Ionizacijska komora

Skica ionizacijske komore.

Ionizacijska komora u dozimetru.

Ionizacijske komore različitih obujama.

Ionizacijska komora služi za mjerenje brzine ekspozicijske doze ionizirajućeg zračenja. Često ne znamo karakteristike izvora polja zračenja, ali njegove učinke možemo neposredno izmjeriti. Najčešće se radi se o posudi sa zrakom na atmosferskom tlaku u kojoj su pozitivna i negativna elektroda. Kada zračenje uđe u posudu i ionizira zrak oslobođeni se pozitivni ioni skupljaju na katodi, a elektroni na anodi. Time se stvara električna struja u vanjskom krugu koja se može mjeriti (galvanometar).

U ionizacijskim komorama elektrode su na potencijalu, čije električno polje samo 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 planiranju radioterapije.

Nasuprot tome, u Geigerovim brojačima napon je 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 razdvoji elektrone i pozitivne ione. 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 mjeriti energije upadnog 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 se proporcionalne komore. Za današnju modernu fiziku od posebne važnosti su proporcionalne komore s mnogo žica (oznaka MWPC nastala kao skraćenica od engleskog naziva Multiwire Proportional Chamber). Takvi detektori omogućuju registraciju putanje čestice, s prostornom rezolucijom manjom od 1 mm. Sve do pojave MWPC detektora, uređaji za praćenje putanje čestica su bili u biti optičke prirode (npr. fotografske emulzije, komore na mjehuriće). MWPC su se pojavili oko 1970. godine.

Ionizacijska komora se sastoji uglavnom od metalne posude, u čijoj se unutrašnjosti nalaze dvije metalne ploče, koje su izolirane od stijenki posude i električki su s vanjske strane povezane u istosmjerni električni krug, s baterijom koja daje napon oko 1500 V. U istosmjernom električnom krugu se nalazi i galvanometar za mjerenje jačine električne struje. Posuda je ispunjena zrakom ili nekim drugim plinom, pod tlakom nižim 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 kao izolator. Ali, čim kroz zidove komore ili kroz prozorčić od tinjca (liskun) ili najlona, prođe ionizirajuće zračenje (alfa-čestice, beta-čestice, gama zrake, rendgenske zrake itd.), u unutrašnjosti komore između dvije ploče kondenzatora pod naponom, pojavit će se slaba električna struja (najmanje oko 10-15 A). Pošto je ta struja nastala uslijed izazvane ionizacije plina u komori, nazivamo je ionizacijska struja. Tako se pojavljuje ionizacija plina u komori izazvano ionizirajućim zračenjem izvana.

Ionizacijskom komorom ne mogu se brojati pojedine atomske čestice, niti elektromagnetsko 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 mjere apsorbiranu dozu u zraku. Ako znamo masu zraka u komori (odnosno njen obujam), 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, iz pokusa je poznato koliko energije je potrebno da u zraku nastane 1 par elektron-ion: 34 eV. 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 je elektronika podešena na način da izravno možemo očitati dozu na skali uređaja.