ІІ-тарау.Иондаушы бөлшектерді тіркеу тәсілдері.

Күшейткішті ионизациялық санауыштар.

Өрістің кернеулігі жоғарғы болған жағдайда анодқа дрейфтелуші электрондар соқтығысулар арасындағы газ молекулаларын ионизациялау үшін жеткілікті энергияға ие болуы мүмкін. Мұндай жағдай токтың және импульс амплитудасының артуына әкеп соқтырады. Бұл құбылыс–екінші реттік ионизация есебінен электрондар санының арту газдық күшею деген атауға ие. Газдық аралықтағы вольт-амперлік сипаттамаға назар аударайық. 2.1- суретте екі түрлі бастапқы ионизациялар үшін импульс амплитудасының кернеуге тәуелділігі көрсетілген. 2- салада импульстар амплитудасы 10-100 есе өсетіндігі және импульс шамаларының бастапқы ионизацияға тәуелділігі тура пропорционал екендігі көрініп тұр. Бұл салада жұмыс істейтін санауыштар пропорционал санауыштар деп аталады. Кернеудің одан әрі ұлғаюы кезінде пропорционалдылық бұзылады, одан әрі импульс амплитудасы бастапқы ионизацияға тәуелді болмай қалады. Газдық күшею механизмін қарастырамыз және вольт-амперлік сипаттамаға сапалы түсініктер береміз.

Сурет

Газдық күшею механизмі. Екінші реттік ионизацияны жүзеге асыру үшін соқтығысулар арасында электрон газ молекулалары, атомдарды ионизациялау үшін жеткілікті энергияға ие болуы қажет. Осылай болады деп есептей отырып, электр өрісінің кернеулігін бағалайық. Мысалы, қысымы 100 мм сын.бағ. сутегі газындағы электронның соқтығысулар арасындағы орташа еркін жүру жолы шамамен 10^{-3 см. Сутегі атомдарының ионизациясы үшін 15 эв-тен жоғарғы энергия қажет. Осылайша, қарастырылып отырған мысалда екінші ионизация кернеулігі 1,5∙104} электр өрісі қажет. Электрондармен екінші реттік ионизация процесі – электронды сарқыраманың дамуындағы бір ғана процесс емес. Қосымша ионизация қозған күйдегі атомдар мен молекулалардан шығарылған фотондар есебінен жүруіде мүмкін. Таза бір атомды газда фотоионизация санауыш катодындағы фотоэффектінің есебінен ғана жүре алады.

2.2-сурет. Метан мен аргон толтырылған санауыштағы газды күшею коэффициентінің кернеуге тәуелділік графигі (r₂=1,1 cм, r₁=0,0125 cм).

Газды күшею коэффициентінің фотоионизация ықтималдығына тәуелділігін көрсетеміз. Фотоионизация жоқ кездегі газдық күшею коэффициенті М болсын делік. Сонда бірінші реттік ионизациядағы әрбір электрон М екінші реттік электрондарды тудырады. Солармен бірге белгілі бір мөлшерде қозған молекулалар пайда болады. Егерде қозған күйден фотондар шығару арқылы бастапқы күйге қайтса, онда бірнеше фотоэлектрондар туындайды. Егерде бір екінші реттік электронның электронға бір фотоэлектрон тудыру ықтималдығын γ- деп белгілесек, онда фотоионизацияны есепке алғандағы газды күшеюдің толық коэффициенті:

М_γ=M+M²γ+M³γ²+…= (2.1)

Бұл өрнектен Mγ→1, Мγ→∞ болғанда санауышта «тесілу» басталады және оның импульсінің амплитудасы бірінші реттік ионизацияға тәуелді емес(2.2-суреттегі 3-сала).

Пропорционалды санауыштағы импульс формасы. Цилиндрлі пропорционалды санауышта оның центрінен r₀ арақашықтықта бірінші реттік ионизация нәтижесінде n₀ ион жұптары түзілсін делік. Санауышта газдық күшею басталмайынша, яғни электрондар өріс кернеулігінің төмен мәндері аумағында дрейфтелуі кезінде, импульсты цилиндрлі камера үшін алынған V^-(t)=- ) - қатынаспен бейнелеуге болады. Бірінші реттік ионизация кезінде туындаған электрондар мен иондардың қозғалуы есебінен туындаған импульстың максимал мәні қорытқы импульспен салыстырғанда М есе төмен болады. Сондықтан газдық күшею коэффициентінің үлкен мәндерінде импульстың осы құраушысын ескермесе де, анодтан екінші реттік ионизация туындайтын арақашықтықты r_R деп белгілесек, онда электрондардың нөсері r<r_R дами бастайды. Газдық күшею саласына дейінгі электрондардың жүру уақыты бірінші реттік ионизацияның басталу орнына тәуелді болып, шамамен алғанда (r₀-r_R)/(W^-) құрайды.

Нөсердің даму уақыты, яғни екінші реттік ионизацияның өту уақыты өте аз болады. Шынында газдық күшею орталық электродтан жіптің бірнеше диаметріне тең (~0,1см) арақашықтықта жүзеге асады. Бұл салада электрондар дрейфінің жылдамдығы шамамен 10⁷см/сек, яғни нөсердің даму уақыты шамамен 10^-8 сек. Осыған орай, бірінші ионизация зарядтары ескермесек, онда орталық электродтан 1-2 диаметр арақашықтықта Mn₀ ион жұптары түзілді деп есептеуге болады. Сонда RC үлкен мәндері үшін амплитудалардың максимал мәндерінің қатынасын бағалайық._. Егерде r₂/r₁=100, ал r_R/r₁~2 болса, онда V^-_макс/ V⁺_макс~0,15. Осылайша, біз қызық жағдайға тап боламыз: пропорционал санауыштардағы импульс негізінен оң иондардың қозғалысына байланысты. Толық жинақталу уақытын t^*, егер r=r₂ және r₀=r_R болса: онда

t^*= (2.2)

Қысымы 0.8 атм болған сутекпен толтырылған санауыш үшін μ⁺=6,7,r₂=1,1 cм, r₁=2 10^{-2 см; U}₀=2800 в (M=100); t^*=120 мксек; V(t) логарифмділік тәуелділікке бойсұнатындықтан санауыштарда иондардың катодқа қозғалу уақытымен салыстырғанда RC-ның мәнін өте кіші етіп алуға болады.Сонымен, шамамен 10^-6 сек уақыт ішінде амплитуда өз максимал мәнінің жартысына дейін өседі. Осыған байланысты RC кез-келген мәні үшін V(t) тәуелділігін анықтап, жүктеме кедергінің қажетті мәнін таңдауға болады.

2.3-сурет. Пропорционалды санауыштағы импульс формасы (анодтан катодқа қозғалыс уақыты 100 мксек).

Оң иондардың қозғаласымен байланысты камерадағы токтың максимал мәні

I(t)= (2.3)

(2.3)- қатынасын r және t арасындағы байланысты ескере отырып, оңай алуға болады. V(t)=0, t=0 кезінде деп есептей отырып, санауыш сыйымдылығындағы кернеу келесі шамаға тең:

V(t)= (2.4)

X=t+B жаңа айнымалыны енгіземіз және интегралдағаннан соң келесі өрнекті аламыз: V(t)= (2.5)

Жоғарыдағы 2.3-суретте RC-ның әртүрлі мәндері үшін пропорционалды санауыштағы импульстың түрлері келтірілген.

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 (r₂-r₁)/<W^-> шамаға жуық болады [18].

t^* шамасының флуктуациясы санауыш өлшеміне, (r₂/r₁) 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 r₂/r₁=100, U₀=280/M=100; B=4 10^-8 ceк және 2ln(r₂/r₁)=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.