Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Автореферат диссертации'
Защита диссертации состоится «20» октября 2010 г. в «11» часов на заседании диссертационного совета ДМ 521.003.01 по философским и социологическим на...полностью>>
'Документ'
Жук Ю. О. Особливості використання засобів нових інформаційних технологій у навчально-виховному процесі професійно-технічного закладу освіти Нові т...полностью>>
'Реферат'
Пятая группа Периодической системы включает два типических элемента азот и фосфор – и подгруппы мышьяка и ванадия. Между первым и вторым типическими ...полностью>>
'Документ'
«За Кремлёвской стеной» (Заочная экскурсия по Московскому Кремлю) Цель: раскрыть значение и основное содержание памятников архитектуры Московского Кр...полностью>>

Зависимость коэффициента газового усиления от напряжения рассчитывается по формуле

Главная > Лекция
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Лекция 10

3.3. Пропорциональные счетчики

Они работают в пропорциональной области. Величина импульса пропорциональна начальной ионизации, поэтому с их помощью мы по величине импульсов можем различить α- β-излучение. Они широко применяются при научных исследованиях для снятия спектра.

Зависимость коэффициента газового усиления от напряжения рассчитывается по формуле:

где К – коэффициент газового усиления; U – напряжение; Uп – пороговый потенциал; А – константа, зависящая от природы и давления газа, геометрии счетчика.

Как видно, коэффициент газового усиления экспоненциально возрастает с удалением от порогового напряжения, до величины ≈103.

Это уравнение выведено при следующих допущениях:

  1. фотонный механизм усиления отсутствует, перенос заряда должен отсутствовать (добавляется гаситель), ионизация положительными ионами отсутствует.

  2. при разряде положительных ионов электроны из катода не вырываются (катод изготавливается из материала с большой работой выхода электрона).

Эти допущения справедливы только при сравнительно малых напряжениях, т.е. только для пропорциональной области.

      1. Зависимость коэффициента газового усиления от места попадания части

Замечено, что чем дальше от нити пролетела частица, тем меньше коэффициент газового усиления. При образовании ионов вблизи катода заметно сказывается диффузия электронов, в результате которой часть их может попасть на катод и не дать начала электронной лавине. Для рекомбинирующих ионов – также зависит от места попадания ионизирующей частицы: чем дальше от нити, тем слабее электрическое поле, тем более вероятна рекомбинация, тем медленнее разделение положительных и отрицательных ионов.

(

Рис. 3.5 Схема попадания ионизирующей частицы в рабочий объём счетчика

Но особенно большое влияние оказывает на коэффициент газового усиления присутствие тяжелых отрицательных ионов. Если в счетчике имеется электро-отрицательный газ, то электроны прилипают к молекулам и атомам электро-отрицательного газа и образуют тяжелые отрицательные ионы и т.д.). Вероятность образования таких ионов тем больше, чем слабее электрическое поле, т.е. чем дальше от нити пролетела частица. Образовавшийся тяжелый отрицательный ион имеет значительно меньшую подвижность, чем электрон, и производит ударную ионизацию (распадаясь при этом на электрон и нейтральный атом или молекулу) при большей напряженности электрического поля, т.е. ближе к нити. В этом случае количество ступеней электронной лавины будет меньше, а, следовательно, коэффициент газового усиления резко уменьшится.

Во избежание появления отрицательных ионов перед наполнением счетчик должен быть откачан, а наполняющий газ должен быть очищен от примесей О2, галогенов, SO2, NO, NO2, H2S, H2O и т.п.

При наполнении счетчика благородными газами можно считать, что значение коэффициента газового усиления практически не зависит от места попадания частицы.

Необходимо отметить, что если счетчик наполнен многоатомным газом, в молекулу которого входит электроотрицательные атомы, то по мере работы счетчика при регистрации импульсов происходит разложение многоатомного газа, при котором могут выделиться электроотрицательные молекулы или радикалы. Например, при разложении спирта, эфира может выделиться гидроксильная группа, обладающая сродством к электрону. Счетчик может стать негодным, происходит т.н. «старение» счетчика. «Старение» наблюдается и при наполнении счетчика BF3, в результате распада которого образуются атомы фтора.

3.3.2.Форма и длительность импульса

Ф

орма импульса, его амплитуда и продолжительность зависят от природы газового наполнителя, от величины напряжения, сопротивления R, емкости счетчика и подводящих проводов (С).

Механизм образования импульса следующий:

П

Рис. 3.6. Форма импульса в пропор­циональном счетчике (время движе­ния ионов от анода к катоду 100 мксек)

осле прохождения частицы (α, β) через счетчик образуется электронная лавина. Время ее развития ≈10-7сек. За это время вокруг нити образуются электроны и положительные ионы, причем электроны собираются на нити, а положительные ионы окружают нить чехлом (их скорость мала, и можно считать, что за время образования лавины они остаются на месте). В момент разделения положительных ионов и электронов произойдет первое изменение потенциала нити, но оно незначительно, т.к. чехол положительных ионов связывает электроны. Основное изменение потенциала произойдет в момент отхода положительных ионов от нити к катоду. Электроны, пришедшие на нить, начинают заряжать емкость С (снижают потенциал нити) по мере отхода положительных ионов от нити. Полное освобождение заряда лавины наступает к моменту нейтрализации положительных ионов на катоде. Одновременно с этим происходит разрядка емкости С через сопротивление R. Амплитуда импульса тем больше, чем меньше С и чем больше R. Чем больше R, тем меньший заряд стечет с емкости за время прохождения положительных ионов от нити к катоду. Но чем больше R, тем больше время восстановления нормального потенциала нити (т.к. больше КС), тем больше продолжительность импульса. Оптимальное значение сопротивления R ≈ 106-107 ом. При меньшем R будет мала амплитуда, а при большем – слишком большая длительность импульса.

3.3.4. Применение пропорциональных счетчиков

1) Для регистрации α-частиц. α-частицы обладают большой ионизирующей способностью, поэтому величина импульса будет большой и импульс от α-частицы будет намного превышать импульсы от других частиц (протоны, электроны). Для регистрации α-частиц применяют торцовые счетчики типа САТ-4, САТ-5, САТ-3, САТ-2, САТ-8, наполненные аргоном в смеси с углеводородом. В установке «Протока» 4П - пропорциональный счетчик работает в проточном режиме, т.е. во время измерений через счетчик проходит поток метана или пропана из баллона.

Установка «Протока» позволяет различать β-излучение, протонное излучение и α-излучение, т.к. ее блок вторичной электронной аппаратуры (пересчетный прибор ПП-9) имеет 110 уровней дискриминации.

2) Регистрация быстрых нейтронов – основана на использовании ядер отдачи (протонов отдачи). Для этого слой водородсодержащего вещества (парафин, тристеаретовый глицерин) наносят на платиновую или золотую фольгу путем испарения в вакууме и помещают внутрь счетчика. Такой счетчик не имеет отчетливого плато, т.к. величина энергии, сообщаемая протонам отдачи, будет различна (она зависит от угла встречи). Эффективность подобных счетчиков мала.

3) Регистрация медленных нейтронов – основана на ядерной реакции

.

Ядра Li7 и Не// производят первичную ионизацию (80000 пар ионов). Так как их энергия постоянна, то счетчик имеет хорошее плато, величина импульсов большая, они легко отличаются от других импульсов. Выполняются они в двух вариантах. В счетчике СНМ-9 катод площадью 43 см3 покрыт слоем аморфного бора (принципиально можно применять любые соединения бора, пир. буру). Длина плато – 400 вольт, наклон 10% на 100 вольт, фон 1 имп/мин, срок сл. 500 часов.

Счетчики СНМ-3, СНМ-4, СНМ-5, СНМ-7, СНМ-8 наполнены боросодержащим газом – BF3, обогащенным по легкому изотопу. Например, СНМ-8 наполнен BF3, обогащенным до 85% В10. Длина его плато – 150 в, наклон – 5% на 100 в, фон – 5 имп/мин.

Эффективность борных счетчиков для тепловых нейтронов достигает 5%. С помощью таких счетчиков можно производить относительные измерения потоков быстрых нейтронов, предварительно замедлив нейтроны в толстом слое парафина. Но в этом случае перед парафином необходимо поместить слой кадмия для поглощения медленных нейтронов, имеющихся в первичном пучке.

Пропорциональные счетчики можно применять и для регистрации тяжелых ядер. Например, можно внутренние стенки счетчика покрыть тонким слоем урана. В таком счетчике мы можем наблюдать импульсы осколков деления ядер, которые по своей величине значительно превышают импульсы –α-частиц.

Лекция 11

    1. Счетчики с самостоятельным разрядом

Счетчики с самостоятельным разрядом в зависимости от рода наполняющего газа и от внешних параметров делятся на две группы:

а) несамогасящиеся (или «медленные») счетчики;

б) самогасящиеся (или «быстрые») счетчики.

Эти счетчики отличаются друг от друга механизмом распространения разряда, механизмом гашения разряда, продолжительностью разряда.

Общая же особенность их – использование самостоятельного разряда, амплитуда которого не зависит от начальной ионизации (т.е. от числа первичных электронов, образованных регистрируемой частицей). Работают эти счетчики в области Гейгера.

      1. Рабочая характеристика счетчика

Свойства счетчика как измерительного прибора определяются его счетной, или рабочей, характеристикой, которая представляет собой зависимость числа регистрируемых в счетчике разрядов (за единицу времени) от величины приложенного к нему напряжения.

Разность потенциалов, при которой впервые возникают импульсы, называется начальным потенциалом работы или потенциалом «зажигания» (UZ). При увеличении напряжения число регистрируемых импульсов возрастает сначала быстро, затем медленнее, а от UA до Uв остается примерно постоянным. В зависимости от величины перенапряжения (U – Uz) рабочая характеристика может быть разделена на 3 части. Если напряжение меньше UA, то не все частицы, регистрируются прибором. Коэффициент усиления здесь еще не настолько велик, чтобы вторичная схема регистрировала все импульсы, здесь еще область ограниченной пропорциональности и регистрируются те частицы, которые образуют значительное число первоначальных ионов. Начиная с UA, счетчик регистрирует все частицы, которые образуют в объеме счетчика хотя бы одну пару ионов, т.е. здесь мы имеем уже гейгеровскую область, область самостоятельного разряда, коэффициент газового усиления велик (106). Этот участок, простирающийся до UB, носит название плато счетчика. Оно может быть не строго параллельным оси абсцисс, а наклонено под некоторым углом, величина которого зависит от конструкции счетчика, параметров схемы, свойств катода, давления газа и т.п. У хороших счетчиков наклон плато – не более 5–7 % на 100 вольт.

При повышении напряжения выше UB число разрядов начинает резко возрастать. Это происходит не за счет увеличения чувствительности, а в силу появления самопроизвольных разрядов. Работать в этой области невозможно, т.к. число самопроизвольных разрядов зависит от интенсивности облучения, времени и других факторов.

Рис.3.9 Установка малого фона

Разряды, происходящие в счетчике, работающем в области плато без облучения, называются темповыми разрядами, или фоном. Величина фона определяется космическим излучением, радиоактивными загрязнениями воздуха, стенок счетчика, а также радиоактивностью земли. В среднем, на 1 см2 поверхности счетчика фон составляет 1–2 импульса в минуту. Для уменьшения фона счетчики помещаются в свинцовые домики. В установке УМФ внутренние стенки свинцового домика выкладываются счетчиками, соединенными между собой параллельно. Схема антисовпадений отбрасывает разряды, происшедшие одновременно в центральном счетчике и в защитном блоке счетчиков.

Некоторые типы счетчиков (БФЛ) изготавливаются из специального бескалиевого стекла, чтобы уменьшить фон от радиоактивного изотопа К40.

3.4.2 Рабочий объем счетчика

Цилиндрический металлический счетчик имеет рабочий объем, почти равный полному объему, охватываемому цилиндрическим катодом.

Зависимость чувствительности от места попадания ионизирующей частицы представлена на рисунке

У металлического счетчика наблюдается небольшое падение чувствительности на краях, которое связано с искажением электрического поля изолирующими пробками.

Рис. 3.10 Рабочий объем счетчика

Если нить укреплена в точках, достаточно удаленных от краев катода (как у стеклянных счетчиков), то рабочий объем может быть несколько больше объема, охватываемого катодом. При увеличении напряжения рабочий объем будет немного возрастать, что и объясняет некоторый наклон плато счетчика.

3.4.2. Чувствительность счетчика

Широкое распространение, которое получили счетчики, обусловлено их большой чувствительностью. Если с помощью ионизационных камер мы можем измерять интенсивность излучения, вызывающего токи 10-14 – 10-15 А, то счетчик дает возможность измерять токи порядка 10-20А. Такому току соответствует появление в счетчике всего нескольких электронов в минуту (Естественно, что колебания фона должны быть меньше измеряемой величины).

В некоторых случаях (при применении специальных схем совпадений) с помощью счетчиков можно обнаружить прохождение одного быстрого электрона одновременно через три счетчика даже тогда, когда это событие происходит реже, чем через час. Поскольку самостоятельный разряд возникает в счетчике в том случае, если в объеме счетчика появится хотя бы один электрон, то с помощью этих счетчиков можно зарегистрировать отдельные -кванты, что невозможно

3.5. Несамогасящиеся счетчики

3.5.1. Механизм разряда

Н

Рис.3.11 Схема включения несамогасящегося счетчика

есамогасящиеся счетчики заполнены аргоном или гелием с небольшой добавкой водорода – 1 – 2 %. до дав­ления, равного примерно '/з нормального. До появле-ния ионизирующей частицы счетчик пред-ставляет собой емкость, заря-женную до потенциала высоковольт-ного выпрямителя (источника питания).

После прохождения через объем счетчика заряженной частицы электроны и ионы устремляются к соответствующим электродам. Нить счетчика всегда заряжена положительно. Вблизи нити электроны попадают в поле большой напряженности. Возникает электронно-фотонная лавина. Фотоны практически не поглощаются в газе и попадают на катод. Вследствие внешнего фотоэффекта на катоде в объем счетчика попадают электроны, которые под действием электри­ческого поля устремляются к нити, также образуя электронно-фотонные лавины.

Этот процесс повторяется многократно, в результате чего раз­ряд захватывает счетчик по всей длине. Подвижность электронов на три порядка больше подвижности ионов, поэтому электроны собираются к нити за время, в течение которого ионы практиче­ски не успевают сдвинуться с места своего образования. Вблизи нити образуется положительный пространственный заряд. Этот заряд уменьшает электрическое поле вблизи нити, что приводит к затуханию электронно-фотонных лавин. На этом электронные процессы в счетчике не заканчи­ваются, так как положительные ионы, подходя к катоду, выры­вают с его поверхности электроны, которые под действием элек­трического поля устремляются к нити.

На катоде: Ar + é  Ar* E* = 15,7 – 4,5 = 11,2 эв,

где 15,7 – энергия ионизации аргона; 4,5 – работа выхода электрона из меди. Если энергия возбуждения превышает в 2 раза работу выхода электронов, то возможно вырывание вторичного электрона.

Дальнейшее зависит от того, восстановится или нет потенциал нити до прежнего значе­ния к моменту подхода к ней электронов. Если потенциал нити примет значение, при котором возможна ударная ионизация, то электроны вызовут электронно-фотонные лавины, и все процессы в счетчике будут повторяться. В счетчике возникнет разряд, со­стоящий из отдельных импульсов, следующих один за другим. Каждый такой импульс начинается с электронно-фотонной лави­ны. Разряд в счетчике будет продолжаться до тех пор, пока будет восста­навливаться необходимое для этого напряжение. Если к моменту подхода положительных ионов к катоду потенциал нити станет меньше потенциала, при котором возможно образование электрон­но-фотонных лавин, то разряд в счетчике прекратится. Чтобы это произошло, можно либо воспользоваться схемой гашения, умень­шающей разность потенциалов между электродами счетчика после первой стадии разряда, либо включить резистор с большим со­противлением в цепь счетчика, который будет препятствовать быстрому восстановлению потенциала нити до первоначального значения (постоянная времени RC должна быть больше времени дрейфа положительных ионов от нити к катоду, т. е. по порядку величины 10-3– 10 -2 сек).

3.5.2. Форма и длительность импульса

Емкость С целесообразно сделать по возможности меньше. Для емкости около 10 пф и времени движения ионов около 10-4 сек получим, что сопротивление должно быть больше или поряд­ка 108 ом. Это означает, что время разрядки емкости более 10-3 сек.

Достоинством данных счетчиков является возможность гашения разряда.

Недостатком – наличие большого мертвого времени (Мертвое время это время от начала регистрации частицы до того времени, когда счетчик будет регистрировать новую частицу).

Лекция 12

3.6. Самогасящиеся счетчики

Самогасящиеся счетчики, кроме одноатомного газа, напол­няются некоторым количеством паров одного из многоатомных органических соединений (этиловый спирт, этилен, изопентан и др.). Потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа. Такой состав наполнителя счетчика обусловливает автоматическое гашение разряда без какого-либо внешнего вмешательства.

Как происходит развитие разряда и его гашение в самогасящемся счетчике?

Начальная фаза развития разряда та же, что ив несамогасящемся счетчике. Ионизирующая частица образует в счетчике положительные ионы и электроны. Последние двигаясь к нити дадут начало электронной лавине. Но фотонный механизм разряда в данном счетчике отсутствует. Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов аргона полностью поглощается молекулами гасящей добавки уже на расстоянии 1-2 мм от нити. Разряд распространяется вдоль нити, переходя от точки к точке так как фотоны производят ионизацию только в непосредственной близости от места своего возникновения. Скорость распространения разряда (скорость движения «чехла» ионов вдоль нити) составляет 106 см/сек. Поглощая фотон многоатомная молекула гасителя возбуждается, энергия возбуждения расходуется на диссоциацию гасителя.

После того, как вся нить будет окружена чехлом ионов, корона гаснет. Положительные ионы начинают отходить от нити, потенциал нити падает. Одновременно с этим начинается восстановление потенциала нити от выпрямителя через сопротивление R. Поскольку R мало напряженность электрического поля у нити достаточная для ударной ионизации будет достигнута раньше, чем положительные ионы дойдут до катода.

Наибольшее распространение получили самогасящиеся счет­чики, наполненные смесью из аргона (потенциал ионизации 15,7 в) при давлении 87 мм рт. ст. и паров этилового спирта (потенциал ионизации 11,3 в). В таком счетчике прекращение возникшего разряда под действием вторичных электронов, вы­битых с катода счетчика, достигается за счет диссоциации многоатомных молекул спирта, которые поглощают кванты излучения как от возбуждения атомов аргона, препятствуя тем самым возникновению фотоэффекта на катоде, так и от ней­трализации положительных ионов аргона на катоде счетчика.

Ar+ + C2H5OH  C2H5+ + OH- + Ar + hv (15,7 – 11,3 = 4,4 эв)

Практически только ионы спирта достигают катода счет­чика. Это объясняется тем, что ионы аргона в результате столк­новений с молекулами спирта нейтрализуются, так как ион аргона имеет больший потенциал ионизации, чем молекула спирта. Образовавшиеся возбужденные атомы аргона возвра­щаются в основное состояние с испусканием фотонов, которые, в свою очередь, поглощаются молекулами спирта. Положитель­ные ионы спирта, подойдя к катоду на достаточно малое рас­стояние (10-7 см), вырывают из него при нейтрализации элек­троны и превращаются в возбужденные молекулы.

При разрядке иона C2H5+ молекула этилового спирта будет иметь энергию, равную 11,3 – 4,5 = 7,8 эв

Известно, что возбужденный атом (или молекула) может вырвать вторичный электрон в том случае, если его энергия возбуждения почти вдвое превышает работу выхода электрона. Но для этого возбужденная молекула должна подойти к катоду на расстояние менее 210-8см, для чего ей потребуется  10-12 сек.

Время жизни возбужденной молекулы спирта до диссоциации составляет примерно 10-13 сек, что значительно меньше времени излучения, которое составляет 10-8 сек и времени подхода к катоду от места нейтрализации. Таким образом разряд в самогасящемся счетчике с добавкой многоатомных молекул носит одно лавинный характер.

3.6.1. Форма и длительность импульса

Рассмотрим изменение величины импульса в за­висимости от времени его возникновения после предыдущего импульса (сплошная кривая) и

Рис. 3.12 Изменение величины импульса в зависимости от времени его возникновения от предыдущего импульса.

возникновение последующих импульсов (пунктирные кривые); Тм — мертвое время, в течение которого счетчик не способен зарегистрировать вновь поступив­шие частицы. Мертвое время наступает после возникновения лавины в счетчике. За это время электроны собираются на аноде, а положительные ионы движутся от анода к катоду. Самогасящиеся счетчики имеют мертвое время порядка 10-4 сек, т. е меньше, чем несамогасящиеся 10-2 сек), поэтому их иногда называют быстрыми счетчиками; Тв — время восстановления. Это интервал времени от конца мертвого времени до момента полного восстановления разности потенциалов на электродах счетчика (до момента, когда положительные ионы достигнут катода). Если частица попадет в счетчик во время восстанов­ления, то образующийся при этом импульс (пунктирные кри­вые) будет иметь амплитуду меньше номинального значения, и зарегистрирован не будет. Время восстановления самогасяще­гося счетчика около 10-4 сек. Длительность импульса  опре­деляется суммой мертвого времени и времени восстановления.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г (4)

    Закон
    Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила разработки - постановлением Правительства Российской Федерации от 19 ноября 2008 г.
  2. Зависимость величины прибыли от наиболее важных для деятельности предприятия факторов, а именно: цен, объемов производства и продаж, уровня и структуры издержек

    Реферат
    В рамках анализа безубыточности изучается зависимость величины прибыли от наиболее важных для деятельности предприятия факторов, а именно: цен, объемов производства и продаж, уровня и структуры издержек.
  3. Инструкция по проектированию, строительству и реконструкции промысловых нефтегазопроводов

    Инструкция
    1. РАЗРАБОТАНА Всероссийским научно-исследовательским институтом по строительству трубопроводов и объектов ТЭК (АО ВНИИСТ), при участии Всероссийского научно-исследовательского института природных газов и газовых технологий (ООО ВНИИГАЗ)
  4. Пособие по проектированию мдс 13-20. 2004

    Документ
    В работе изложены основные приемы и способы натурных обследований состояния эксплуатационной среды помещений. Подробно рассматриваются методы обследования железобетонных, металлических и деревянных конструкций, а также особенности
  5. Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии рд 153-39. 4-091-01 (1)

    Инструкция
    4 ВЗАМЕН "Инструкции по защите городских подземных трубопроводов от электрохимической коррозии", утвержденной ВО "Росстройгазификация" при Совете Министров РСФСР 06.

Другие похожие документы..