АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Читайте также:
  1. II. Государственные преступники первого разряда, осуждаемые к смертной казни отсечением головы.
  2. IV. Государственные преступники третьего разряда, осуждённые к ссылке вечно в каторжную работу.
  3. IX. Государственные преступники восьмого разряда, осуждённые к лишению чинов, дворянства и к ссылке на поселение.
  4. V. Государственные преступники четвёртого разряда, осуждаемые к временной ссылке в каторжную работу на 15 лет, а потом на поселение.
  5. VI. Государственные преступники пятого разряда, осуждаемые к временной ссылке в каторжную работу на 10 лет, а потом на поселение.
  6. VII. Государственные преступники шестого разряда, осуждаемые к временной ссылке в каторжную работу на 6 лет, а потом на поселение.
  7. VIII. Государственные преступники седьмого разряда, осуждаемые к временной ссылке в каторжную работу на 4 года, а потом на поселение.
  8. X. Государственные преступники девятого разряда, осуждаемые к лишению чинов, дворянства и к ссылке в Сибирь.
  9. XII. Государственные преступники одиннадцатого разряда, осуждаемые к лишению токмо чинов с написанием в солдаты с выслугою.
  10. АСУТП на предприятиях нефтегазового комплекса. клатчек
  11. Буфетчик пятого разряда
  12. Буфетчик третьего разряда

 

По оси абсцисс отложено напряжение, подаваемое на электроды, а по оси ординат величина ионизационного тока (Рис.1).

Сложная зависимость тока от напряжения связана с особенностью физических процессов, протекающих в газе при движении ионов и свободных электронов в межэлектродном пространстве. Для понимания сущности этих процессов характеристика разбита на 7 участков.

На первом участке (О-А) в интервале напряжений от О до U1, ток пропорционален напряжению. Этот участок называют областью закона Ома. В этой области не все ионы, образованные в газе, достигают электродов. Часть ионов, двигаясь в газе, рекомбинируют. С увеличением напряжения растет скорость направленного движения ионов и электронов, поэтому вероятность рекомбинации уменьшается и на электроды попадает все больше ионов и электронов. Однако с дальнейшим увеличением напряжения рост тока постепенно начинает замедляться, и, наконец наступает такой момент, когда с увеличением напряжения ток дальше не растет. Это говорит о том, что почти все образующиеся в газовом объеме ионы и электроны попадают на электроды. Ток при этом достигает постоянной величины и носит название тока насыщения (участок А-Б) в интервале напряжений от U1 до U2 ,то есть ток практически постоянен, хотя кривая тока все же имеет небольшой подъем, вызванный небольшой рекомбинацией и другими второстепенными факторами. Этот участок носит название области ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ (областью насыщения). На этом участке число ионов пропорционально интенсивности излучения, а, следовательно и активности источника. Здесь ток насыщения обусловлен только первичной ионизацией (т.е. только зависит от энергии самой частицы).

В области насыщения кинетическая энергия, получаемая ионами и электронами от электрического поля, еще недостаточна для ионизации молекул.

По мере дальнейшего увеличения напряжения, где U больше U2, легко подвижные электроны ускоряются до такой кинетической энергии, которой хватает для ионизации встречных молекул. Это участок кривой III (участок Б-В). Эту ионизацию в отличии от первичной называют ВТОРИЧНОЙ или УДАРНОЙ ионизацией.

Электроны вторичной ионизации вместе с электронами первичной в последующих столкновениях ионизируют другие молекулы. Таким образом, происходит лавинообразное размножение электронов и ионов. В создании ионизационного тока теперь принимают участие:

1.электроны и ионы образованные частицей

2.электроны и ионы созданные от первичных электронов

 
 

 

 


Рис.1. Вольтамперная характеристика газового разряда

 

Нарастание количества ионов и электронов (размножение), вызванное ударной ионизацией называют газовым усилением. Для его характеристики используют понятие коэффициента газового усиления. Это отношение числа электронов образовавшихся в результате газового усиления к первичным электронам от самой частички:

 

 

где N – число электронов в лавине;

n – число первичных электронов.

Эта область носит название пропорциональной, т.к. хотя число частиц в результате ударной ионизации и возрастает во много раз, но все же остается пропорциональной первичному числу электронов.

Участок (Б-В) обычно относят к пропорциональной области. Коэффициент газового усиления здесь составляет 103—104 раз.

Четвертый участок (В-Г) отвечает условиям, при которых как первичные, так и вторичные ионы и электроны достигают электродов. С увеличением напряжения в пределах плато (В-Г) увеличивается только скорость ионов и электронов, но не их количество, поэтому величина тока практически не меняется.

Если за областью В-Г увеличивать напряжение, то газовое усиление возрастает настолько, что пропорциональность не соблюдается, хотя величина ионизационного тока все еще зависит от энергии ионизирующей частицы. Это область V (Г-Д), с напряжениями от U4до U5. Она носит название области ограниченной пропорциональности, c коэффициентом усиления 105 –10 6 раз.

При увеличении напряжения выше точки Д, участок VI (область Д-Е), каждая попавшая в детектор частица вызывает лавинный разряд. Причем величина этого разряда зависит не от числа первичных ионов или электронов или вида излучения, а только от напряжения между электродами. Это область Гейгера.

Отличие этой области от других в том, что газовый разряд в них несамостоятельный, а в этой самостоятельный, т.е. появление хотя бы одного электрона вызывает вспышку самостоятельного разряда.

Явлению развития самостоятельного разряда способствует то, что в первичной лавине из-за возбуждения атомов и молекул газа возникает ультрафиолетовое излучение. Попадая на катод, в результате фотоэффекта, они выбивают из него электроны, которые в свою очередь создают новые электронно-ионные лавины. Т.о. газовый разряд сам поддерживается и развивается.

Если напряжение перенести за точку Е (участок VII), то в детекторе начнется самостоятельный разряд, возникающий уже без наличия ионизирующего излучения. Напряженность электрического поля становится таким большим, что происходит вырывание электронов из катода и детектор быстро выходит из строя. Это область непрерывного разряда или стационарного коронного разряда.

Таким образом, существует несколько областей газового разряда для применения их в ионизационном методе регистрации ионизирующих излучений:

Область АБ — ионизационные камеры;

Область БГ — пропорциональные счетчики;

Область ДЕ — счетчики Гейгера – Мюллера;

В области ГД счетчиков не существует.

 

 

4.3. ГАЗОВЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Основные типы детекторов

При прохождении заряженных частиц в газах в результате ионизации образуются электроны и ионы. Если ионизация происходит в объеме между двумя электродами, которые имеют разность потенциалов, то за счет движения электронов и ионов к электродам в электрической цепи возникнет ток.

Все газовые ионизационные детекторы представляют собой конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено каким-либо газом. В зависимости от величины и распределения напряженности электрического поля в газовом промежутке – эти детекторы обладают разными свойствами. Так, при сравнительно малых напряженностях электрического поля ток, протекающий в электрической цепи, не зависит от напряжения на конденсаторе и равен числу пар ионов, которые возникают в единицу времени в объеме детектора, умноженных на заряд электрона. Такие детекторы называют ионизационными камерами. При более высоких значениях напряженности поля в результате газового усиления ток в электрической цепи может быть во много раз больше, чем число зарядов, возникающих в детекторе в единицу времени. При этом ток зависит от напряжения на конденсаторе и пропорционален ионизационному эффекту, создаваемого излучением. Такие детекторы называют пропорциональными счетчиками. Наконец, при еще более высоких значениях напряженности поля в конденсаторе возникает разряд, если в объем детектора попадает заряженная частица. Такие детекторы называют газоразрядными счетчиками.

Ионизационные методы регистрации основаны на измерении заряда или тока, создаваемого заряженными частицами при прохождении в газовой полости конденсатора. Рассмотрим связь между энергией заряженной частицы и созданной ею ионизацией. Это очень существенная зависимость, поскольку в ионизационных камерах и пропорциональных счетчиках по ионизационному эффекту определяют энергию частицы. Экспериментально было установлено, что средняя энергия W, расходуемая на создание одной пары ионов, слабо зависит от энергии заряженной частицы, от ее массы и заряда. Этот факт можно объяснить тем, что отношение вероятностей возбуждения и ионизации атомов не зависят от свойств частиц, поскольку в каждом акте взаимодействия частица теряет очень малую долю своей энергии.

Для спектрометрических измерений наиболее существенно знать с большой точностью связь W с энергией частицы. Многочисленные исследования показали, что в аргоне, например, с точностью до 0,5% W не зависит от энергии заряженных частиц. Для воздуха величина W зависит заметно от энергии частиц. Так, для α-частиц при изменении энергии от 3…4 Мэвдо 50 кэвсредняя энергия W меняется примерно на 10%.

Более интересно другое обстоятельство – энергия, расходуемая на создание пары ионов, в различных газах почти одинакова. Например, в аргоне она даже меньше, чем в кислороде, хотя энергия, необходимая для ионизации атомов аргона, больше, чем для ионизации атомов кислорода. Это странное на первый взгляд явление можно объяснить тем, что энергии, необходимые для возбуждения, и вероятности возбуждения атомов и молекул различных газов могут заметно отличаться. В частности, в благородных газах энергии возбужденных состояний более высокие, но вероятности их возбуждения оказываются сравнительно малыми. Напротив, у кислорода уровни возбужденных состояний расположены ниже, но вероятности их возбуждения больше. В табл. 2.1 приведены значения W для разных газов и видов заряженных частиц.

Таблица 2.1. Энергия, расходуемая на образование пары ионов, В

Частицы Газ
Воздух Н2 Не N2 O2 Аг CH4 C2H4
α-частицы 35,0 36,0 30,2 36,0 32,2 25,8 29,0 27,0
Протоны 33,3 35,3 29,9 33,6 31,5 25,5
Электроны 35,0 38,0 32,5 35,8 32,2 27,0

Методы регистрации без газового усиления

 

Для корректного измерения энергии частиц необходимо, чтобы все образовавшиеся электроны и ионы достигли электродов камеры конденсатора. Последнее не всегда осуществляется, поскольку электроны и ионы помимо движения вдоль силовых линий электрического поля находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении, что мешает всем носителям заряда собраться на соответствующие электроды. Кроме того, при соударениях электронов с молекулами образуются электроотрицательные ионы, происходит рекомбинация, ионизация ударом. Все эти явления: и диффузия, и рекомбинация, и образование электроотрицательных ионов – меняют величины среднего тока или импульса.

То, что перечисленные явления имеют существенное значение, убедительно показывает зависимость тока от напряжения для камеры (конденсатора), облучаемой заряженными частицами (рис. 2.1).

В области I поле, создаваемое внешним источником с напряжением u0, еще недостаточно, чтобы все электроны и ионы попадали на собирающие электроды, в области II (область работы ионизационных камер) поле достаточно, чтобы эффекты от рекомбинации и диффузии были пренебрежимо малы.

При дальнейшем увеличении напряжения электроны могут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приводит к увеличению тока.

Относительная протяженность плато в вольтамперной характеристике существенным образом зависит от газа, наполняющего камеру, давления, температуры, плотности ионизации. При больших давлениях и большой плотности ионизации, особенно в случаях наполнения камер газами с большой вероятностью образования электроотрицательных ионов, вольтамперная характеристика может даже не иметь плато.

Рис. 2.1. Зависимость тока в камере от разности потенциалов на ее

электродах при постоянном ионизационном эффекте

Верхняя граница плато определяется такими величинами напряженности поля в камере, при которых электроны могут приобрести на пути между двумя соударениями энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Очевидно, что чем больше свободный пробег электрона и чем ниже потенциал ионизации, тем раньше наступают эффекты вторичной ионизации. Нижняя граница плато зависит от того, насколько велико значение процессов диффузии и рекомбинации. Рассмотрим количественные характеристики процессов диффузии, рекомбинации и образования электроотрицательных ионов.


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |

Поиск по сайту:



Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.006 сек.)