Здігінен өшетін санауыштар.

Разрядтың дамуы мен сөну процестері. 1937 ж. Трост атты ғалым аргон газымен толтырылған, Гейгер-Мюллер санауышына аз мөлшерде этиль спиртінің буын қосатын болсақ оның уақыттық сипаттамасы анағұрлым өзгергендігінбақылаған. Анықталғандай, спирт буы қосылған санауыштағы разряд R кедергі шамасына тәуелсіз, өздігінен тоқтайды екен. Аргон (90%) және спирт буымен (10%) толтырылған цилиндрлік санауыштағы разрядтың дамуы мен сөнуін қарастырамыз: Санауыштағы жалпы қысым 10мм.сын.бағ ; потенциалдар айырымы Uзаж-дан үлкен. Бірінші реттік ионизация нәтижесінде пайда болған электрондар анодқа ығысады. Анодқа жақын аралықта спирт молекулалары мен аргон атомдарының қозуы мен ионизациясы жүзеге асады (аргон атомдары спирт молекулаларынан едәуір көп). Қозған аргон атомдарының шығарған фотондарының энергиясы 11,6 эВ, ал спирт буларының иондалу потенциалы 11,5 эВ-ға тең. Фотондар энергиясы спирт молекулаларының иондалу энергиясына жуық, спирт молекулаларының фотоиондалу қимасы өте үлкен- шамамен 5·104 барн. Спирт буының қысымы 10мм.сын.бағ болған кезде аргон атомдарының шығарған фотондарының орташа жүру жолы 0,1см-ге тең. Жіп айналасында туындаған разряд негізінен фотоионизация есебінен болады. Қозған күйдегі аргон атомдарынан шыққан фотондар спирт молекулаларын иондайды; Анод жанындағы күшті өрістегі электрондар энергияға ие болып, аргон атомдары мен спирт молекулаларын иондайды және қоздырады.

Спирттің қозған молекулалары олардың диссоцияциясымен салыстырғанда аз өмір сүреді, сол себептен олар фотондар шығармайды деп есептеуге болады. Санауыш жібінен алыс аймақтар разрядтың даму процесіне ат салыспайды, себебі, аргон атомдарынан шығатын фотондардың жүру жолы қысқа, ал қозған атомдар жіпке жақын жинақталған. Анод төңірегіндегі аргон мен спирттің иондары электр өрісін экрандайды. Осылайша разрядтың бірінші сатысы тоқтайды.

Разрядтың даму уақыты оның анод бойымен таралу уақытымен анықталады. Өлшеулер көрсеткендей, бұл жылдамдық онша жоғары емес және шамамен 106-107м/с құрайды. Иондардың катодқа қарай қозғалуы кезінде көптеген соқтығысулар болады (~104). Аргон иондарының спирт молекулаларымен соқтығусылары кезінде спирт молекулаларының ионизациялануы немесе аргон иондарының бейтарапталынуы мүмкін. Бұл процестің болу ықтималдығы жоғары: бір соқтығысуы кезінде шамамен 10-3. Соның салдарынан катодқа тек спирт молекулаларының иондары ғана жетеді. Бұл жағдай шешуші рөл атқарады.

Катод аймағындағы аргон иондары мен спирт молекулаларының күйлерін салыстырамыз. Аргон иондары катодтан шамамен 10-7 аралықта бейтараптанады (катодтан электронды жұлады) және энергиясы атом иондалуының энергиясымен электронның катодтан шығу жұмысына тең қозған күйде болады. Мыс катоды үшін шығу жұмысы -4,5эВ-қа тең, сол себепті аргон атомдары катодқа жақын аумақта бейтараптанудан соң 11эВ энерияға дейін қозады. Катодтан шамамен 2·10-8 см аралықта, егер қозған атом энергиясы электронның катодтан шығу жұмысының энергиясынан екі есе жоғары болса, катодтан шамамен 2·10-8 аралықта электронды жұлып ала алады. Тағы бір процесс болуы мүмкін: аргон атомы фотон шығару арқылы қозған күйден қалыпты күйге өтеді де, ол фотон катодта фотоэффект тудырады. Соның садарынан, катодта электрон туындап, ол анодқа қарай қозғалып қайтадан электрон –фотондық нөсер тудырады

Әрбір импульс кезінде санауышта 109-1010 спирт молекулалары диссоциацияланатындықтан санауыштық қызмет көрсету уақыты шектеулі болады. Орташа өлшемге ие санауыштарда шамамен 1010 спирт молекулалары болады, сол себепті, аргон мен спирт қоспасымен толтырылған санауыш 109-1011 импульстарғ ғана «шыдайды» . Санауыш басқа газдар қоспаларымен толтырылуы да мүмкін. Бір атомды газбенен көп атомды газдың қоспасы разрядты өшіре алады, егер бір атомды газдың ионизация потенциалы көп атомды газдың ионизация потенциалынан көп есе жоғары болса, сонымен қатар көп атомды газдың фотонды жұту қимасы үлкен және молекуланың өмір сүру уақытының диссосация уақытымен салыстырғанда фотонның шығу уақытынан кіші болуы шарт.

Өздігінен сөнетін есептеуіштегі импульс формасы . Екінші реттік ионизация кезіндегі электрондар анод аумағында туындайтындықтан өздігінен өшетін санауыштағы импульс оң иондардың катод бағытындағы қозғалысымен байланысты болады. Олардың дрейф жылдамдығы өріс кернеулігіне тәуелді. Алайда, өздігінен сөнетін санауыштағы өріс кернеулігі оған түсірілген U0 кернеумен ғана емес сондай-ақ иондардың өздері тудыратын өріспен де анықталады. Бұл жағдайда иондар тудыратын электр өрісін назарға алмауға болмайды, себебі электрон-фотондық нөсерлердің дамуы дәл соған байланысты. Разряд нәтижесінде санауыштағы иондардың жіңішке цилиндрлік қабаты түзіледі [15].

Жіңішке цилиндрлік қабаттың ұзындық бірлігіндегі зарядтар тығыздығы σ –ға тең болсын. Сонда Рамо- Шокли теоремасы бойынша dх ұзындықтағы қабат элементіндегі токтың лездік мәні:

di= (3.1)

Мұндағы r0-осы мезеттегі санауыш орталығынан иондардың цилиндрлік қабатына дейінгі арақашық, W+=μ+(E0+E1)/p-көлемдік заряд тудырған Е0 және потенциалдар айырымы U0 тудырған Е1 өрістердегі дрейф жылдамдығы. Цилиндрлік конденсатор осінен r0- арақашықтықта σ тығыздыққа ие болған зарядтар орналасқан делік. Бұл конденсаторды екі коаксиальды цилиндрлі конденсатор ретінде қарастырамыз. r1 және r2 радиустарға ие сыртқы электродтар мен r0 радиусқа ие электродтар арасындағы потенциалдар айырымы ішкі және сыртқы конденсаторлардың сыйымдылықтарының жалпы қосындысына бөлінген зарядқа тең болады:

(3.2)

Сыртқы конденсатор ішіндегі электр өрісінің кернеулігі r>r0 кезінде келесі шамаға тең:

(3.3)

Соған сәйкес r<r0 кезінде, ішкі конденсатор ішінде

(3.4)

Иондар қабаты ішіндегі электр өрісінің кернеулігі, яғни r=r0 кезіндегі, ол шаманы (3.3) және (3.4) – шамалардың орташа мәні арқылы табуға болады.

(3.5)

Соның салдарынан иондар дрейфінің жылдамдығы санауыштағы иондардың орналасу орнына тәуелді болады:

(3.6)

Санауыш бойындағы разрядтың таралу жылдамдығын шексіз болса немесе бірінші реттік ионизация санауыштың бүкіл ұзындығы бойынша жүзеге асса, онда импульс формасын цилиндрлік камерадағыдай есептеуге болады,, алайда мұнда жоғарыдағы дрейф жылдамдығының санауыштағы иондардың туындау орнына тәуелділігі ескерілуі қажет.

3.2-сурет

3.2-суретте санауыштағы бірінші реттік ионизацияның екі түрі үшін ток импульсының формасы келтірілген. Суреттен көрініп тұрғандай, ток импульсының өсу уақыты белгілі-бір мәнге дейін бірінші реттік ионизацияның орнына тәуелді. Импульстың өсу уақытының ең кіші мәні бөлшектер жіп ұштарының біріне жақын жерге түскен кезде байқалады. Ток импульсы өсу уақытының шашырауы 10-7с. Пропорционалды санауыштардағыдай бөлшек түскен кезден разряд басталғанға дейінгі уақыт электрондардың туындаған нүктесінен анодқа дейінгі дрейф уақытымен анықталады. RC үлкен болғанда заряд тығыздығы σ мен кернеу импульсы амплитудасының максимал мәндерін (3.5)-қатынасын пайдалана отырып алуға болады. Анод жанындағы электр өрісінің шамасы -ға дейін төмендеген газдық күшею мен разряд

тоқтайды деп алсақ:

(3.7)

Егерr0~r1 болса, онда Е1(r1) шамасы σ/r1-шамасына тең. Әдетте санауыштар U0-Uзаж=100 в кезінде жұмыс істейтін болғандықтан, ln(r2/r1)~5 болса, σ≈8·107 ион/см. Санауыш ұзындығы 10 см, сыйымдылық С=10 пФ және RC үлкен болса кернеу импульсының амплитудасы σl/C=12 в болады.

Санауыштың «өлі» уақыты. Санауыштағы разрядталу механизміне сәйкес әрбір разрядтан соң санауыш біраз уақыт зарядталған бөлшектерді сезбейтін болып қалады. Санауыштағы σ шамасы (3.7)-де анықталатын шамаға жеткенде газдық күшеютоқтайды. Бұдан соң иондар жиынтығы катодқа қарай жылжиды. Иондардың катодқа жылжыған сайын анод жақындаған электр өрісі артады.Иондар санауыш орталығынан rc қашықтыққа жеткен кезде анодқа жақын жерде қайтадан разрядтың дамуы орын алуы мүмкін. Алдыңғы разрядтан кейін иондар r=rc радиусына жеткен кезге дейінгі уақыт аралығы өлі уақыт деп аталады. Кеңістік иондардың заряды анод жанындағы және r>rc қашықтықтағы өріске ықпал етеді.

Бұл әсер күшті болса, осы уақыт ішінде санауышқа түскен бөлшектердің импульстарының амплитудасы кіші болады. Бөлшектер тіркелетін бірақ импульс амплитудасы кіші болатын уақыт аралығы санауыштың қайта қалпына келу уақыты деп аталады. Егерде σ және U0 –Uзаж айырымы берілген болса, (3.4)-өрнегін назарға ала отырып, rc шамасын анықтауға болады:

(3.8)

Бұдан

(3.9)

Өздігінен сөнетін санауыштарда анодтан r=rc –ға дейін иондардың қозғалу

уақыты шамамен 200 мксек.Санауыш импульстарының осциллогрммасы

3.3-суретте көрсетілген.

3.3-сурет

Санауыштың өлі уақыты ондағы уақыт бірлігінде болатын разрядтар санына тәуелді. Импульсты санау жылдамдығы артуымен өлі уақыт азаяды және шамамен 10 мксек жетуі мүмкін. Бұл құбылысты келесі түрде түсіндіруге болады. Санауыш жылдамдығы неғұрлым жоғары болса, онда соғұрлым қайта қалпына келу уақыты ішінде разряд көбірек басталады. Қайта қалпына келу уақыты ішінде санауышқа келіп түскен бөлшектер тудырған зарядтарының тығыздығы аз болады. Өлшенетін τМ –нің шамасы құрылғының дискриминация деңгейіне де тәуелді. Дискриминация деңгейі неғұрлым төмен болса, соғұрлым τМ шамасы кем болады [13].

Санақтық сипаттама. Санауыштағы санақ санының оған түсірілген кернеуге тәуелділігі санақтық сипаттама деп аталады. Өздігінен өшетін санауыштың мұндай сипаттамасы 100-200 в аралығында горизонталға жуық болады (сипаттаманың бастапқы бөлігінің формасы тіркеу схемасының дискриминация деңгейіне тәуелді).

Өздігінен сөнетін есептеуіштердегі жалған импульстар санауыштағы разрядтың сөну механизмінің дұрыс жұмыс істемегендігінен пайда болады. Бұл ауытқулар, егерде негізгі газ ионы (мысалы, аргонның) сөндіруші газ молекулаларымен соқтығысқанда, бейтараптану процесі болмай қалған кезде орын алады. Мұндай жағдайда катодта бейтараптану кезінде ол бос электрон түзуі мүмкін, сол электрон санауышта жаңа разряд бастайды. Сондықтан U0 кернеудің артуымен жалған импульстар саны арта түседі, ал кернеудің белгілі бір мәнінен санауышқа түскен әрбір бөлшек көп сатылы разряд тудырады және импульстар тобы пайда болады. Жақсы санауыштарда платоның көлбеулігі әдетте көп емес және 100 в-қа бірнеше пайызды құрайды.

Тіркеу тиімділігі. Санауыштағы разрядтың дамуы үшін бір жұп ионның туындауы жеткілікті. Зарядталған бөлшектерді тіркеу үшін санауыштың қабырғасы өте жұқа болуы немесе арнаулы жұқа қабатты терезе болуы тиіс. Бұл зарядталған бөлшектер санауыш ішіне жұтылмай кіру үшін керек. Радиоактивті түсудің α-бөлшектерін тіркеу үшін есептеуіш терезесінің қалыңдығы 2-4 мг/см2 аспауы керек. β-бөлшектерді тіркеу үшін барынша қалың қабатты есептеуіштерді пайдалануға болады.

γ-кванттарды тіркеу үшін әдетте қалың шынылы қабырғаларға ие (~1 мм) санауыштар қолданылады. Арнайы металл катодтары бар есептеуіштер сирек пайдаланылады. Шынында да, электрондардың көптеген мөлшері есептеуіштің қабырғаларында туылады. Есептеуіштің катодының қалыңдығы мен γ-кванттың энергиясына байланысты есептеуіштің сезімтал көлеміне келіп түскен электрондар саны өзгеретін болады.