Plynové detektory

Za štandardných laboratórnych podmienok sa plyny chovajú ako vel'mi dobré izolanty. Pôsobením ionizujúceho žiarenia - ionizáciou sa niektoré atómy alebo molekuly, pôvodne neutrálne, menia na kladné ióny a elektróny. Dôsledkom toho vodivosť plynu vzrastá. Detektory využívajúce tohto javu sa označujú ako plynové detektory, alebo detektory s plynovou náplňou. Patria k nim nasledujúce druhy detektorov:

1. ionizačné komory
2. proporcionálne detektory
3. Geigerove - Mũllerove detektory
4. korónové detektory

	Obr. 1 Závislosť počtu iónov N od napätia UN na plynovom detektore

Vyššie spomenuté druhy detektorov sa od seba navzájom líšia predovšetkým veľkosťou a rozložením intenzity elektrického pol'a, geometriou a napájacím napätím detektora, druhom a tlakom plynovej náplne. Obecný priebeh charakteristiky plynového detektora je na obr. 1. a zobrazuje počet iónov N zozbieraných na elektródach detektora v závislosti na pripojenom napätí a teda intenzite elektrického pol'a. Krivka I zodpovedá častici, ktorá v pracovnom objeme detektora vytvorí N₁párov iónov, krivka II zodpovedá inej častici , ktorá vytvorí N₂ > N₁ párov iónov. Vidiet, že druhá častica zanechala v detektore väcšiu energiu.

V oblasti A v dôsledku nedostatočnej intenzity elektrického poľa nie sú od seba produkty ionizácie dostatočne rýchlo oddelené a dochádza k ich rekombinácii. Celkový zozbieraný náboj je preto menší než odpovedá ionizáciou vytvorenému náboju e.N₁, resp. e.N₂ . Táto oblasť sa nazýva oblasťou rekombinačnou, alebo tiež oblasťou Ohmovho zákona. S rastúcou intenzitou elektrického pol'a rastie tiež aj driftová rýchlost vytvorených nosičov náboja pohybujúcich sa k príslušným elektródam a pravdepodobnost rekombinácie klesá natolko, že sa od istej hodnoty napätie na detektore už prakticky neuplatňuje (počet zozbieraných iónov nie je funkciou napätia). Počet zozbieraných nosičov nábojov N sa rovná počtu nosičov vytvorených ionizáciou, čiže N=N₁, resp. N=N₂ . Oblasť označená B sa nazýva oblasťou nasýteného prúdu, skrátene oblasťou nasýtenia. Oblast A nie je prakticky, až na vel'mi malé výnimky využívaná, oblast B je typickým pracovným režimom ionizačných komôr. Pri daľšom zvyšovaní napätia na detektore počet zozbieraných nosičov náboja N je väčší než zodpovedá N₁ alebo N₂. Konštanta úmernosti M je len funkciou napätia na detektore a označuje sa ako plynové zosilnenie detektora. Oblasť, v ktorej hodnota M nezávisí na veľkosti N₁ alebo N₂ a platí

N(1)=M.N₁;     N(2)= M.N₂;     N(1,2)=M(N₁+ N₂ )

sa nazýva oblasťou proporcionality a je typickým režimom proporcionálnych detektorov. Na obr. 1. je táto oblast označená písmenom C. Ďalšie zvyšovanie napätia vedie k zbližovaniu kriviek I a II, odozvy prestávajú byť proporcionálne pôvodne vytvoreným počtom iónov N₁ a N₂. Plynové zosilnenie M je v tejto oblasti nielen funkciou napätia na detektore, ale aj funkciou N₁ a N₂ . Vždy však platí, že väčšej ionizácii zodpovedá väčšia odozva. Táto časť charakteristiky sa nazýva oblast'ou čiastočnej proporcionality (označená D) a nie je bežne používaná v prevádzkovom režime plynových detektorov. S ďalším zvyšovaním napätia na detektore obe krivky I a II na obr. 1. splynú v jednu stále stúpajúcu krivku. Oblasť označená E je charakterizovaná nezávislosťou odozvy na veľkosti počtu pôvodne vytvorených iónových párov. Možno tu pozorovat veľmi pozvolnú závislost na ďalšom zvyšovaní napätia. Táto oblast plošiny - (v zahraničnej literatúre označovaná ako “plateau” detektora) je oblasťou Geigerovou - Mũllerovou a pracujú v nej Geigerove - Mũllerove detektory. Pri ďalšom zvyšovaní napätia dochádza k zapáleniu samovoľného korónového výboja (oblasť F) nezávisle na tom, či došlo alebo nedošlo v objeme detektora k tvorbe primárnej ionizácie. Táto oblasť je charakterizovaná ďalším stúpaním odozvy v závislosti na napätí na detektore a je režimom v ktorom pracujú korónové detektory. Ďalšie zvyšovanie napätia vedie k tlejivému výboju, ktorý zachváti celý pracovný objem detektora a táto oblasť nemá v detekčnej technike využitie.

Z charakteristiky plynového detektora vidno, že úmernosť' medzi primárnou ionizáciou a odozvou - počtom zozbieraných nosičov náboja (iónov) je len v oblasti B (oblast' nasýteného prúdu) a oblasti C (proporcionality). Za predpokladu, že primárne ionizačné účinky N_i sú úmerné energii častice E_j podl'a vzt'ahu

N_i =E_j / w_i,

kde w_i je stredná energia pre vznik jedného ión - elektrónového páru. Potom počet zozbieraných nosičov na elektródach detektora a im odpovedajúci náboj úmerný energii častice, ktorá ionizáciu spôsobila je:

Q = e.N_i.M

• Q - je zozbieraný ( odvedený náboj)
• e - náboj elektrónu
• M - plynové zosilnenie (pre ionizačné komory M = 1)

lonizačná komora a proporcionálny detektor umožňujú merat' energiu častíc a hovoríme, že takýto detektor má spektrometrické vlastnosti. Naproti tomu Geigerov - Mũllerov detektor podáva len informáciu o tom, že s jeho plynovou náplňou častica interagovala, ale z jeho odozvy nemožno usudzovať' na  energiu častice. Geigerov - Mũllerov detektor je len detektorom - počítadlom počtu interagujúcich častíc bez možnosti získať informáciu o spektrometrických vlastnostiach

Záverom treba upozorniť', že k dosiahnutiu oblasti proporcionality a ďalších oblastí ležiacich na obrázku vpravo od nej treba použiť' geometrické usporiadanie detektora, ktoré zaistí veľmi nehomogénne elektrické pole. Najčastejšie sa používa geometrie koaxiálnej (valcovej), niekedy aj sférickej. Geometria doskovej komory s homogénnym poľom prichádza do úvahy len pre oblasť' nasýteného prúdu.

Pracovná charakteristika detektora

Pracovná charakteristika je pojem, týkajúci sa detektorov pracujúcich v nespektrometrickom - detekčnom režime. Pri meraní pracovnej charakteristiky (v literatúre sa možno stretnút' aj s pojmom napät'ová charakteristika) je najlepšie použiť monoenergetický zdroj žiarenia a merať závislosť' počtu zaregistrovaných impulzov v detektore od napätia, ktoré je na ňom pripojené. Každé vyhodnocovanie zariadenie (diskriminátor s počítadlom impulzov) má vždy istú základnú diskriminačnú úroveň U_D, ktorú musí prichádzajúci impulz prekročiť', aby bol zaregistrovaný. Pokiaľ' bude napätie na detektore nízke, signál (napäťový impulz) bude menší než U_D a vyhodnocovacie zariadenie nebude registrovať' žiadne impulzy. Pri určitej hodnote napätia U₁ na detektore už niektoré impulzy prevýšia U_D a budú zaregistrované. So zvyšovaním napätia detektora počet zaregistrovaných impulzov narastie a pri napätí U₂ dostaneme ustálený počet zaregistrovaných impulzov. Ďalším zvyšovaním napätia až do U₃ bude sa počet zaregistrovaných impulzov málo meniť' a ďalšie zvyšovanie napätia nad U₃ bude sprevádzané náhlym nárastom počtu zaregistrovaných impulzov. V takomto prípade detektor prechádza do oblasti samostatných výbojov.

Oblast' pracovných napätí ležiacich medzi U₂ a U₃ sa nazýva pracovnou plošinou (“plateau“) detektora. Z hľadiska stability merania je najvhodnejším pracovným bodom v oblasť od prvej tretine nájdenej plošiny po stred plošiny. Je veľmi dôležité si uvedomiť', že zmenou registračného zariadenia a tým aj U_D sa mení aj pracovná charakteristika. Tá nie je vlastnosťou len samotného detektora, ale celého súboru detektor - vyhodnocovacie zariadenie.

	Obr. 2 a) Závislosť amplitúdy impulzov od pracovného napätia;	Obr. 2 b) Priebeh pracovnej charakteristiky

Na obrázku 2 je priebeh amplitúdy impulzov a pracovnej charakteristiky. V a) časti obrázku 2 je znázornená závislosť' amplitúdy napätia výstupného impulzu z detektora od napätia na detektore, U_D je diskriminačná hladina tesne nad napätím U₂. V b) časti obrázku 2 je pracovná charakteristika s plošinou (oblast' C), U_prac je doporučené pracovné napätie.