Детекторы рентгеновского излучения (фотографический, ионизационный и сцинтилляционный)

Детекторы рентгеновского излучения

Для регистрации рентгеновских лучей в настоящее время обычно применяют фотографический, ионизационный и сцинтилляционный методы.

Фотографический метод широко распространен; он очень удобен, обладает документальностью и высокой чувствительностью. К недостаткам этого метода относится необходимость использовать дорогой фотографический материал.

Ионизационный и сцинтилляционный методы позволяют с большой точностью измерять интенсивность рентгеновского излучения. Используются в рентгеноструктурном анализе, когда необходимо знание точного соотношения интенсивностей и профиля дифракционных максимумов. Эти методы требуют сложной электронной аппаратуры.

Ионизационный детектор

Ионизационный детектор обычно представляет собой наполненный нейтральным газом металлический цилиндр  - катод I, вдоль оси которого натянута вольфрамовая нить  - анод 2 толщиной несколько десятков мкм (рис. 6.3). В качестве наполнения применяются аргон, криптон или ксенон с добавками метана при давлении, близком к атмосферному. К электродам подводится постоянное напряжение от 200 до 2000 В. В цилиндрическом корпусе имеется входное окно 3 из бериллия, мало поглощающего рентгеновское излучение. Оно располагается в торце (торцевые счетчики) или на боковой поверхности (счетчики с боковым входом).

Кванты рентгеновского излучения при столкновении с атомом газа вырывают из электронной оболочки атома электрон (простой фотоэффект); возбужденный атом, возвращаясь в нормальное состояние, испускает квант флуоресцентного излучения или Оже-электрон (сложный фотоэффект). Энергия флуоресцентного излучения о образовавшихся электронов тратится на ионизацию других атомов газа. Таким образом, поглощение одного кванта вызывает ионизацию нескольких сотен атомов. Например, энергия  образования пары ионов в ксеноне равна 22,5 эВ; квант излучения с энергией 8,05 кэВ образует при попадании в детектор 358 пар, состоящих из положительного иона и свободного электрона.

Процессы, происходящие в газовом объеме детектора, во многом зависят от величины напряжения на электродах. В связи с этим различают следующие типы ионизационных детекторов: ионизационная камера, пропорциональный счетчик и счетчик Гейгера.

6.2.1. Ионизационная камера. Под действием приложенного к электродам напряжения ионы и электроны перемещаются к катоду и аноду соответственно. Во внешней цепи детектора возникает импульс тока. При этом часть ионов рекомбинирует, давая нейтральные молекулы. С ростом напряжения скорость ионов и электронов увеличивается и возрастает вероятность достижения ими соответствующего электрода без рекомбинации, и, следовательно, ионизационный ток растет (область      на рис. 6.4.). При напряжении рекомбинация становится ничтожной, ионизационный ток достигает насыщения. Величина тока, протекающего через ионизационную камеру (так называется ионизационный детектор, работающий в этом режиме) зависит только от числа квантов, которые попадают в камеру в единицу времени, и их энергии. Дальнейшее увеличение напряжения до    не вызывает увеличение ионизации тока, возрастает лишь скорость ионов.

Чувствительность измерений ионизационной камерой рентгеновского излучения, используемого в структурном анализе, мала – она составляет всего (I – 2) 10 имп/мин, поэтому такую камеру применяют лишь в дозиметрической аппаратуре, а также для контроля интенсивности первичного пучка.

6.2.2. Пропорциональный  счетчик.  При повышении напряжения (область       ) образующиеся под действием рентгеновского излучения электроны приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных молекул газа. Таким образом, выше напряжения ионизация молекул происходит не только за счет энергии поглощаемых в детекторе квантов излучения, но и за счет энергии электрического поля. Эффект ударной ионизации весьма велик. После первого столкновения электрона с молекулой к аноду движутся уже два электрона, после следующего число их удваивается и после n столкновений их будет уже 2 . Электрическое поле в детекторе неоднородно, всего сильнее оно у нити анода, всего слабее – у внутренней поверхности катода. Поэтому при переходе через точку разряд возникает лишь у поверхности анода. Чем выше напряжение на счетчике, тем больше толщина прилегающего к аноду газового слоя, в пределах которого происходит ударная ионизация, тем больше число n , и , следовательно, коэффициент газового усиления H (обычно равен 10). На нагрузке в цепи анода счетчика возникает импульс напряжения в несколько милливольт, который после усиления легко регистрируется. При стабилизированном напряжении на электродах счетчика величина амплитуды импульса пропорциональна энергии регистрируемого кванта излучения. Счетчик, работающий в таком режиме, называется пропорциональным. Использование пропорционального счетчика в сочетании с амплитудным дифференциальным  дискриминатором позволяет выделить импульсы, отвечающие квантам определенной энергии излучения.