Газды ионизациялыќ детекторлар

Шымкент Институты.

ДИПЛОМ ЖҰМЫСЫ

Тақырыбы: Радиоактивті сәулелерді газ разрядты санауыштар көмегімен тіркеу.

1.1. Детекторлардың негізгі түрі -----------------------------------------------------------4

1.2. Газдық күшейткішсіз ионизациялық тіркеу әдістері -----------------------------5

1.2.1. Газдардағы электрондар мен иондардың қозғалысы ---------------------------5

1.2.2. Сыртқы электр өрісінде орналасқан газдардағы электрондар мен

иондардың қозғалысы ----------------------------------------------------------------10

2.1. Күшейткішті ионизациялық санауыштар ------------------------------------------15

2.2. Ионизациялық камералар -------------------------------------------------------------22
ІІІ-тарау. Газ разрядты санауыштар және олардың көмегімен радиациялық сәулелерді тіркеу -----------------------------------------------------------------------------29

3.1. Өздігінен өшпейтін санауыштар ----------------------------------------------------29

3.2. Өздігінен өшетін санауыштар --------------------------------------------------------21

3.3. Иондаушы бөлшектер индикаторының жұмыс істеу принципі ---------------38

3.4. Ғарыштық сәуленің жұмсақ компонентасының интенсивтілігін

анықтау (эксперимент)----------------------------------------------------------------41

Қазіргі кезде иондаушы бөлшектердің бақылау және тіркеу үшін өте нәзік тәсілдер мен құралдар қолданылады. Иондаушы сәулелер деп электрон, протон, нейтрон, альфа-бөлшек, мезон, фотон және т.б. сол сияқты қарапайым бөлшектер ағынын айтамыз. Бөлшектердің заттың атомындағы электрон немесе ядромен өзара әсерлесу кулондық , электромагниттік , ядролық күштер арқылы жүзеге асады . Бұл әсерлесулер нәтижесінде болатын серпімді және серпімсіз соқтығысулар нәтижесінде өте көп құбылыстар туындайды. Сол құбылыстарды иондаушы бөлшектерді тіркеу үшін пайдалануға болады . Ортада жұтылған энергияның әсерінен туындайтын құбылыстар заттың агрегаттық күйіне байланысты болады. Мысалы, газдарға түскен иондаушы бөлшектердің әсерінен еркін электрондар мен иондар туындайды . Сыртқы электр өрісінің әсерінен олар тізбекте бағытталған қозғалыста болып , қысқа мерзімді электр тогын яғни импульсын тудырады. Осы импульстарды тіркеу арқылы иондаушы бөлшектерді бақылауға болады.

Зерттеу обьектісі екінші реттік ғарыштық сәулелер. Индикатордан шыққан бәсең импульстар алдымен төмен жиіліктегі күшейткішке келіп түседі, сонда күшейтіліп, қайта есептегіш құрылғыға беріледі. Күшейткіштің шығысына қосылған жартылай өткізгіш диод ток импультарын С конденсаторға қарай өткізеді де, күшейткіштің шығыс трансформаторының обмоткасы арқылы конденсатордың разрядталуына мүмкіндік бермейді, өйткені кері бағытта ток өткізбейді. Келіп түскен ток импульстарының әсерінен С конденсатор ондағы кернеу неон лампының жағылу потенциалымен теңелгенге дейін бірте-бірте зарядталады. Конденсатор неон лампы сөнетін кернеуге дейін неон лампы мен динамик арқылы разрядталады.

Жұмыстың мақсаты иондаушы бөлшектердің әсерінен туындайтын газдағы

разрядтарды тіркеу арқылы ғарыштық сәулелердің құрамын және

интенсивтіліктерін анықтау.

Барлық газды ионизациялық детекторлар конденсаторлар түрінде болып келеді, оларда электродтар арасындағы кеңістік қандайда бір газбен толыққан. Детектордың газдық аралығындағы кернеуліктің таралуына байланысты олар түрлі қасиетке ие болады. Осыған орай, детектор қосылған тізбектегі токтың шамасы , конденсаторға түсірілген кернеу кіші болған жағдайда , кернеудің шамасына және кеңістікте туындаған иондар санының электрон зарядына болған көбейтіндісіне тәуелді болады. Мұндай детекторларды ионизациялық камералар деп атайды. Кернеулік жоғары болған жағдайда газдың күшеюі нәтижесінде электрлік тізбектегі ток детекторларда уақыт бірлігінде пайда болатын зарядтар санынан едәуір көп болуы мүмкін. Бұл кезде ток конденсатордағы кернеуге және сәуленің әсерінен туындайтын иондық эффектіге порпорционал болады. Мұндай детекторлар пропорционал деген атқа ие. Соңында, конденсатордағы кеңістігіндегі кернеу бұдан да барынша жоғары шамаға ие болуы кезінде егерде детектор көлеміне зарядталған бөлшек түсетін болса разряд пайда болады. Ал мұндай детекторларды газоразрядты есептеуіштер деп атайды.[3].

Тіркеудің иондық әдістері конденсатордың газдық қуысынан өту кезінде зарядталған бөлшектер тудыратын зарядты немесе токты өлшеуге негізделген. Зарядталған бөлшек энергиясымен одан туындаған ионизация арасындағы байланысты қарастырамыз. Бұл өте маңызды байланыс, өйткені ионизациялық камералар мен пропорционалдық есептеуіштерде иондық эффект бойынша бөлшектердің энергиясын анықтайды. Тәжірибелік жолмен орнатылғандай, иондық бір жұпты туындатуға жұмсалатын орташа энергия W, зарядталған бөлшектің энергиясына, оның массасы мен зарядына толықтай тәуелді емес.

Спектрометрлік өлшеулерде орташа энергия мен бөлшек энергиясы арасындағы байланысты білген жөн. Көптеген зерттеулер көрсеткендей , аргонда, мәселен 0,5%-ке дейінгі дәлдікте W зарядталған бөлшектер энергиясына тәуелді емес. Ауа үшін W шамасы бөлшектер энергиясына айқын тәуелді . Осыған орай, α-бөлшектер үшін 3-4 Мэв-ден 50 кэв-ке дейін энергияны өлшеу кезінде орташа энергия шамамен 10 %-ке өзгереді.

Өте қызық тағы бір жайт- иондық жұптарды түзуге жұмсалатын энергия түрлі газдарда бірдей мәселен, аргонда ол оттегіге қарағанда төмен, ал бұл кезде аргон атомдарын иондауға қажетті энергия оттегі атомдарын иондауға жұмсалатын энергияға қарағанда жоғары болып келеді. Бұл қызық жайтты түрлі газдар мен молекула атомдарын алуға қажетті энергиялар өзара ерекшеленетіндігімен түсіндіруге болады. 1.1-кестеде әртүрлі зарядталған бөлшектердің әртүрлі газдардағы бір жұп ионды тудыру үшін қажет W-энергиясының шамасы көрсетілген .

1.1-кесте. Ион жұптарына айналуға қажетті энергия , эв

Бөлшектердің энергиясын нақты өлшеу үшін барлық түзілген электрондар

мен иондар камераның электродтарына жетуі қажет. Соңғысы әрқашан жүзеге

аса бермейді, өйткені электрондар мен иондар электр кернеулігі сызықтарының оның бойымен қозғалуымен қатар үздіксіз, тәртіпсіз жылулық қозғалыста болады, мұның барлық өзі заряд тасушылардың сәйкес электродтарға жиналуына кедергі жасайды. Сонымен қатар, электрондардың молекулалармен өзара соқтығысулары кезінде теріс иондар түзілуі, рекомбинация және соққы әсерінен ионизациялану процестері жүреді. Барлық бұл құбылыстар –диффузия, рекомбинация, теріс иондардың түзілуі- орташа ток пен импульстің шамаларын өзгертеді. Келтірілген құбылыстардың маңызды мәнге ие екендігін токтың зарядталған бөлшектермен сәулеленетін камераға түсірілген кернеуге тәуелдігі нақты көрсетеді (1.1-суретте көрсетілген). U₀ кернеу тудырған Ι аймақта туындаған барлық электрондар мен иондар электродтарға толық жете алмайды, ал ΙΙ аймақта рекомбинация мен диффузия процестері әлсіз болғандықтан заряд тасушы бөлшектер электордтарға толықтай жетеді. Кернеуді одан әрі ұлғайтатын болсақ, екінші реттік ионизацияның туындауы нәтижесінде токтың кескін ұлғаюына алып келеді.

1.1-сурет

Диффузия коэффициентінің өлшемі бар [см²/сек]. Статистикалық физикада белгілі болғандай, диффузия коэффициенті D бөлшектің орташа еркін жүру λ ұзындығы және соқтығысулар арасындағы орташа жылдамдық υ-ға тікелей байланысты. Бұл байланыс, егерде λ шамасы υ шамасына тәуелді болмса және бөлшектердің соқтығысулары кезінде шашыраудан соң олардың бұрыштар бойынша таралуының мүмкіндіктері бірдей болса, өте қарапайым түрге ие болады. Бұл қатыснас

Мұнда, λ₀ –бірлік қысым кезіндегі орташа еркін жүру жолы, р-қысым, λ=λ₀/p. Диффузия коэффициентерінің шамасы ауыр иондар мен электрондар үшін әртүрлі мәнге ие болды. Алайда ол айырмашылық олардың тек абсолют мәндерінде ғана емес. Ауыр оң және теріс иондар үшін диффузия коэффициентерін сыртқы электр өріске тәуелсіз деп есептеуге болады, себебі сыртқы электр өрісі әлсәз болса, газ молекулалары мен иондарының қозғалысы жылулық қозғалыс ретінде бірдей болады. . Егерде иондардың энергиясы сыртқы өріс есебінен аз өзгерсе, онда λ₀ және υ шамаларының мәні де аз өзгереді. Электрондар үшін жағдай басқаша болады. Серпімді соқтығысу нәтижесінде электрондар өз энергиясының аз үлесін жоғалтатын болғандықтан электр өрістегі электрондардың орташа энергиясы электр өрісінің кернеулігіне тәуелді болады, сондай-ақ электрондар үшін λ шамалары олардың υ жылдамдығына тәуелді болады.

Қысым p=1атм және температура 15⁰С күйдегі иондар үшін диффузия коэффициентінің мәндері 1.2- кестеде келтірілген. Температура артқанда орташа жылдамдықта артады, сондықтан D коэффициенті ұлғаяды Қысымның төмендеуі кезінде λ артады, бұл да D коэффициентінің артуына әкеп соқтырады. 1.2-кестеден көрініп тұрғандай, оң және теріс ауыр иондардың диффузия коэффициентері онша ерекшелене бермейді. D⁺ және D^- шамаларындағы айырмашылық атомында оң және теріс зарядтардың әртүрлі орын алмасуын байланысты болуы мүмкін.