Ионизациялық камералар

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Жоспары:

I. Кіріспе

Ионизациялық камералар және пропорционалды есептегіштер

II. Негізгі бөлім

2. 1. Ионизацияылық камералар құрылысы және жұмыс істеу принципі

2. 2. Пропорционалды есептегіштер құрылысы және жұмыс істеу принципі

2. 3. Пропорционалды борлы есептеуіш және борлы камера .

III. Қорытынды

IV. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

I. Кіріспе

Ионизациялық камералар және пропорционалды есептегіштер

Ионизациялық камералар. Радиоактивті бөлшектер камарадан өту кезінде газ молекулаларын ионизациясын және қозғауын тудырады. Ионизация үрдісін қозғау үшін бөлшектің энергиясы, кем дегенде газдың молекулаларын ионизациялау энергиясына тең болатындай болу керек. Газ детекторлар көбісінде пайдаланылатын ионизация энергиясы 10 . . . 20 эВ құрайды. Ионизация үрдісі жоқ болған кезде электр тізбегі арқылы ток өтпейді, себебі электрод араларында электр өткізбейтін орта орналасқан. Электродтар арасындағы газда электр өрісі жасалады (кернеу беру арқылы) . Камераға түсетін радиоактивті бөлшектер иондар пайда болуына әкеледі. Мұнда электр өрісінің әсерінен оң иондар 55 катодқа, ал теріс иондар анодқа қарай қозғалады, бұл - тізбекте электр тогын пайда болуына әкеледі. Ионизациялық камерадағы токтың кернеуден тәуелділігі. Анодта ток пайда болады:

I=qe·n·N0.

Мұндағы qe - электрон заряды (1, 6·10-19 Кл) ; n - 1 с ішіндегі пайдалы кӛлемге түсетін бӛлшектер саны; N0 - әр иондық жұп бӛлшектерінде қалыптасу мӛлшері; І=10-11 . . . 10-14 Кл - қуат мӛлшеріне байланысты.

II. Негізгі бөлім

2. 1. Ионизацияылық камералар құрылысы және жұмыс істеу принципі

Ионизациялық камера газбен толтырылган, иондаушы саулеленудің деңгейін аныктайтын датчик. Саулелену діңгейін олшеу екі электрод арасында орналаскан камераның жумыс аумағында ионизациялык газды аныктау, т. б. электродтар арасында потенциалдар айырмасы пайда болады. Еркін зарядтардың көмегімен электродтар арасында ток пайда болады. Ионизациялык камералар интегралдык және импульсті болады. Соңғы жағдайда камераның анодына жылдам электрондар тез жиналады. Ал ауыр оң иондар катодка жетіп үлгермейді. Ол жеке импульстерді тіркеуге мүмкіндік береді. Ондай үшінші электрод сетканы орналастырады. Ол анодка жакын орналастырылады.

Бөліну камералары . Бөлінетін заттың қабаттары орнатылған ионизациялық камералар нейтрондармен бірқатар зерттеулер жүргізу үшін өте ыңғайлы. Мұндай камераларды бөліну камералары деп атаймыз. Олардың негізгі артықшылығы, нейтрондармен ядроларды атқылаған кезінде жоғарғы энергияға ие болған бөліну жарықшақтары (сынықтары) пайда болады. Мұның өзі бөліну жарықшақтарынан басқа зарядталған бөлшектерден дискриминациялауға мүмкіндік береді. Бөліну камераларын нейтрон ағындарын салыстырмалы және абсолютті өлшеу үшін, ядролар бөліну қимасын өлшеу үшін, бөлінумен қатар жүретін өнімдердің қасиетін зерттеу үшін қолданады. Мұндай камераларда бөлінуші материалды жұқа қабаттар түрінде орнатады. Қабаттың қалыңдығын әдетте бөліну жарықшақтарының жүру жолы ұзындығының ең жоғарғы шамасына қарағанда аздау етіп таңдайды. Жарықшақтың жүру жолынан қалыңырақ қабаттарды пайдаланудың қажеттігі жоқ, өйткені ол камераның тиімділігін арттырмайды. Екінші жағынан, қабат қалың болса, жарықшақтармен туындайтын α-бөлшектер саны да артады. Бұл қосымша фон тудырады. Бірнеше α-бөлшектерден туындаған импульстар қосылып жарықшақ энергиясына жақындауы мүмкін. Бұл импульстардың қосылу ықтималдығын Пуассон таралуы бойынша бағалауға болады. Ол үшінимпульстың формасын тікбұрыш, ал ұзақтығын τ-ға тең деп қарастырамыз. Камерада 1 секунд ішінде n ₀ α- бөлшектер пайда болсын делік, сонда 1 секунд ішіндегі санауыштар саны n=n ₀ /(1+n ₀ τ) . Камерада τ уақыт интервалында бір бөлшекті тіркеу кезінде тағы да (к-1) бөлшек пайда болуы ықтималдығы, яғни

импульстардың к-рет беттесуі орын алуы p(k-1) = . Демек к-рет беттесудің жиілігі

n(k) = , мұнда k=1, 2, 3. . (2. 8)

Олай болса n= екендігін оңай көруге болады.

Импульстардың беттесуінің жиілігін анықтау кезінде импульстың шынайы формасы мен камераның RC тұрақтысы ескерілуі қажет. α-бөлшектер фонын төмендету үшін бөліну камераларын электрондарының қозғалғыштығы жоғары болған газдармен толтырады ( мәселен, метан) . Егерде камера электродтары арасындағы арақашықтық сантиметрдің ондық үлесіне жуық болса, онда метанмен толтырылған камераларда ұзақтығы шамамен 10 нсек импульстар алуға болады. Осы мақсатта жарықшақтары жұмысшы көлемде өз энергиясының бір бөлігін ғана шығындайтындай етіп қысым мен камераның электродтары арасындағы арақашықтықты таңдап алуға болады. Бұл жарықшақ импульсының α-бөлшектер импульстарына қатынасын ұлғайтады.

Камера көмегімен өлшеу жоғары дәлдікпен болады, егерде олардың санау сипаттамасында плато болатын болса (тұрақты сәулелендіру кезіндегі импульстар санының тіркеуші құрылғы дискриминациясының деңгейіне тәуелділігі) . Егер уран қабаты жұқа болса, жарықшақтардың интегралдық саны платаға ие болады. Мұның өзі де түсінікті жайт, себебі камераның жұмысшы көлеміне түсетін жарықшақтардың спектрі 40-100 Мэв энергияда максимумға ие. Егер қабат қалың болса камераның жұмысшы көлеміне келіп түсетін бөліну сынықтарының спектрі үздіксіз болады және төмен энергия аумағында жоғарылайды. Сол себептен мұндай камераның интегралды есептік сипаттамасында плато болмайды.

Бөліну камералары бар тіркеуші аппаратураларды бақылау α- бөлшектер тудырған импульстарды санау арқылы оңай жүзеге асыруға болады. α-бөлшектерді санау жылдамдықтарының логарифмі тіркеуші құрылғы дискриминациясының деңгейіне тікелей тәуелді болып табылады. Мұндай тәуелділікті камераның α- бөлшектік қисығы деп атайды. Бұл жағдайды құрылғы дискриминациясының қажетті деңгейін анықтау үшін пайдаланады. α-бөлшектік қисықтан пайдаланып бөлшектердің есептік жылдамдығы, мәселен 0, 05 имп/мин тең болғандағы дискриминация деңгейінің күйін экстраполяция жолымен табуға болады. Дискриминация деңгейін мұндай әдіспен орнату сезімталдылықтың қандайда бір деңгейінде әрқашан жұмыс істеуге мүмкіндік береді(күшейту контролі) . Бөліну камераларының сезімталдылығын келесі түрде жазуға болады:

S=N ₀ σ _f B (2. 9)

Мұндағы N ₀ - камерадағы бөлінуші ядролар саны, σ _f -бөліну қимасы, В-тіркеуші аппаратураның дискриминациясының деңгейіне, қабат қалыңдығына және камераның геометриясына тәуелді коэффициент. В шамасын жұқа қабаттар, жазық камера және төмен табалдырықтар үшін оңай есептеуге болады. Қалың қабаттарда В шамасын есептеу өте қиын [4] .

Тәжірибе арқылы бөліну камераларының В шамасын жеткілікті дәлдікпен анықтауға болады. Камераны Ф жылулық нейтрондардың ағынына орналастырамыз. Сонда камера n _f =ФТ ₀ σ _f B бөліну санын тіркейді. Әрбір бөліну ν жылдам нейтрондар тудырады. Оларды жылдам нейтрондар детекторымен тіркеуге болады. Бұл детектор n _n =ФN ₀ σ _f νΔΩε _d импульстар санын тіркейді, мұндағы ΔΩ-денелік бұрыш. Бөліну камерасын сәйкес келу схемасы арқылы жылдам нейтрондардың детекторына қосамыз және сәйкес келу жылдамдықтарын санаймыз: n _fn =ФN ₀ σ _f νΔΩε _d В, мұнда B=n _fn /n _n болатындығын оңай көруге болады. Мұндай әдіспен В шамасын анықтаудағы қателік статистикалық қателікпен шамалас болады. U ₃ O ₈ қалын қабаттарға ие камераларда есептік сипаттамаларда плато болмайды. Жылулық нейтрондарды тіркеуге арналған камераларда әдетте U ²³⁵ - ие қабаттар жиі қолданылады.

2. 2. Пропорционалды есептегіштер құрылысы және жұмыс істеу принципі

Пропорционалды санағыштар газоразрядты тіркегіштер, оның жұмыс істеу принципі цилиндрлі электр өрісінде тасқынды зарядтың өршуіне байланысты. Бұл приборда импульс тогының амплитудасы энергиясына пропорционалды қалады, сондықтан ол ионизациялы камера секілді спектрометр функциясын орындауға мүмкіндігі бар. Пропорционалды санағыш альфа, бетта, гамма, протон мен нейтронды тіркей алады. Пропорциионалды санағыш гелий немесе аргонмен толтырылады. Зарядталған бөлшектер мен гамма квантты тіркегенде энергия төмендемеу үшін тіркеуге дейін жіңішке кіріс терезелері орнатылады. Көбінесе олар цилиндрлі түрде болады, цилиндрдің осінде жіңішке металдық сым болады, ол анод аумағында электр өрісінің кернеулігінің айтарлықтар көп болуын қамтамасыз етеді. Анод пен катод арасындағы потенциалдар айырымы 1000 вольт болғанда, сым маңында ол 4000 В/см жете алады. Егер ол одан көп болса, онда импульсті ток пен детектордағы энергиясында бөлшек жоғалуының арасында пропорционалдық жоғалып, тек бөлшекті саеағыш қана болып қалады да, спектрометр ретінде қызмет атқара алмай қалады.

Пропорционалды санауыштың энергетикалық ажыратқыштығы.
Энергетикалық ажыратқыштықтың шамасы иондаушы бөлшектен туындаған ион жұптарының санындағы флуктуацияға байланысқанты болады. Пропорционалды санауыштардағы импульс таралуы амплитудаларының таралуы газдық күшею коэффициентіне әсер етуші тағы бірнеше себептерге тәуелді: көлемдік зарядқа, электрлік теріс иондардың туындауына, санауыштың орталық электродының өн бойындағы электр өрістің біртексіздігіне тәуелді болып келеді. Бұл себептердің әсерін пропорционалды санауыштың параметрлері мен конструкциясын тиімді түрде таңдау арқылы едәуір әлсіретуге болады. Сонымен қатар, газдық күшею коэффициентінің шамасы флуктуацияланады, өйткені газдық күшею процесі статистикалық сипатқа ие. Бірінші реттік ионизация процесімен байланысты дисперсия шамасы, n ₀ -ге тең болады, мұндағы n ₀ -Пуассон заңы бойынша таралған кездейсоқ шама болcын.
Бұрын аталып өткендей, егерде көлемдік заряд әсері әлсіз деп есептесек пропорционалды санауыш импульстары үшін алынған формулалар және көлемдік заряд газдық күшею процесіне нақты әсер етпейтіндей шарттар орынды болады.

M<< (2. 7)

Егерде бұл шарт орындалмаса, онда бөлшектердің энергиясының өсуіненде газдық күшею коэффициенті кемиді. Сонымен қатар, орталық электродқа қатысты түрлі ориентацияға ие бөлшектер үшін әр түрлі болады. Шынында да бөлшек радиалды бағытқа ие болған кезде иондардың тығыздығы ең жоғарғы мәнге ие болады. Бұл жағдайда газдық күшею аймағы l электрондардың еркін жүру жолының ұзындығынан бірнеше есе үлкен болады. Зарядталған бөлшек санауыш осіне параллель қозғалғанда иондардың тығыздығы ең кіші мәнге ие болады. Бұл кезде l санауыш газындағы зарядталған бөлшектердің жүру жолының ұзындығына тең. M үлкен мәнге ие болған кезінде санауыштың жұмыс істеуі газдың қысымы аз болған кезінде мүмкін болады. Мұны қысым төмендеген кезде кернеу табалдырығы төмендейтіндігі және n ₀ e/l шаманың төмендейтіндігі арқылы түсіндіруге болады.
Егер көлемдік заряд әсерін ескермесек, онда пропорционалдық санауыштың импульсінің амплитудасы санауыштағы иондардың пайда болу орнына тәуелді болмайды. Көптеген газдар үшін катод жанындағы ионизация кезіндегі импульстар амплитудасы мен анод жанындағы ионизация кезіндегі импульстар амлитудасының қатынасы 1-ге тең болады. Электрлік теріс иондардың түзілу ықтималдығы жоғары газдар үшін ρ<1. Бұл түсінікті жайт, өйткені жабысу коэффициенті Е/р-ның функциясы болып табылады, соның салдарынан анодқа жақын және катодқа жақын жерде электрлігі теріс иондардың туындау ықтималдығы бір-бірінен өзгеше болады.
Осыған орай, ВҒ ₃ газбен толыққан санауыштар үшін төменгі қысым мен жуан жіп болса, ρ=1, ал жоғарғы қысым мен жіңішке жіп болса ρ<<1. Санауыштың амплитудалық ажыратқыштығы жоғары болу үшін, оның ішіндегі газды бөгде қоспалардан мұқият тазарту қажет [22] .
Санауыштың энергетикалық ажыратқыштығына жіпті бекітіп тұрған тұтқыштың тудырған өрісінің біртекті болмауы әсер етеді. Жіп ұштарындағы өрістің әсерін болдырмау үшін жіпті арнаулы үлгідегі қорғаушы электродтарға бекітіп, өрістің біртексіздігін минимумға келтіріледі. Осы уақытқа дейін санауыштың екі электроды да қатаң коаксиальды болып келеді деп есептеліп келген болатын. Анықталғандай, жіптің тіпті ең аз эксцентриситеті газдық күшеюдің едәуір өзгерістеріне әкеп соқтырады екен. Росси және Штауб атты ғалымдар жіптің аз эксцентриситетінің әсерін қарастырып, r ₂ >>r ₁ болған жағдай үшін мына қатынасты анықтады:

мұндағы Δ- жіптің эксцентриситеті (жіптің санауыштық осьтік сызығынан

ығысуы) ; δE/E - жіпке жақын өрістің салыстырмалы өзгеруі. Осы теңдеуден

және газдық күшеюдің Е-ге тәуелдігінен газдық күшею шамасының таралуын табуға болады.

Санауыштың уақыттық сипаттамалары . Бөлшектердің санауышқа келіп түсу мезетінен бастап t ^* уақыт ішінде импульс өз максимал мәніне ие болады деп есептелік. Бұл t ^* интервалдың ұзақтығы негізінен бірінші реттік ионизациялық электрондарының туындау орнынан есептеуіштің анодына дейін қозғалыс уақытымен анықталады. Сонымен t ^* -ның максимал таралымы (r ₂ -r ₁ ) /<w ^{-> шамаға жуық болады .

t* шамасының флуктуациясы санауыш өлшеміне, (r} ₂ ^/r ₁ ^{) қатынасына және санауыштағы кернеуге тәуелді болады. Пропорционалды санауыштар көмегімен уақыт бойынша бөлшектердің таралуын анықтаған кезде микросекундтың бөлігін құрайтын t*-ның таралуын санауыштың уақыт бойынша ажыратқыштығын анықтайды.

Егер санауыш бөлшектердің санын өлшеуге қолданылса, онда электрондардың анодқа түсу мезетінен бастап импульстың өсу уақыты қызығушылық тудырады. Бұл жағдайда RC кіші мәндері, бірақ импульс амплитудасы әлі де болса жеткілікті болатындай етіп таңдап алу үлкен маңызды орынға ие (газды күшейтуді тоқтатпау үшін) . Амплитуда V} _max ^{-нан m есе төмен болатындай етіп алсақ, RC шамасын келесі қатынастан таңдауға болады: RC≈t} _max ^=B ^{(2. 6)

мұндағы t} _макс ^{- RC шексіз үлкен болған кезіндегі V} _max ^{/m дейін амплитуданың өсу уақыты. Қысымы 0, 8 атм сутегімен толтырылған санауышта r} ₂ ^/r ₁ ^{=100, U} ₀ ^{=280/M=100; B=4 10-8 ceк және 2ln(r} ₂ ^/r ₁ ^{) =92 болғанда m=10 болса, RC≈6 10-8, ал m=5 болса, RC≈2 10-7 болады. Келтірілген мысалдан көрініп тұрғандай, бөлшек санын өлшеу кезінде пропорциолналдық санауыш өте жылдам детектор бола алады.}