ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА Российский патент 2005 года по МПК G01T1/185 H01J47/02 

Изобретение относится к области распространения электромагнитных волн в средах.

Ионизационная камера предназначена для исследования электрофизических характеристик газовых сред, подвергаемых воздействию потоков ионизирующих излучений.

Известна ионизационная камера [1, с.254] (Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах. Перевод с англ. Под ред. д-ра физ.-мат. наук Иванова А.А. М.: Мир, 1997, с.672). Камера заполнена газом и имеет световое окно. Внутри камеры находятся параллельно расположенные фотокатод, источник α-частиц, анод. Источник α-частиц состоит из кольца, выполненного из Рu²³⁹ с коллимирующим устройством, обеспечивающим удержание траекторий α-частиц в плоскости кольца. На кольцо и фотокатод подается высокое напряжение. Для сбора электронов и отрицательных ионов, образующихся в ионизационной камере, используется плоский металлический анод, который соединяется с входом усилителя импульсов. В отдельном эксперименте требуется освещать фотокатод короткой вспышкой ультрафиолета и регистрировать полученные электроны счетчиком Гейгера-Мюллера, помещенным за отверстием в аноде.

Недостаток этой камеры заключается в ее низкой чувствительности из-за малой суммарной площади электродов и неэффективного съема полезного сигнала.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является ионизационная камера [2] (Chervenak J.G., Van Lint V.A.J., Conductivity of highly dosed air. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-27, №6, December 1980, p. 1810), содержащая газонаполненный корпус и размещенную в нем группу из трех электродов, разделенных изолятором, чередующихся между собой и образующих промежутки. На центральный высоковольтный электрод подается высокое статическое напряжение, а крайние собирающие электроды находятся под нулевым потенциалом. Ввод излучения в объем ионизационной камеры осуществляется через специальное окно. Поток ионизирующего излучения производит ионизацию газа и создает определенную концентрацию свободных носителей электрического заряда. Под действием приложенного статического напряжения заряды движутся, вследствие чего с электродов снимается электрический импульс. Импульс несет информацию об электрофизических характеристиках среды, заполняющей межэлектродное пространство, при воздействии ионизирующего излучения.

Недостаток данной конструкции заключается в ее низкой чувствительности из-за малой суммарной площади электродов и неэффективного съема полезного сигнала.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание ионизационной камеры с повышенной чувствительностью за счет увеличения суммарной площади электродов и более эффективного съема полезного сигнала.

Техническим результатом данного решения является увеличение чувствительности ионизационной камеры.

Данный технический результат достигается тем, что в ионизационной камере, содержащей газонаполненный корпус с входным окном для ионизирующего излучения и размещенную в нем группу из последовательно чередующихся, изолированных друг от друга, разделенных промежутками трех электродов, два из которых собирающие, находящиеся под нулевым потенциалом, и один высоковольтный, новым является то, что в корпусе дополнительно размещено несколько групп из собирающих и высоковольтных электродов, выполненных в виде дисков, так, что соседние группы имеют один общий собирающий электрод, причем к каждой группе электродов подсоединена соответствующая группа передающих линий таким образом, что высоковольтные проводники передающих линий каждой группы подключены к высоковольтному электроду, а проводники, находящиеся под нулевым потенциалом - к соседним собирающим электродам, места подключения передающих линий располагаются равномерно по окружности, а свободные концы всех передающих линий присоединены к коллектору, при этом выполняется соотношение

и условие

где n - число передающих линий,

M - число электродов,

M=3+2k,

k=1, 2, 3...,

d - диаметр электрода,

l - расстояние между соседними электродами,

h - толщина электрода,

ρ - волновое сопротивление одиночной передающей линии.

Кроме того, все группы электродов размещены соосно в проводящем цилиндре, имеющем гальваническую связь с собирающими электродами, при этом высоковольтные проводники передающих линий каждой группы подключены к высоковольтному электроду через отверстия в цилиндре и не имеют с ним гальванической связи, а проводники, находящиеся под нулевым потенциалом - непосредственно к цилиндру и, соответственно, к собирающим электродам группы.

Плотность тока ионизации зависит от интенсивности внешнего источника ионизирующего излучения, величины приложенного напряжения, давления газа, геометрии камеры, материала электродов. Только два последних слагаемых являются характеристиками конструкции камеры. Цилиндрическая конфигурация камеры, электроды в виде дисков, равномерное по окружности подключение передающих линий обеспечивают наилучшее согласование волновых сопротивлений линий, образуемых системой дисковых электродов и системой предающих линий. Максимальный размер электродов d ограничен необходимостью обеспечить однородность радиального распределения интенсивности облучения. Межэлектродный зазор l должен быть выбран больше длины свободного пробега электронов в газе в интересующем диапазоне давления, но меньше зазора, при котором не обеспечивается однородность осевого распределения интенсивности облучения.

Чем больше суммарная площадь электродов, тем больше снимаемый ток. Тем самым, появляется выигрыш в токе по сравнению с прототипом, при прочих одинаковых условиях. Увеличение суммарной площади электродов путем увеличения размеров электродов приведет к неоднородности распределения интенсивности излучения и к искажениям сигнала, обусловленных индуктивностью камеры. Увеличивать суммарную площадь электродов будем путем добавления групп электродов. Подсоединяя передающие линии с одного конца равномерно по окружности к каждой группе электродов таким образом, что высоковольтные проводники передающих линий, проходя через отверстие в цилиндре и не имея с ним гальванической связи, подключаются к высоковольтным электродам, а другие проводники - к цилиндру и соответственно к собирающим электродам, а свободными концами - к коллектору, мы обеспечиваем необходимое согласование волновых сопротивлений линий, образуемых системой дисковых электродов и системой предающих линий. Вводя проводящий цилиндр, мы обеспечиваем гальваническую связь для всех собирающих электродов, находящихся под нулевым потенциалом, тем самым, делая возможным выравнивание нулевого потенциала многоэлектродной системы за минимальное время. Это позволит проводить измерения сигнала относительно установившегося нулевого уровня.

Во избежание искажения электрического сигнала с многоэлектродной системы должно выполняться равенство волновых сопротивлений линий, образуемых системой дисковых электродов и системой передающих линий

ρ_с.п.л.=ρ_с.д.э. (1)

где ρ_c.п.л. - волновое сопротивление системы передающих линий, которое определяется как

где ρ - волновое сопротивление одиночной передающей линии;

n - число передающих линий;

ρ_с.д.э. - волновое сопротивление системы дисковых электродов, которое, в свою очередь, определяется следующим выражением

где ρ_2диск - волновое сопротивление неоднородной волноводной линии, образуемой двумя параллельными дисками;

m - число таких линий.

Таким образом

Волновое сопротивление неоднородной волноводной линии, образованной двумя параллельными дисками, выражается формулой

где l - расстояние между соседними электродами;

d - диаметр электрода.

Число волноводных линий, образуемых двумя дисками в системе дисковых электродов с числом электродов, равным m, равно

число трехэлектродных групп равно к одной трехэлектродной группе подходит или передающих линии.

Учитывая выражения (5) и (6), соотношение (4) можно записать в виде

или

Для того чтобы измерять сигнал относительно установившегося нулевого уровня необходимо, чтобы время выравнивания потенциалов на половине образующей цилиндра τ_ц.о. должно быть не больше, чем время выравнивания потенциалов между двумя ближайшими точками τ_б.m. на краю дискового высоковольтного электрода, в местах подсоединения передающих линий

Время выравнивания потенциалов τ_ц.о. собирающих электродов на половине образующей можно записать следующим образом

Места подключения передающих линий к дисковому электроду располагаются по краю электрода равномерно по окружности, отсюда расстояние между ближайшими точками равно или Время выравнивания потенциалов между ближайшими точками τ_б.m. равно

Учитывая выражение (9) и (10), неравенство (8) запишем в виде

или

Таким образом, совокупность существенных признаков достаточна для решения поставленной задачи.

На фиг.1 схематически изображена предложенная ионизационная камера; на фиг.2 - соответствующее сечение камеры (увеличено).

Заявляемая ионизационная камера имеет аксиальную симметрию и содержит газонаполненный корпус 1, окно для ввода ионизирующего излучения 2, диэлектрические кольца 3, собирающие электроды 4, высоковольтные электроды 5, передающие линии 6, имеющие высоковольтный проводник 10 и проводник 11, находящийся под нулевым потенциалом, коллектор 7, газовую систему 8, проводящий цилиндр 9. На коллектор 7 подается статическое напряжение, которое заряжает высоковольтные электроды 5, с этого же коллектора снимается суммарный импульс. Газовая система 8 предназначена для подачи газовой среды в камеру.

Поток ионизирующего излучения через окно 2 пронизывает многоэлектродную систему, производя ионизацию газа и создавая определенную концентрацию свободных носителей электрического заряда. Под действием приложенного статического напряжения носители движутся, вследствие чего в передающих линиях 6 формируются электрические импульсы, в коллекторе 7 получается суммарный импульс. Импульс несет информацию об электрофизических характеристиках среды, заполняющей межэлектродное пространство.

В примере выполнения камеры для исследования электрофизических характеристик газовой среды корпус камеры, проводящий цилиндр выполнены из стали, камера заполнена воздухом при атмосферном давлении и комнатной температуре. Окно для ионизирующего излучения, электроды выполнены из алюминия толщиной 2 мм и 0,2 мм соответственно. Диаметр электродов равен 120 мм, внутренний диаметр изоляторных колец, выполненных из капролона, равен 120 мм, расстояние между электродами – 20 мм. Количество электродов - 7 штук, количество передающих линий - 18, количество трехэлектродных групп - 3, к каждой группе подводится 6 передающих линий с волновым сопротивлением 60 Ом.

Введение в камеру дополнительно несколько групп электродов, проводящего цилиндра, подключения передающих линий к каждой группе электродов равномерно по окружности и коллектора, суммирующего сигналы с каждой группы электродов, увеличивает чувствительность ионизационной камеры в раз по сравнению с прототипом.

Использование: для исследования электрофизических характеристик газовых сред, подвергаемых воздействию потоков ионизирующих излучений. Сущность: камера содержит газонаполненный корпус с входным окном для ионизирующего излучения и размещенную в нем группу из последовательно чередующихся, изолированных друг от друга, разделенных промежутками трех электродов, два из которых собирающие, находящиеся под нулевым потенциалом, и один высоковольтный. В корпусе размещено несколько групп из собирающих и высоковольтных электродов, выполненных в виде дисков, так, что соседние группы имеют один общий собирающий электрод. К каждой группе электродов подсоединена соответствующая группа передающих линий. Высоковольтные проводники передающих линий каждой группы подключены к высоковольтному электроду, а проводники, находящиеся под нулевым потенциалом - к соседним собирающим электродам. Свободные концы всех передающих линий присоединены к коллектору. Выполняются соотношение и условие где n - число передающих линий, М - число электродов, d - диаметр электрода, l - расстояние между соседними электродами, h - толщина электрода, ρ - волновое сопротивление одиночной передающей линии. Технический результат - увеличение чувствительности ионизационной камеры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ионизационная камера, содержащая газонаполненный корпус с входным окном для ионизирующего излучения и размещенную в нем группу из последовательно чередующихся, изолированных друг от друга, разделенных промежутками трех электродов, два из которых собирающие, находящиеся под нулевым потенциалом и один высоковольтный, отличающаяся тем, что в корпусе дополнительно размещено несколько групп из собирающих и высоковольтных электродов, выполненных в виде дисков, так, что соседние группы имеют один общий собирающий электрод, причем к каждой группе электродов подсоединена соответствующая группа передающих линий таким образом, что высоковольтные проводники передающих линий каждой группы подключены к высоковольтному электроду, а проводники, находящиеся под нулевым потенциалом, - к соседним собирающим электродам, места подключения передающих линий располагаются равномерно по окружности, а свободные концы всех передающих линий присоединены к коллектору, при этом выполняется соотношение

и условие

где n - число передающих линий,

М - число электродов,

M=3+2k,

k=1,2,3...,

d - диаметр электрода,

l - расстояние между соседними электродами,

h - толщина электрода,

ρ - волновое сопротивление одиночной передающей линии.