konstruktion
Följande kammartyper används vanligtvis.
Friluftskammare
Detta är en kammare som är fritt öppen mot atmosfären, där fyllgasen är omgivande luft. Den inhemska rökdetektorn är ett bra exempel på detta, där ett naturligt luftflöde genom kammaren är nödvändigt för att rökpartiklar ska kunna upptäckas genom förändringen i jonströmmen. Andra exempel är applikationer där jonerna skapas utanför kammaren men förs in av ett forcerat flöde av luft eller gas.
Ventilerad kammare
Dessa kammare är normalt cylindriska och arbetar vid atmosfärstryck, men för att förhindra inträngning av fukt installeras ett filter som innehåller ett torkmedel i ventilationsledningen. Detta för att förhindra att fukt byggs upp i det inre av kammaren, som annars skulle införas av "pumpeffekten" av ändrat atmosfäriskt lufttryck. Dessa kammare har en cylindrisk kropp gjord av aluminium eller plast några millimeter tjock. Materialet är valt att ha ett atomnummer som liknar luftens så att väggen sägs vara "luftekvivalent" över ett område av strålningsenergier. Detta har effekten att säkerställa att gasen i kammaren fungerar som om den vore en del av en oändligt stor gasvolym, och ökar noggrannheten genom att minska interaktioner av gamma med väggmaterialet. Ju högre atomnummer väggmaterialet har, desto större är chansen för interaktion. Väggtjockleken är en avvägning mellan att bibehålla lufteffekten med en tjockare vägg, och att öka känsligheten genom att använda en tunnare vägg. Dessa kammare har ofta ett ändfönster av material som är tillräckligt tunt, såsom mylar, så att beta-partiklar kan komma in i gasvolymen. Gammastrålning kommer in både genom ändfönstret och sidoväggarna. För handhållna instrument görs väggtjockleken så enhetlig som möjligt för att reducera fotonriktningen även om varje betafönstersvar uppenbarligen är mycket riktad. Ventilerade kammare är känsliga för små förändringar i effektivitet med lufttryck och korrektionsfaktorer kan tillämpas för mycket exakta mätapplikationer.
Förseglad lågtryckskammare
Dessa liknar till sin konstruktion den ventilerade kammaren, men är förseglade och arbetar vid eller runt atmosfärstryck. Dessa kammare har också fördelen att de inte kräver ventilation och torkmedel. För att förbättra detektionseffektiviteten är de fyllda med en ädelgas eftersom det mycket elektronegativa syret i luften lätt fångar fria elektroner och bildar negativa joner. Styrkan på betafönstret begränsar differenstrycket från atmosfärstryck som kan tolereras, och vanliga material är rostfritt stål eller titan med en typisk tjocklek på 25 µm.
Högtryckskammare
Kammarens effektivitet kan ökas ytterligare genom användning av en högtrycksgas. Typiskt kan ett tryck på 8-10 atmosfärer användas, och olika ädelgaser används. Det högre trycket resulterar i en större gasdensitet och därmed en större chans för kollision med fyllgasen och jonparbildning genom infallande strålning. På grund av den ökade väggtjockleken som krävs för att motstå detta höga tryck kan endast gammastrålning detekteras. Dessa detektorer används i mätare och för miljöövervakning.
Kammargeometri
Vanligast för mätningar av strålterapi är en cylindrisk kammare eller "fingerborg". Den aktiva volymen är inrymd i en fingerborgsformad hålighet med en inre ledande yta (katod) och en central anod. En förspänning som appliceras över kaviteten samlar joner och producerar en ström som kan mätas med en elektrometer.
Parallella plattkammare (PPIC) är formade som en liten skiva, med cirkulära uppsamlingselektroder åtskilda av ett litet gap, vanligtvis 2 mm eller mindre. Den övre skivan är extremt tunn, vilket möjliggör mycket mer exakta doser nära ytan än vad som är möjligt med en cylindrisk kammare. Monitorkammare är typiskt PPIC:er som används för att kontinuerligt mäta t.ex. en strålningsstråles intensitet. Till exempel inom huvudet av linjäracceleratorer som används för strålbehandling . Multi-kavitets joniseringskammare kan mäta strålningsstrålens intensitet i flera olika regioner, vilket ger strålsymmetri och planhetsinformation.
Forsknings- och kalibreringskammare
.jpg)
Tidiga versioner av jonkammaren användes av Marie och Pierre Curie i deras ursprungliga arbete med att isolera radioaktiva material. Sedan dess har jonkammaren varit ett flitigt använt verktyg i laboratoriet för forsknings- och kalibreringsändamål.
Historiska kammare
Kondensorkammare
Kondensorkammaren har en sekundär hålighet inuti skaftet som fungerar som en kondensator . När denna kondensator är fulladdad motverkar eventuell jonisering i fingerborgen denna laddning, och förändringen i laddningen kan mätas. De är endast praktiska för balkar med energi på 2 MeV eller mindre, och högt skaftläckage gör dem olämpliga för exakt dosimetri.
Extrapolationskammare
Liknande i design som en kammare med parallella plattor, kan den övre plattan i en extrapoleringskammare vara lägre med hjälp av mikrometerskruvar. Mätningar kan göras med olika plattavstånd och extrapoleras till ett plattavstånd på noll, dvs dosen utan kammare.
Instrumenttyper
Handhållen
Jonkammare används ofta i handhållna strålningsmätare för att mäta beta- och gammastrålning. De är särskilt föredragna för mätningar med hög doshastighet och för gammastrålning ger de god noggrannhet för energier över 50-100 keV.
Det finns två grundläggande konfigurationer; den "integrerade" enheten med kammaren och elektroniken i samma fall, och det "tvådelade" instrumentet som har en separat jonkammarsond fäst vid elektronikmodulen med en flexibel kabel.
Kammaren i det integrerade instrumentet är vanligtvis på framsidan av höljet vänd nedåt, och för beta/gamma-instrument finns det ett fönster i botten av höljet. Denna har vanligtvis en glidskärm som gör det möjligt att skilja mellan gamma- och betastrålning. Operatören stänger skölden för att utesluta beta och kan därigenom beräkna frekvensen för varje strålningstyp.
Vissa handhållna instrument genererar hörbara klick som liknar det som produceras av en GM-räknare för att hjälpa operatörer som använder ljudåterkopplingen vid strålningsundersökningar och kontamineringskontroller. Eftersom jonkammaren arbetar i strömläge, inte pulsläge, syntetiseras detta från strålningshastigheten.
Installerad
För industriella processmätningar och förreglingar med ihållande höga strålningsnivåer är jonkammaren den föredragna detektorn. I dessa applikationer är endast kammaren belägen i mätområdet, och elektroniken är fjärrbelägen för att skydda dem från strålning och ansluten med en kabel. Installerade instrument kan användas för att mäta omgivande gamma för personalskydd och ljuder normalt ett larm över en förinställd frekvens, även om Geiger-Müller-rörinstrumentet i allmänhet är att föredra där höga nivåer av noggrannhet inte krävs.
Allmänna försiktighetsåtgärder vid användning
Fukt är huvudproblemet som påverkar noggrannheten hos jonkammare. Kammarens inre volym måste hållas helt torr, och den ventilerade typen använder ett torkmedel för att hjälpa till med detta. På grund av de mycket låga strömmarna som genereras måste eventuella läckströmmar hållas till ett minimum för att bevara noggrannheten. Osynlig hygroskopisk fukt på ytan av kabeldielektrik och anslutningar kan vara tillräckligt för att orsaka en läckström som kommer att svämma över all strålningsinducerad jonström. Detta kräver noggrann rengöring av kammaren, dess avslutningar och kablar, och efterföljande torkning i en ugn. "Skyddsringar" används vanligtvis som en designfunktion på högre spänningsrör för att minska läckage genom eller längs ytan på röranslutningsisolatorer, vilket kan kräva ett motstånd i storleksordningen 10 13 Ω .
För industriella applikationer med fjärrelektronik är jonkammaren inrymd i ett separat hölje som ger mekaniskt skydd och innehåller ett torkmedel för att avlägsna fukt som kan påverka termineringsmotståndet.
I installationer där kammaren ligger långt från mätelektroniken kan avläsningar påverkas av extern elektromagnetisk strålning som verkar på kabeln. För att övervinna detta används ofta en lokal omvandlarmodul för att översätta de mycket låga jonkammarströmmarna till ett pulståg eller datasignal relaterad till den infallande strålningen. Dessa är immuna mot elektromagnetiska effekter.
Ansökningar
Kärnkraftsindustrin
Joniseringskammare används ofta inom kärnkraftsindustrin eftersom de ger en uteffekt som är proportionell mot strålningsdosen. De har stor användning i situationer där en konstant hög doshastighet mäts eftersom de har en längre livslängd än vanliga Geiger–Müller-rör, vilket lider av gasnedbrytning och är i allmänhet begränsade till ett liv på cirka 10 11 händelser. Dessutom kan Geiger-Müller-röret inte fungera över cirka 10 4 räkningar per sekund, på grund av dödtidseffekter, medan det inte finns någon liknande begränsning för jonkammaren.
Rökdetektorer
Joniseringskammaren har fått bred och fördelaktig användning i rökdetektorer . I en rökdetektor av joniseringstyp tillåts omgivande luft att fritt komma in i joniseringskammaren. Kammaren innehåller en liten mängd americium-241 , som är en emitter av alfapartiklar som producerar en konstant jonström. Om rök kommer in i detektorn stör den denna ström eftersom joner träffar rökpartiklar och neutraliseras. Detta strömfall utlöser larmet. Detektorn har även en referenskammare som är förseglad men som joniseras på samma sätt. Jämförelse av jonströmmarna i de två kamrarna möjliggör kompensation för förändringar på grund av lufttryck, temperatur eller åldrande av källan.
Medicinsk strålningsmätning
Inom medicinsk fysik och strålbehandling används joniseringskammare för att säkerställa att dosen som levereras från en terapienhet eller radiofarmaka är vad som är avsett. Apparaterna som används för strålbehandling kallas "referensdosimetrar", medan de som används för radiofarmaka kallas radioisotopdoskalibratorer - ett inexakt namn för radionuklidradioaktivitetskalibratorer, som används för mätning av radioaktivitet men inte absorberad dos. En kammare kommer att ha en kalibreringsfaktor fastställd av ett nationellt standardlaboratorium som ARPANSA i Australien eller NPL i Storbritannien, eller kommer att ha en faktor som bestäms genom jämförelse med en överföringsstandardkammare som kan spåras till nationella standarder på användarens plats.
Vägledning om användning av applikationer
I Storbritannien har HSE utfärdat en användarguide för att välja rätt strålmätningsinstrument för den aktuella tillämpningen . Detta täcker all teknik för strålningsinstrument och är en användbar jämförande guide till användningen av jonkammarinstrument.
Se även
- Absorberad dos
- Bragg-Gray kavitetsteori
- Dosimetri
- Gasformig joniseringsdetektor
- Sievert kammare
- Stoppkraft (partikelstrålning)
Anteckningar
| Nationalbibliotek | |
|---|---|
| Övrig | |
