Объемная ионизационная камера

Предложенное изобретение относится к отрасли приборостроения, в частности к средствам рентгеновской аппаратуры, используемой для медицинской и технической диагностики состояния органов человека, качества технологических процессов, а также при экологическом мониторинге окружающей среды. Данное изобретение направлено на обеспечение возможности работать при низких значениях мощностей доз от 10^-6...10^-1 Р/мин. Кроме того, точность и чувствительность предложенной камеры во много раз выше, а экономически дешевле известных вакуумных камер. Предложенная объемная ионизационная камера содержит герметичный корпус, первый и второй электроды, выполненные в виде пластин из материалов с низким и высоким атомными номерами Z_низ и Z_выс соответственно и закрепленные на противоположных внутренних поверхностях корпуса навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения, при этом камера выполнена без внешнего источника электрического питания. Кроме того, камера снабжена прокладкой из диэлектрического материала толщиной h=0,05...0,1 мм, выполненной в виде полосок, чередующихся через шаг, равный ширине t полоски, и размещенной между электродами контактно к их сопрягающимся поверхностям, и операционным усилителем, входами связанным с электродами соответственно, а полость камеры и окна между полосками прокладки сообщаются и заполнены дистиллированной водой. 2 ил.

 

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 также при экологическом мониторинге окружающей среды.

Известны объемные ионизационные камеры, содержащие герметичный корпус, первый и второй электроды, выполненные из материалов с низким и высоким атомными номерами соответственно и закрепленные внутри корпуса на противоположных поверхностях навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения, и источник электрического питания электродов напряжением 220 В [патент РФ №2221220. БИ №1. 2002].

Основным недостатком камер является необходимость высокостабилизированного 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 объемная ионизационная камера, содержащая герметичный 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).

Сущность изобретения состоит в том, что объемная ионизационная камера, содержащая герметичный корпус, первый и второй электроды, выполненные в виде пластин из материалов с низким и высоким атомными номерами Z_низ и Z_выс соответственно и закрепленные внутри корпуса на противоположных его внутренних поверхностях навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения, при этом камера выполнена без внешнего источника электрического питания, снабжена прокладкой из диэлектрического материала толщиной h=0,05...0,1 мм, выполненной в виде полосок, чередующихся через шаг, равный ширине полоски, и размещенной между электродами контактно к их сопрягающимся поверхностям, т.е. обращенным друг к другу, и операционным усилителем, входами связанным с электродами соответственно, а полость камеры и окна между полосками прокладки сообщаются и заполнены дистиллированной водой.

Техническим преимуществом заявленного технического решения является то, что предложенная камера без внешнего источника напряжения питания позволяет работать при низких значениях мощностей доз от 10^-6...10^-1 Р/мин (рентген в минуту), в то время как вакуумные камеры с электродами, выполненными из материалов также с разными атомными номерами, предназначены для работы с высокими значениями мощностей доз от 10⁵...10¹⁰ Р/мин, что на много порядков выше, чем в нашем предложении (см. прототип). Кроме того, точность и чувствительность предложенной камеры во много раз выше, а экономически дешевле вакуумных камер.

На фиг.1 приведена конструкция объемной ионизирующей камеры; на фиг.2 показан фрагмент конструкции прокладки 4, выполненной по типу полосок.

Камера содержит герметичный корпус 1, первый и второй электроды 2 и 3, выполненные в виде пластин, закрепленных к внутренним стенкам корпуса навстречу друг к другу в потоке ионизирующего излучения, прокладку 4 из диэлектрического материала толщиной h=0,05...0,1 мм, размещенную между электродами 2, 3 контактно к их сопрягающимся поверхностям, обращенным друг к другу, операционный усилитель 5 и дистиллированная вода 6.

Выполнение прокладки 4 предложено в форме полосок, чередующихся через шаг, равный ширине t полоски, между которыми образованы окна 7. Ширина t полоски и окна выбирается в зависимости от габаритов камеры. Мыслима и другая конструкция прокладки 4, важно, чтобы ее окна 7 сообщались между собой и полостью камеры. Полость камеры и окна 7 прокладки 4 заполнены дистиллированной водой. Прокладка 4 может быть выполнена либо автономно, затем наклеена на одну из сопрягаемых поверхностей электродов 2, 3 либо нанесена, например, методом напыления на поверхность одного из электродов 2 или 3, которые после чего смыкаются. В качестве материала прокладки 4 в нашем случае использовался фторопласт (фторлон-4). Входы операционного дифференциального усилителя 5 присоединены к электродам 2, 3 соответственно. Полость камеры и окна пластины 4 заполнены дистиллированной водой.

Корпус 1 камеры изготавливают из неэлектропроводящего конструкционного материала, например стекла. Электроды 2, 3 выполняют из электропроводящих материалов с низким и высоким атомными числами Z_низ и Z_выс, которым могут соответствовать, например, Al₁₃ и Bi₈₃. Диапазон толщин h прокладки 4 выбран из учета непревышения толщиной h величины пробега фотоэлектронов в дистиллированной воде, которая равна приблизительно 0,05...0,1 мм. Прокладка 4 гарантирует отсутствие электрического контакта между электродами 2 и 3, а конструктивное ее исполнение обеспечивает беспрепятственное прохождение носителей зарядов между электродами 2, 3 через окна 7. При увеличении значения h 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 значения h.

Дистиллированная среда выбрана с тем, чтобы в окнах 7 пластины 4 между электродами отсутствовала собственная проводимость. Разнополярные входы операционного усилителя 5 связаны электрически с первым и вторым электродами 2 и 3 соответственно.

Работа камеры заключается в следующем.

При воздействии потока ионизирующего излучения на камеру между электродами 2, 3 возникает разность потенциалов U_1,2

U_1,2=k_ион(Q_z1-Q_z2)/C,

где k_uoн - безразмерный коэффициент, учитывающий плотность распределения между электродами пространственных носителей зарядов; Q_z1 и Q_z2 - пространственные носители зарядов электродов 2 и 3; С - электрическая емкость между электродами.

Вместе с тем в результате действия потока ионизирующего излучения в окнах 7 между электродами 2, 3 образуются электронные поля, создаваемые выходящими из электродов фотоэлектронами (внешний фотоэффект), но так как электроды 2 и 3 имеют разное значение Z материала, то потенциал U поля у материала с Z_низ будет существенно меньшим, чем у электрода из материала Z_выс. 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_1,2 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_выс, а отрицательные ионы - в противоположном направлении, т.е. к электроду из материала с Z_низ. 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 много 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.

Объемная ионизационная камера, содержащая герметичный корпус, первый и второй электроды, выполненные в виде пластин из материалов с низким и высоким атомными номерами Z_низ и Z_выс соответственно и закрепленные на противоположных внутренних поверхностях корпуса навстречу друг другу в потоке ионизирующего излучения, при этом камера выполнена без внешнего источника электрического питания, отличающаяся тем, что камера снабжена прокладкой из диэлектрического материала толщиной h=0,05-0,1 мм, выполненной в виде полосок, чередующихся через шаг, равный ширине t полоски, и размещенной между электродами контактно к их сопрягающимся поверхностям, и операционным усилителем, входами связанным с электродами соответственно, а полость камеры и окна между полосками прокладки сообщаются и заполнены дистиллированной водой.