Диплом жұмысы тақырыбы: Радиоактивті сәулелерді газ разрядты санауыштар көмегімен тіркеу

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

Бөлшектер	Газ
	Ауа	Н2	Не	Ν2	О2	Ar	CH4	C2H4
α-бөлшек пратон/р электрон/р	35,0 33,3 35,0	36,0 35,3 38,0	30,2 29,2 32,5	36,0 33,6 35,8	32,2 31,5 32,2	25,8 25,5 27,0	29,0 - -	27,0 - -

1.2. Газдық күшейткішсіз ионизациялық тіркеу әдістері.

1.2.1. Газдардағы электрондар мен иондардың қозғалысы .

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

Вольт-амперлік сипаттамада ток тұрақты болатын аймақтың ұзындығы камераны толықтыратын газға, қысымға, температураға, иондалу тығыздығына тәуелді. Қысым жоғары, ионизацияның тығыздығы үлкен, әсіресе электрлік теріс иондардың түзілу мүмкіндігі жоғары газдармен камера толтырылған жағдайда вольт-амперлік сипаттамадағы ΙΙ-аймақ болмауыда мүмкін. Бұл аймақтың жоғарғы шекерасы электрондардың екі соқтығысу аралығында газ молекулаларын иондалуыға жеткілікті энергияға ие болатындай кернеулікпен анықталады. Осы аймақтың төменгі шекарасы диффузия мен рекомбинация процестерінің дәрежесімен анықталады. Диффузия, рекомбинация және теріс иондардың туындау процестерінің туындау механизмдерін қарастырайық [4].

Электрондар мен иондардың диффузиясы. Электрондар мен иондар, газдың молекулалары секілді, осы түрдегі бөлшектердің концентрациясы төмен болған бағыты бойымен қозғалады. Мұндай «орташа қозғалыс» диффузия коэффициентімен сипатталады. Диффузия коэффициенті- бұл бөлшектердің берілген түрі үшін тұрақты шама болып, осы бөлшектердің берілген бағытындағы ∂²n/∂x² тығыздығының өзгеру жылдамдығы ∂²n/∂t² мен көлем бірлігінде бөлшектердің уақыт бойынша өзгеруі ∂n/∂t арасындағы қатынасты сипаттайды, яғни

(1.1)

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

D= немесе D=, егер λ= (1.2)

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.

1.2 кесте.Оң және теріс иондар үшін диффузия коэффициенті, см²/сек

Газ	Aya	H2	N2	CO2	O2
D+	0.032	0.13	0.029	0.025	0.030
D-	0.042	0.19	0.041	0.026	0.041

Электрондар үшін D мәндері біршама үлкен және электр өрісі кернеулігінің қысымға қатынасына E/p тәуелді. Атмосфералық қысым кезінде СО₂-да электрондар үшін диффузия коэффициенті E/p=2 в/(см мм сын бағ) кезінде 49-дан E/p=16 в/(см мм сын бағ) кезіндегі 2500 см²/сек дейін өзгереді. Сутегі, аргон және азоттағы электрондардың диффузия коэффициентінің E/p қатынастарына байланысы өте әлсіз. Осыған байланысты аргонда E/p қатынасының 0.1-ден 15 в/см мм сын бағ- дейін өзгеруі кезінде D≈10⁴ cм²/сек, ал сутегіде E/p 0.25-тен 50 в/(см мм сын бағ) дейін өзгеруі кезінде D 320-дан 2500 см²/сек дейін өзгереді. Мұнда келтірілген диффузия коэффициентерінің мәндері 760 мм сын бағ –на тең газ қысымдары үшін берілген [4].

Егерде t=0 мезетте берілген көлемде туындаған зарядтардың тығыздығы n₊=n_-=n₀ бірдей болса және олардың жойылуы тек рекомбинация есебінен ғана болса, онда (1.3)-қатынасынан уақыт бойынша зарядтар тығыздықтарының таралуының өрнегін табуға болады:

n₊(t)=n_-(t)=n₀(t)= (1.4)

Егер камерадағы зарядтардың жинақталу уақыты және рекомбинация есебінен зарядтардың жойылуы берілген болса, бұл қатынастан ионизация тығыздығының шамасын есептеуге болады. Егер зарядтардың жинақталу уақыты 10^-3 сек, рекомбинация есебінен шығындар 10% аспайды деп есептесек, an₀ ≤ 10² болатындығын көреміз. Мұның өзі оң және теріс иондардың концентрациясы 10⁸ см^-3, ал оң иондар мен электрондардың концентрациясы 10¹² см^-3 шамалардан төмен болмауы қажеттігін көрсетеді.

Келтірілген есептеулер көрсеткендей рекомбинация процесі электрлік теріс иондардың түзілу ықтималдығы жоғары болған жағдайда ғана маңызға ие болады. Шынында да айта кетерлік бір жайт, ауыр зарядталған бөлшектермен иондалу кезінде зарядтардың тығыздығы бастапқы моментте орасан зор болады және сол себепті зарядтардың көлем бойынша біртекті таралуы жайлы ұсыныс бұл жерде қолданылмайды. Интенсивтілігі онша үлкен емес α-сәулелену кезінде рекомбинация процесіне тек трек ішіндегі иондардың рекомбинациясы ғана орасан зор үлес қосады.

1.2.2. Сыртқы электр өрісінде орналасқан газдардағы электрондар мен иондардың қозғалысы.

Сыртқы электр өрісі болмаған жағдайда, ионизация нәтижесінде түзілген электрондар мен иондар диффузияланады. Олардың өмір сүру уақыты (шексіз көлемде) рекомбинация процесімен анықталады. Егер газды камераны сыртқы электр өрісіне орналастыратын болсақ бұл процесс басқаша түрде болады. Өріс кернеулігі жеткілікті деңгейде үлкен болса,зарядтар электрод бағыты мен қозғалады. Зарядтардың бұл қозғалысы камерада және сыртқы электр тізбегінде ток тудырады. Ток тығыздығының шамасы

j=j⁺+j^-, ( 1.5)

Мұнда j⁺ және j^- - оң және теріс иондардың қозғалуымен байланысты ток компоненттері . Иондардың рекомбинациясы мен олардың диффузиясы j⁺ және j^- шамаларын төмендетеді. Егерде диффузия мен рекомбинацияны ескермесек, ток тығыздығын өрістің күштік сызықтарының өн бойындағы зарядтар қозғалысының орташа жылдамдықтары W⁺ және W^- арқылы өрнектеуге болады. Бұл орташа жылдамдықтар дрейф жылдамдықтары деп аталады.

j⁺=n⁺eW⁺ , j^-=n^-eW^-, (1.6)

Мұндағы n⁺ және n^- -көлем бірлігіндегі иондар мен электрондардың cаны.

Өрістегі зарядтар дрейфін барынша нақты қарастырып өту қажет. Газ көлемі арқылы зарядталған бөлшектер өтіп, еркін электрондар мен иондар түзсін делік. Егер сыртқы өріс болмаса, онда соқтығысулар арасында иондар мен электрондар түзу сызықты қозғалыста болады. Олардың қозғалыстарын уақыт бірлігіндегі соқтығысулардың орташа саны ν, орташа жүру жолы λ және жылулық қозғалыстардың орташа жылдамдығы υ арқылы сипаттауға болады. Шынында да λ=υ⁄ν электр өрісі болған жағдайда, соқтығысулар арасында иондардың қозғалысына өріс әсер ететін болады. Сондықтан олардың траекториясы парабола түрінде болады [7].

Егер әрбір соқтығысу кезінде fE шамасына тең энергия мөлшерін жоғалтатын болса ( Е-ионның кинетикалық энергиясы), онда ∆t уақыт ішінде шығындар νfE∆t шамасын құрайды. Энергия шығындары өрістің әсерінен алынған энергиядан төмен болса, иондардың энергиясы өсе береді. Энергияның шығындалуы ионның кинетикалық энергиясына тура пропорционал болғандықтан энергияның өсуімен шығындалуы теңеліп, тепе-теңдік күй туындауы мүмкін. Тепе-теңдіктің қаншалықты тез орнығуы бір соқтығысуы кезінде жоғалатын энергия үлесіне f-ке тәуелді. Ауыр иондар үшін әрбір соқтығысу кезінде энергияның жартысы жоғалады деп есептеуге болады. Сол себепті ауыр иондар үлкен кинетикалық энергияға ие бола алмайды және электр өрісі, олардың қозғалысын сипаттайтын υ және λ орташа шамаларын өте аз өзгертеді. Электрондар болса керісінше, бір соқтығысу кезінде өз энергиясының аз үлесін жоғалтады.

Күйдің тепе-теңдігін және ион энергиясының өріс кернеулігіне тәуелділігі әлсіз байланыста екендігін ескеріп, дрейф жылдамдығы өріс кернеулігіне тура, газ қысымына кері пропорционал екендігін анықтаймыз. W⁺=μ⁺E/p, мұндағы μ⁺- иондардың қозғалғыштығы. Иондардың қозғалғыштығы өрістің бірлік кернеулігі және бірлік қысымдағы дрейф жылдамдығына тең шама. Орташа жылдамдық ионға әсер етуші eE/M күшпен және оның әсер ету орташа уақытымен анықталады( мұндағы-М ион массасы). Екі соқтығысулар арасындағы орташа уақыт орташа еркін жүру жолына тура, ал жылулық қозғалыстың орташа жылдамдығына кері пропорционал, яғни

W= (1.7)

Жоғарыда аталып өткендей, ауыр иондардың энергиясы электр өрісінің әсерінен өте аз өзгеретеді, Демек υ және λ шамаларды өрістің кернеулігіне тәуелсіз деп есептеуге болады. μ=eλ₀/Mυ деп белгілесек

W=μ (1.8)

(1.6) және (1.7)- қатынастарын және иондардың кинетикалық энергиясы мен температурасының арасындағы байланыстың E= екендігін ескеріп, иондардың қозғалғыштығымен диффузия коэффициенті байланыс өрнегін жазамыз:

Μ= (1.9)

Оң және теріс иондардың қозғалғыштығының шамалары бір-біріне жуық 1.3 – кестеде бірлік қысым мен өрістің бірлік кернеулігіне сәйкес оң иондардың қозғалғыштығының шамалары берілген.

1.3- кесте. p=1атм және Е=1в/см кезіндегі оң иондардың қозғалғыштығы.

Ион	Ауа	H2	Ar	He	CO2
μ+, см2атм/(сек в)	1.37	6.7	1.37	5.1	0.79

Осы кестеде көрініп тұрғандай, молекулалар ауыр болған сайын олардың қозғалғыштығы төмен болады. Электрондар бір соқтығысу кезінде энергияны аз шығындайтын болғандықтан, электр өрісінде жылулық қозғалыс энергиясынан едәуір жоғарғы энергияға ие болады. Сол себепті орташа жүріс шамалары мен электрондар үшін соқтығысулар арасындағы қозғалу жылдамдығы электр өрісінің кернеулік шамаларына тәуелді болып келеді. Осы себептерге байланысты электрондар үшін дрейф жылдамдығы өріс кернеулігінің күрделі функциясы болып табылады. Бұл функцияның түрін екі шекті жағдайлар үшін алуға болады. Ең алдымен электронның электр өрісі есебінен ие болатын энергиясы оның жылулық қозғалыс энергияcының аз үлесін құрайтындай болып, Е/р шама өте кіші болсын. Мұндай жағдайда электрондар дрейфінің қозғалысы иондар дрейфінің қозғалысы секілді бейнеленіп, Е/р шамасына тура пропорционал болады. Ендігі кезекте электр өрісіндегі электронның орташа энергиясы жылулық қозғалыс энергиясынан едәуір жоғары деп қарастырайық. Өріс есебінен электрон ие болатын энергия газ молекулаларымен соқтығысулар кезінде толық жұмсалатын тепе-теңдік күйде болсын. Электрон 1 секунд ішінде өріс бойымен W жол жүріп өтіп, WeE энергиясына ие болады. Бұл уақыт ішінде ν соқтығысу болады, олардың әрбіреуінде газ молекулаларына берілген энергия fmυ² шамасына тура пропорционал болады. Тепе-теңдік әсерінен

WeE=νfmυ²/2 (1.9)

Өріс әсерінен алынған электронның энергиясы mυ²/2 болуы салдарынан mυ²/2eE қатынасы әрдайым тұрақты болуы шарт. Сонда дрейф жылдамдығы ν ═υ ⁄ λ немесе тура пропорционал болады.

Кейбір газдар үшін электрондар дрейфінің жылдамдығының E/p-ға тәуелділігі 1.4-кестеде келтірілген.