Tento typ detektorů je založen na látkách, které působením ionizujícího záření mění některé své elektrické vlastnosti například vodivost. Působením přímo ionizujícího záření se některé atomy nebo molekuly, původně neutrální, přeměňují ionizací na kladně nabité ionty a elektrony. Při interakci nepřímo ionizujícího záření tuto ionizaci způsobují sekundární nabité částice.

Schematické znázornění elektrického detektoru záření.

Do této skupiny lze zahrnout:

• ionizační komory;  
• Geiger - Müllerovy počítače;  
• proporcionální detektory;  
• polovodičové detektory.  

Elektrické detektory jsou různě upravené válcové nebo deskové kondenzátory. Připojíme-li k elektrodám kondenzátoru elektrický zdroj, pak tímto obvodem, který je přerušen objemem vzduchu mezi elektrodami, začne procházet měřitelný proud. Vložíme-li mezi elektrody zdroj ionizujícího záření, mezi deskami kondenzátoru mohou probíhat následující pochody:

• ionizace - ionty, které vytvoří ionizující záření, se pohybují k opačně nabitým elektrodám, v obvodu vzniká ionizační proud;
• rekombinace - při setkání kladného a záporného iontu může vzniknout opět neutrální atom nebo molekula, pravděpodobnost rekombinace klesá s rostoucí rychlostí iontů, to znamená s rostoucím napětím na deskách kondenzátoru;
• přídavná (sekundární) ionizace - primární ionty mohou být urychleny na větší energii, než je ionizační energie plynu mezi deskami kondenzátoru a mohou v tomto prostoru vytvářet nárazovou ionizací další ionty.

Charakteristický průběh hodnoty elektrického náboje sebraného na elektrodách detektoru v závislosti na přiloženém pracovním napětí U je nakreslen na následujícím obrázku.

Ionizační obory.

Při stálé hustotě částic můžeme ionizační účinky ionizujícího záření v plynu rozdělit do následujících oblastí:

• oblast Ohmova zákona (I) - ionty vzniklé primární ionizací spolu rekombinují, rekombinace klesá s rostoucím napětím, a tím roste ionizační proud úměrně s napětím; pracovní napětí je příliš nízké a sběr iontů nedokonalý, této oblasti se k detekci ionizujícího záření neužívá;

• oblast nasyceného proudu (II) - rekombinace ustává, pracovní napětí je dostatečné, aby se sebraly všechny ionty vytvořené primární ionizací; proto hodnota ionizačního proudu nezávisí na hodnotě přiloženého pracovního napětí; v této oblasti pracují ionizační komory;

• oblast přídavné ionizace (III)   
  • oblast úplné proporcionality (III1) - při dalším zvyšování pracovního napětí dochází k nárazové ionizaci, a tím k vytváření dalších iontových párů, každý urychlený iont vytvoří K sekundárních iontů, číslo K se nazývá koeficient zesílení; v této oblasti pracují proporcionální detektory;  
  • oblast částečné proporcionality (III2) - velikost náboje závisí jen do určité míry na počáteční ionizaci; nebývá pro detektory využívána;
  • oblast Geiger-Müllerova (III3) - charakterizovaná nezávislostí odezvy na velikosti původně vytvořených ionizací a pouze pozvolnou závislostí na dalším zvyšování napětí; v této oblasti pracují Geiger-Müllerovy počítače.

Ionizační komory

Ionizační komora je tvořena dvěma kovovými destičkami - elektrodami (anodou a katodou), umístěnými v plynném prostředí. Provozní napětí se volí tak, aby ionizační komora pracovala v oblasti nasyceného proudu (asi 150 až 200 V). Za normálních okolností (bez přítomnosti záření) systémem neprochází žádný proud - plyn mezi elektrodami je nevodivý, obvod není uzavřen. Vnikne-li však do prostoru mezi elektrodami ionizující záření, vyráží z původně neutrálních atomů plynu elektrony a mění je na kladné ionty. Záporné elektrony putují v  elektrickém poli okamžitě ke kladné anodě, kladné ionty se dají do pohybu k záporné katodě - obvodem začne protékat slabý elektrický proud způsobený iontovou vodivostí ionizovaného plynu mezi elektrodami. Proud je přímo úměrný intenzitě ionizujícího záření.

Schematické znázornění principu ionizační komory pro detekci toku ionizujícího záření.

Při měření alfa zářičů se vzorek umísťuje přímo do ionizační komory. Vzorky musí být velmi tenké, vzhledem k silné samoabsorpci alfa záření.

Zářiče beta se vkládají buď dovnitř ionizační komory, nebo je komora opatřena vstupním okénkem z materiálu o nízkém absorpčním koeficientu. Ionizační proud závisí na tvaru a konstrukci komory a na energetickém spektru zářiče. V plynové náplni komory je absorbována pouze část energie beta záření (dolet beta částic bývá většinou větší, než jsou rozměry komory), zbývající část je pohlcena stěnami komory a k ionizačnímu proudu nepřispívá.

Ionizační komora ve studnovém provedení jako měřič aktivity radioaktivních preparátů.

Ionizační komory pro gama záření využívají sekundární ionizace způsobené elektrony, které jsou uvolněny interakcí gama záření s náplní a stěnami ionizační komory.

Hodnoty elektrického proudu protékajícího ionizační komorou se pohybují v rozmezí 10^-16 až 10^-9 ampéru. Ionizační komora má nízkou citlivost (účinnost), takže se nehodí pro detekci slabých zářičů. Její výhodou je však lineární závislost proudu i v oblasti velkých intenzit ionizujícího záření. Ionizační komory nacházejí hlavní využití v dozimetrii při stanovení dávky, expozice a kermy ve vzduchu. Nezastupitelné jsou v provozech s vysokými teplotami (válcovny, hutě), kde ostatní známé detektory pracovat nemohou.

Různé druhy ionizačních komor.

Geiger-Müllerovy počítače

Geiger-Müllerovy počítače jsou založeny na principu využití ionizačních účinků záření. Jsou tvořeny válcovou katodou, v jejíž ose je uložena tenká anoda, tvořená zpravidla wolframovým drátkem. Celý systém elektrod je uzavřen v baňce s inertní plynovou náplní (argon, neon). Geiger-Müllerovy počítače pracují v režimu, kdy elektrony vzniklé primární částicí v počítači se mezi dvěma srážkami urychlí elektrickým polem natolik, že jsou schopny ionizovat další neutrální atomy. Takto vzniklé sekundární elektrony ionizují další atomy, takže na anodu dopadne celá lavina elektronů. Tím vzniká tzv. zesílení v plynu (koeficient zesílení je až 10¹⁰). Náboj na elektrodách pak nezávisí na primární ionizaci, ale je dán pouze vlastnostmi počítače.

Průchod každé částice je tedy doprovázen samovolným výbojem v celém objemu počítače, který vyvolá na připojeném zatěžovacím odporu napěťový impuls, a ten se zpracovává v dalších částech radiometrické aparatury. Výboj, který vznikne v počítači je nutné co nejdříve přerušit, neboť po dobu výboje (vzhledem k poklesu napětí pod Geiger-Müllerův práh) neregistruje počítač další částice. Přerušení výboje se nejsnáze dosahuje vhodnou plynovou náplní počítače (samozhášecí počítače). Časový interval, za který se obnoví pracovní napětí na počítači (obnoví se schopnost registrovat další částice), se nazývá mrtvá doba (bývá řádově v milisekundách).

Konstrukce Geiger-Müllerových počítačů závisí na typu a energii částic, které má počítač detekovat.

Schématické znázornění Geiger-Müllerova počítače.

Nejdůležitější charakteristiky Geiger-Müllerových počítačů:

• pracovní charakteristika - znázorňuje závislost četnosti impulsů (počet impulsů za sekundu) na napětí na počítači a konstantní hustotě toku částic;  
• účinnost počítače - poměr částic zaregistrovaných počítačem k celkovému počtu částic, které na počítač dopadnou, vyjadřuje se v procentech;
• pozadí - průměrná četnost impulsů při pracovním napětí, není-li v blízkosti počítače zdroj ionizujícího záření;

• mrtvá doba - časový interval, za který se po výboji obnoví pracovní napětí, to znamená, kdy je počítač schopen registrovat další částice; při větších četnostech impulsů je při měření třeba provádět korekci na mrtvou dobu.

Geiger-Müllerův počítač.

Proporcionální detektory

Pracují v oblasti úplné proporcionality a využívají tedy sekundární ionizaci. Zapojení, konstrukční provedení a charakteristiky jsou podobné jako u Geiger-Müllerových počítačů. Koeficient zesílení je 10⁴ až 10⁵, mrtvá doba se pohybuje řádově 10^-6 s. Výstupní napěťové impulsy jsou úměrné energii, proto můžeme tyto počítače využít ve spektrometrech.

Soustava Geiger-Müllerových (nebo proporcionálních) detektorů v plošném uspořádání jako měřič radioaktivní kontaminace.

Polovodičové detektory

Polovodičové detektory jsou založeny na ionizačních účincích v pevných látkách. Vnikne-li ionizující částice do vhodného polovodiče, vytváří v něm ionizací páry elektron - díra, přičemž většina primárních elektronů má tak velkou energii, že způsobuje další nárazovou ionizaci prostředí. Dochází k lavinovitému uvolňování elektronů do vodivostního pásu a tvorbě děr ve valenčním páse, počet uvolněných nosičů náboje tedy závisí na energii primární částice. Přiložíme-li na tento polovodič napětí, pak vlivem elektrického pole se volné nosiče nábojů (elektrony a díry) dají do pohybu v příslušném směru a v připojeném obvodu vznikne proudový impuls, jehož velikost závisí na energii dopadající částice ionizujícího záření. To umožňuje využít polovodičové detektory jak pro detekci ionizujícího záření, tak pro spektrometrická měření.

Energie potřebná k tvorbě jednoho páru elektron - díra je asi 10 x nižší než energie potřebná k tvorbě iontového páru v plynu a asi 50 x nižší než energie nutná k uvolnění jednoho elektronu z fotokatody fotonásobiče. Energetická rozlišovací schopnost polovodičových detektorů je proto značně lepší než rozlišovací schopnost detektorů plynových (ionizační komory, proporcionální detektory, Geiger-Müllerovy počítače) a scintilačních. Nevýhodou polovodičových detektorů je nutnost nepřetržité udržování nízké teploty (kapalný dusík -196 °C), omezení dosažitelných rozměrů a tedy i menší geometrická účinnost.

Schematické znázornění polovodičového detektoru.