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].

Рекомбинация. Оң және теріс иондардың соқтығысуы және оң иондар мен электрондардың соқтығысуы кезінде бейтарап атомдар мен молекулалардың түзілуі процестері иондар мен электрондардың рекомбинациясы деп атайды. Бөлшектер рекомбинациясының мүмкіндігі олардың салыстырмалы жылдамдығына тәуелді болып келеді: жылдамдық төмен болса, онда рекомбинация ықтималдығы артады. Егерде көлем бірлігінде бірлік уақытта өтетін рекомбинация акттерінің санын dn/dt деп белгілесек, онда рекомбинация коэффициентін пайдалана отырып, келесі қатынасты жазуға болады:

, (1.3)

 

Мұндағы а- рекомбинация коэффициенті (см3/сек), n+, n- -көлем бірлігіндегі зарядтардың тығыздығы. Қарастырылатын көлемдегі зрядтардың таралуы біртекті болса, рекомбинация коэффициенттері электрондар үшін шамамен 10-10 см3/сек, иондар үшін 10-6 см3/сек шамаларымен бағалайды. Айта кетерлік бір жайт, рекомбинация коэффициентерінің шамалары газдың түріне және иондар мен электрондардың орташа энергиясына тәуелді болып келеді.

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.