Ionizacijska komora

Skica ionizacijske komore.

Ionizacijska komora: 1. cilindrična komora (katoda), 2. vanjskiizolator,3. izlaz upojačalo,4. zaštitni prsten, 5. unutrašnji izolator, 6.anoda,7.električna struja,8.plin.

Ionizacijska komora koju je napravioPierre Curie(između 1895. i 1900.).

Ionizacijska komora u dozimetru.

Stručnjak za zaštitu okoliša Jamie A. Keeley koristi ionizacijsku komoru za mjerenje razine radijacije u jednom od 3 radioizotopna termoelektrična generatora (RTG) koji će omogućiti električnu energiju zaletjelicu Cassinina svojoj misiji istraživanjaSaturnovsustav.

Prenosiva ionizacijska komora.

Ionizacijske komore različitih obujama.

Ionizacijska komorajedetektorza otkrivanje imjerenjejakostiionizirajućega zračenja.Glavni su joj dijelovi zatvorena cilindričnakomora,u kojoj se nalaziplinpod određenimtlakom,i dvijeelektrodes različitimelektričnim potencijalima.To je jedan od prvih detektora ionizirajućega zračenja kojemu se načelodetekcijezasniva na sabiranjuionskihparova koji nastaju u plinu uelektričnom poljukomore. Prolaskomfotonaili neke nabijenečesticedovoljneenergijekroz komoru,ionizirajuse ili pobuđujumolekuleplina uzduž staze čestice. Ionizacijom neutralne molekule nastaju pozitivni ion i slobodnielektron,koji se nazivaju ionskim parom. Iz nastalih ionskih parova stvara se strujnisignal,koji se dalje može oblikovati i pojačavati u izlazni signal, razmjeran jakosti (broju čestica i energiji) upadnogzračenja.Ionski parovi nastaju izravnim ioniziranjem, ali su mogući i drugi procesi kojima upadno zračenje gubi energiju bez stvaranja iona (procesi pobuđivanja molekula). Zato je temeljni detekcijski parametar komore ukupni broj njezinih ionskih parova stvorenih uzduž staze zračenja. Ionizacijska energija elektrona u zadnjim elektronskim ljuskama većine plinova (vodik,dušik,kisik,helij,metan) iznosi 10 do 20eV,ali se kao glavni parametar u primjeni drži srednja energija upadnog zračenja potrebna za tvorbu ionskog para. Za spomenute plinove vrijednost energije upadnog zračenja je od 20 do 40 eV po ionskom paru, dakle znatno veća od ionizacijske energije. Razlika potencijala između elektroda obično je reda veličine 100V,ali sgradijentompribližno od 1 kV/m.U električnom polju komore, uz slučajno toplinsko (termičko)gibanje,ioni dobivajubrzinuzanošenja vd

$v_{d}=\mu \cdot E$

gdje je:μ-električna pokretljivostiona,E-jakost električnoga polja.Nastajanje signala iz izvornih ionskih parova stvorenih prolaskom zračenja narušava se procesima rekombinacije u plinu. To su sudari u kojima se događauhvat slobodnog elektronaod strane pozitivnog iona, pa nastaje neutralno stanjeatoma,ili sudaranje pozitivnoga iona s negativnim ionom, pri čemu se oba neutraliziraju. U oba je slučaja informacija o izvornom ionskom paru izgubljena i nema doprinosa konačnomu signalu. Pod visokim zahtjevima proporcionalnosti (u pogledu energije i vrste čestice) ionizacijska se komora zamjenjujeproporcionalnim brojilom.

Energijsko razlučivanje ionizacijske komore ne ovisi samo o srednjem broju ionskih parova što ih stvara upadno zračenje, nego i o njegovojstatističkojfluktuaciji (raspodjeli). U odzivu detektora te se pojave uračunavaju Fanoovim faktoromF,iskustvenomkonstantomkoja uzima u obzir kolikim se udjelom upadno zračenje pretvara u nositelje signala u detektoru (0 ≤F≤ 1).

Povijest

Zamjerenjeelektrona,ionai mnogih drugih vrstazračenjakonstruirani su različitiaparati.Postanak mnogih od tih aparata tijesno je vezan s ispitivanjimaradioaktivnosti.Otkrivač radioaktivnostiA. H. Becquerelprvi je opazio da se dobro izolirani električno nabijenielektroskoppomalo ispražnjuje ako u njegovu blizinu stavimouranij.Uranij šalje spontano, sam od sebe, izvjesne prodorne zrake, koje stvaraju u zraku ione i na taj način dovode do električne struje u nabijenom elektroskopu. Becquerelov elektroskop preteča je ionizacijske komore.

Moderna ionizacijska komora se sastoji od cilindrične posude s vrlo tankim zidom, kroz koji mogu lako prodrijeti brzi ioni i elektroni. U osi posude nalazi seelektroda,koja se može nabiti do vrlo visokogelektričnog napona.Elektroda je spojena s vrlo osjetljivim elektroskopom. Kad brzi ion prodre kroz posudu, stvori u plinu visokog tlaka mnoštvo iona i uzrokuje djelomično ispražnjenje elektroda. Pri tom nešto opadnu listići elektroskopa. Iz pomaka listića možemo odrediti jakost ionizacije.

Objašnjenje

Ionizacijska komora služi za mjerenjebrzine ekspozicijske dozeionizirajućeg zračenja.Često ne znamo karakteristike izvora polja zračenja, ali njegove učinke možemo neposredno izmjeriti. Najčešće se radi se o posudi sa zrakom naatmosferskom tlakuu kojoj supozitivnainegativna elektroda.Kada zračenje uđe u posudu iionizirazrak oslobođeni se pozitivniioniskupljaju na katodi, a elektroni na anodi. Time se stvaraelektrična strujau vanjskom krugu koja se može mjeriti (galvanometar).

U ionizacijskim komorama elektrode su napotencijalu,čijeelektrično poljesamo prikuplja ione oslobođene primarnom ionizacijom. Naime, električno polje nije dovoljno za ubrzavanje iona, čime se izbjegavaju sekundarne ionizacije. Ionizacijske se komore koriste kada su potrebna precizna mjerenja polja zračenja, što je osobito važno u planiranjuradioterapije.

Nasuprot tome, uGeigerovim brojačimanaponje veći i primarni ioni, na putu prema elektrodama stvaraju “lavinu” sekundarnih iona. Posljedično, Geigerovi brojači ne mjere brzinu ekspozicijske doze, već samo učestalost ionizacija. Ipak njihova je prednost što, zbog unutrašnjeg pojačanja “signal”, mogu detektirati ionizirajuća zračenja relativno malih energija. U praksi se koriste za nadzor i detekciju prisutnosti izvora zračenja, kada nije potrebna osobita preciznost.

Način rada

Ionizacijska komora ima relativno mali napon među elektrodama. On mora biti dovoljno velik da spriječi rekombinaciju ionskih parova, tj. da skoro u potpunosti razdvojielektronei pozitivneione.Istovremeno mora biti dovoljno mali da ne ubrzava elektrone do te mjere da na putu do anode mogu ponovo ionizirati atome detektorskog plina. Veličina električnog pulsa u ionizacijskoj komori je razmjeran broju nastalih ionskih parova (iona-elektrona), odnosno energiji upadne čestice. S toga ovakvim detektorom možemo mjeritienergijeupadnog zračenja. Povećanjem napona između anode i katode, elektroni se jače ubrzavaju te ioniziraju detektorski plin. Novonastali elektroni mogu ponovo izazvati ionizaciju. Takav proces se događa u uskom području oko anode, gdje vlada jako polje. Ukupan broj nastalih ionskih parova je razmjeran naponu, ali i početnom broju ionskih parova (primarna ionizacija). Takva vrsta ionizacijskih detektora zovu seproporcionalne komore.Za današnju modernu fiziku od posebne važnosti su proporcionalne komore s mnogo žica (oznaka MWPC nastala kao skraćenica od engleskog nazivaMultiwire Proportional Chamber). Takvi detektori omogućuju registraciju putanje čestice, s prostornom rezolucijom manjom od 1mm.Sve do pojave MWPC detektora, uređaji za praćenje putanje čestica su bili u biti optičke prirode (npr.fotografskeemulzije, komore na mjehuriće). MWPC su se pojavili oko 1970. godine.

Ionizacijska komora se sastoji uglavnom od metalne posude, u čijoj se unutrašnjosti nalaze dvijemetalneploče, koje su izolirane od stijenki posude i električki su s vanjske strane povezane uistosmjerni električni krug,sbaterijomkoja daje napon oko 1500V.U istosmjernom električnom krugu se nalazi igalvanometarza mjerenje jačine električne struje. Posuda je ispunjena zrakom ili nekim drugimplinom,podtlakomnižim od atmosferskog tlaka.

U takvim uvjetima nema električne struje u zatvorenom krugu, jer zrak ili plin u posudi zbog slabe ionizacije ne provodi struju i ustvari djeluje kaoizolator.Ali, čim kroz zidove komore ili kroz prozorčić od tinjca (liskun) ilinajlona,prođe ionizirajuće zračenje (alfa-čestice,beta-čestice,gama zrake,rendgenske zrakeitd.), u unutrašnjosti komore između dvije pločekondenzatorapod naponom, pojavit će se slaba električna struja (najmanje oko 10-15A). Pošto je ta struja nastala zbog izazvane ionizacije plina u komori, nazivamo jeionizacijska struja.Tako se pojavljuje ionizacija plina u komori izazvano ionizirajućim zračenjem izvana.

Ionizacijskom komorom ne mogu se brojiti pojedine atomske čestice, nitielektromagnetsko zračenje,nego se samo mjeri intenzitet ionizacijske struje. Pošto je intenzitet ionizacijske struje srazmjeran nastalom broju parova iona, a njihov broj zavisi od jačine ionizirajućeg zračenja (radioaktivnost), izlazi da je intenzitet ionizacijske struje srazmjeran intenzitetu ionizirajućeg zračenja. Prema tome, razumljivo je da ionizacijska komora služi za otkrivanje, a i mjerenje intenziteta, uglavnom gama zračenja i rendgenskog zračenja.

Mjerenje apsorbirane doze ionizirajućeg zračenja

Ionizacijske komore imaju sličnu građu kao i Geigerovi brojači, ali drugačije električno polje i drugačiji način baždarenja. One mjereapsorbiranu dozuu zraku. Ako znamomasuzraka u komori (odnosno njenobujam), zračenje prolazom kroz tu komoru predaje određenu količinu energije za ionizaciju tog zraka u komori, te ako znamo tu energiju znamo i apsorbiranu dozu u zraku u točki na kojoj se nalazi komora. To je omjer energije i mase zraka u komori. Nadalje, izpokusaje poznato koliko energije je potrebno da u zraku nastane 1 par elektron-ion: 34eV.Dovoljno je, dakle, mjeriti broj impulsa u komori i svaki impuls pomnožiti s 34 eV, te dobijemo ukupnu energiju predanu od zračenja komori. Ta energija podijeljena s masom zraka u komori daje apsorbiranu dozu. Baždarenjem se to može postići tako da jeelektronikapodešena na način da izravno možemo očitati dozu na skali uređaja.