منابع و ماخذ مقاله بهمنی، تناسبی، شمارندههای، کاتد

[ ∫_(r_1)^(r_2)▒〖α(x)dx ]〗 میتواند از سیم آند به شعاع a تا r_c ارزیابی شود. بنابراین داریم:
M=exp⁡∫_a^(r_c)▒〖[(D_α N_m V_0)/(r ln⁡(b/a))]〗^(1/2) dr
M=exp〖[2((D_α N_m V_0 a)/(ln b/a))〗^(1/2) (√(r_c/a ) -1)]

نسبت r_c/a در رابطه بالا را میتوان توسط ولتاژ اعمالی و ولتاژ آستانه بیان نمود، ولتاژ آستانه به عنوان ولتاژ اعمالی به آند که کمتر از آن، پدیده بهمنی اتفاق نمیافتد، تعریف میشود.
بنابراین با جایگذاری r=aو 〖E=E〗_c در معادله ‏(3-1) بدست میآوریم:
〖 V〗_t=aE_c ln(b/a)
همچنین اگر 〖r=r〗_c را در معادله ‏(3-1) قرار دهیم، رابطهای برای شدت میدان حدی بدست میآید:
E_c=V_0/(r_c ln(b/a))

با ترکیب دو رابطه داریم:
r_c/a=V_0/V_t

در این رابطه نسبت سمت راست به راحتی تعیین میشود زیرا V_t ولتاژی است که پدیده بهمنی شروع میشود یا به بیان دیگر V_t مربوط به شروع ناحیه تناسبی است. با قرار دادن این نسبت در (3-6) داریم:
M=exp[2〖 ((D_α N_m V_0 a)/(ln(b/a)))〗^(1/2) (√(V_0/V_t -1)])

این رابطه با نتایج تجربی توافق خوبی دارد. البته برای مقادیر متوسط M ( حدود 〖10〗^4 )، در میدانهای الکتریکی قوی، نمیتوان از این رابطه استفاده کرد. با این حال شمارندههای تناسبی معمولی ضریب تکثیرشان در این محدوده است و میتوان از این رابطه استفاده کرد.

رابطه بالا میتواند بر حسب ظرفیت بر واحد طول هم نوشته شود.
c=(2πԐ_0)/(ln(b/a))

بنابراین میتوان نشان داد:
M=exp[2〖((D_α N_m CV_0 a)/(2πԐ_0 ))〗^(1/( 2)) (√(V_0/V_t ) -1)]

معادلات ‏(3-11) و ‏(3-13) برای تعیین ضریب تکثیر در محفظه استوانهای برای یک ولتاژ مشخص استفاده میشود، البته مقادیری که از این معادلات بدست میآیند تنها برای ولتاژهایی که در حد معمول استفاده میشوند، مناسب است [10].
انتخاب گاز

میتوان هر نوع گازی را در شمارندههای تناسبی استفاده کرد به این دلیل که در تمامی گازها و مخلوط گازها فرآیند تکثیر گاز میتواند اتفاق بیافتد و این نیاز اساسی برای آشکارسازی که به عنوان شمارنده تناسبی کار میکند است. با این حال عوامل دیگری هم برای تصمیمگیری در انتخاب گاز وجود دارد که به شرح زیر است:

آستانهای برای تکثیر بهمنی
در حین بررسی ضریب تکثیر گفته شد که تمام گازها در یک فشار خاص یک پتانسیل الکتریکی آستانه دارند که کمتر از آن، هیچ پدیده بهمنی اتفاق نمیافتد، این مقدار آستانه همانطور که به نوع گاز بستگی دارد به فشار گاز نیز بستگی دارد. در ‏شکل (3-5) اولین ضریب تاونزند برای سه نوع گاز کشیده شده است. از شکل واضح است که نه تنها آستانهای برای پدیده بهمنیِ تاونزند در مخلوط گازها با یکدیگر متفاوت است بلکه پروفایل ولتاژ نیز متفاوت است. باید دقت کرد که مقادیری که برای اولین ضریب تاونزند گزارش شدهاند به صورت قابل توجهای از یک مرجع تا مرجع دیگر تغییر میکند، که دلیل آن مشکل در اندازهگیریهای مرتبط است.

وابستگی اولین ضریب تاونزند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای سه مخلوط گاز
80% 〖CO〗_2 + 20% Ne (خط صاف) و 90% 〖CH〗_4 + 10% Ar (خط چین) و 70% 〖CO〗_2 و 30% Ar
(خط نقطه نقطه)

از آنجا که مقدار آستانهی تکثیر گاز در گازهای نجیب بسیار کمتر از گازهای پلی اتمی است، به طور کلی از گازهای نجیب برای پر کردن محفظه استفاده میشود. شاید بیشترین گاز نجیبی که در شمارندههای تناسبی استفاده میشود آرگون باشد که دلیل آن ارزانتر بودن آن نسبت به سایر گازها است.

خاموش کننده
تکثیر بهمنی در شمارندههای تناسبی یک فرآیند بسیار مهم است، با این حال دارای محصول جانبی است و توانایی این را دارد که پدیده بهمنی اضافی دیگری نیز تولید کند. این محصول جانبی فوتونی است که طول موجش در محدوده یا حول و حوش ناحیهی ماوراء بنفش قرار دارد و در حین پدیده بهمنی تولید میشود. مکانیزم دقیق تابش فوتونهای ماوراء بنفش، برگشتنِ مولکولهای گاز به حالت پایه است. برای مثال برای آرگون داریم:
γ + Ar → e + 〖Ar〗^(+*) یونیزاسیون
〖Ar〗^(+*)→ 〖Ar〗^++γ_uv برگشتن به حالت پایه

که γ در معادله اول هر تابش یونیزان و γ_uv در فرآیند برگشتن به حالت پایه، فوتون ماوراء بنفشِ تابش شده توسط آرگون است. کمترین انرژی فوتونهای ماوراء بنفش در آرگون 11.6 الکترون ولت است، این انرژی متأسفانه از پتانسیل یونیزاسیون فلزهایی که معمولا در ساخت شمارندههای تناسبی استفاده میشود بیشتر است بنابراین هنگامی که فوتون ماوراءبنفش به دیواره کاتد برخورد میکند، ممکن است باعث جدا شدن الکترون از فلز شود. اگر این الکترون وارد گاز شود و به دلیل وجود میدان الکتریکی قوی در محفظه شتابدار شود و برخوردهایی با
مولکولهای گاز انجام دهد، دوباره باعث ایجاد پدیده بهمنی میشود.
فرآیند پدیده بهمنی ثانویه در‏شکل (3-6) نمایش داده شده است.

اثرات مثبت استفاده از خاموش کننده در شمارندههای تناسبی

یک روش واضح برای حل این مشکل، اضافه کردن عاملی به گاز که ضریب جذب بالایی برای فوتونها
یی که در ناحیه فرابنفش دارد، است. گازهای پلی اتمی (مانند CH_4) به دلیل داشتن سطوح انرژی ارتعاشی و چرخشی با فاصله کوتاه انتخاب درستی هستند. فرآیند کاهش احتمال یونیزاسیون ثانویه “خاموشی” و عاملی که برای این هدف استفاده میشود،”خاموش کننده” نام دارد.
اثر دیگری که باعث غیر خطی شدن پاسخ شمارنده تناسبی میشود، ساطع شدن الکترون در حین فرآیند بازترکیب الکترون – یون است. یونها به دلیل داشتن حرکت کند، باعث ایجاد بار فضا، نزدیک کاتد میشوند. این یونها الکترونهای آزاد سطح کاتد را جذب میکنند و با آنها بازترکیب میشوند تا اتمهای خنثی تولید کنند. با این حال که اتمها خنثی هستند، به دلیل انرژی اضافی موجود در یونها و الکترونها در حالت برانگیخته هستند، گذار اتم از حالت برانگیخته به حالت پایه معمولا باعث ساطع شدن فوتون میشود که باعث گسیل الکترون ثانویه از کاتد میشود. به علاوه به دلیل وجود داشتن غلافی از یونها که الکترونهای کاتد را جذب میکنند، الکترونها بیشتر از مقدار نیاز برای خنثی سازی از سطح فلز آزاد میشوند. این الکترونها آغازگر پدیده بهمنی هستند. اگر این فرایند کنترل نشود ممکن است باعث ایجاد پدیده بهمنی ثانویه در شمارندههای تناسبی شود. این مشکل هم با اضافه کردن گاز خاموشکننده پلیاتمی به گاز اصلی قابل حل شدن است. مولکولهای خاموش کننده سطوح انرژی بسیار زیادی اعم از ارتعاشی و چرخشی دارند و یونها را توسط انتقال بار، خنثی میکنند و به طور قابل ملاحظهای احتمال پدیده بهمنی را کاهش میدهند.
با این حال که خاموشکنندههای پلی اتمی مزیتهایی دارند، در عین حال دارای اثرات منفی نیز هستند، یکی تولید پلیمر روی سطوح آند و کاتد و دیگری کم کردن عمر محفظه.
این دو مشکل به یک دلیل اتفاق میافتد و آن هم پلیمریزاسیون مولکولهای خاموشکننده در حین فرآیند برگشتن به حالت پایه است، کاهش کارکرد الکترودها با زمان یک مشکل جدی است، زیرا میتواند خصوصیات محفظه را با زمان تغییر دهد. کم کردن طول عمر محفظه یک مشکل جدی برای آشکارسازهای مهر و موم شده است. البته با ایجاد امکان جریان داشتنِ گاز به صورت پیوسته از محفظه، این مشکل قابل حل است.

ضریب تکثیر گاز
یک نکته مهم هنگام پر کردن گاز برای شمارندههای تناسبی، ماکزیمم ضریب تکثیر است، اکثر شمارندههای تناسبی با ضریب تکثیری حدود〖10〗^4 کار میکنند. با این حال گاهی اوقات هدف به دست آوردن ضریب تکثیرِ بیشتری قبل از شکست گایگر است. مکانیزم خاموشکننده این هدف را تا حدی انجام میدهد. با این حال اگر ولتاژ به مقدار زیادی افزایش یابد تا ضریب تکثیر نیز افزایش یابد، الکترونهای آزاد انرژی کافی بدست میآورند تا باعث ایجاد پدیدههای بهمنی متعددی شوند. بنابراین باید اطمینان حاصل شود که حجم فعال به صورت پیوسته از این الکترونهای کم انرژی خالی شود. بهترین راه برای این کار اضافه کردن ناخالصی الکترونی به گاز اصلی است، گاز Freon گاز پلی اتمی است که میتواند هم به عنوان ناخالصی و هم به عنوان خاموش کننده کاربرد داشته باشد، البته یکی از معایب این گاز این است که میتواند به صورت نامطلوبی الکترونهای خوب را تسخیر کند و در نتیجه مانع فرآیند پدیده بهمنی اولیه شود.

نوعهای خاص از شمارندههای تناسبی

شمارنده تناسبی BF_3
شمارنده تناسبی BF_3 یک آشکارساز نوترونی است که به طور گسترده مورد استفاده قرار
میگیرد، هنگامی که یک نوترون کند با بور برهمکنش میکند یک ذرهی آلفا به همراه دو انرژی محتمل تولید میکند ( 2.32MeVو 2.79 MeV).
n + (_5^10)B → (_3^7)Li + α

ذره آلفایی که تولید میشود برد کوتاهی دارد، بنابراین خیلی سریع با ملکولهای گاز برهمکنش میکند و جفتهای الکترون – یون تولید میکند، این الکترونها تحت اثر میدان الکتریکی آغازگر پدیده بهمنی هستند. این فرآیند تکثیر گاز وجود پالس بزرگی را در
الکترودهای بازخوان تضمین میکنند.
شمارندههای BF_3 نمیتوانند به طور مستقیم برای نوترونهای سریع مورد استفاده قرار بگیرند، که دلیل آن هم کم بودن سطح مقطع برهمکنش بور با نوترونهای سریع است. برای حل این مشکل از یک ماده کند کننده مانند پارافین استفاده میشود.

شمارندههای هلیومی
شمارندههای تناسبی که توسط گاز هلیوم پر میشوند را میتوان برای ثبت نوترونهای گرمایی استفاده کرد، هنگامی که نوترون ورودی با هسته هلیوم برهمکنش میکند یک پروتون ساطع میشود، این پروتون باعث ایجاد یونیزاسیونهای ثانویه در حجم محفظه و در نتیجه ایجاد پالس خروجی میشود. برهمکنش نوترون با هسته هلیوم 3 به صورت زیر است:
n +(_2^3)He → (_1^3)He + p

شمارندههای تناسبی چند سیمی21
MWPC شامل تعدادی سیم است که به فاصلهی معینی (تقریبا 1mm) از یکدیگر قراردارند و درون محفظهی گازی قرار گرفتهاند و به عنوان آند عمل میکنند. از آنجا که هر سیم میتواند به عنوان یک بازخوان عمل کند، پس این طراحی به عنوان آشکارساز حساس به مکان مورد استفاده قرار میگیرد. البته هنگامی که هدف آشکارسازی ذرات خنثی از قبیل X-ray یا نوترون باشد، به دلیل اینکه تابشهای ثانویه که توسط گاما یا نوترون بوجود میآیند معمولا انرژیِ کمی دارند، مکانِ پدیده بهمنی در طول سیم توسط سیگنال القایی روی صفحه کاتد که زیر این سیمها قرار دارند بدست میآید.
شمارندههای تناسبی علاوه بر استفاده در فیزیک هستهای در پزشکی و بیولو
ژی نیز کاربرد دارند، در سال 1968 ساختار چندسیمی به دلیل اینکه دارای قابلیتهایی از قبیل شمارش در نرخ بالا، زمان تفکیک پذیری سریع و تفکیک مکانی بالا برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت.

آشکارساز های حساس به مکان

فصل چهارم

آشکارساز های حساس به مکان

مقدمه

حساس به مکان بودن آشکارساز به این معناست که آشکارساز علاوه بر شمارش فوتونهایی که با گاز بر همکنش میکنند، توانایی این را دارد که مکان برهمکنش را در یک یا دو بعد تعیین کند.
در انرژیهای1-100 keV پدیده فوتوالکتریک غالبترین برهمکنشی است که میتواند بین فوتون و ماده اتفاق بیافتد و فوتوالکترونی که طی این پدیده تولید میشود منشأ تولید پالس است. انرژی این الکترون توسط یونیزه کردن اتمهای ماده و تولید الکترونهایی با انرژی کمتر از بین میرود. بنابراین از جذب تابش x، مقداری بار الکتریکی تولید میشود که در الکترودها جمع میشوند، در نتیجه آشکارساز باید شامل الکترودهایی باشد تا با تولید میدان الکتریکی، الکترونها را جمع کند، این آشکارساز یک محفظه گازی است که شامل سیمهای آند که به پتانسیل الکتریکی بالایی (در حدود 2KV ) متصل میباشد، است. در هندسه استوانهای هر چه فاصله از سیمها بیشتر شود میدان الکتریکی به شدت کم میشود، پس در نزدیکی سیمها که میدان الکتریکی قوی است الکترونها به سمت سیمها شتاب میگیرند. این الکترونها سایر الکترونها و مولکولهای گاز را هم در شوک قرار میدهد به این ترتیب که الکترون به مولکولها برخورد و آنها را یونیزه میکند و یک الکترون با انرژی کمتر تولید میشود، دوباره این الکترون همین روند را انجام میدهد و این اتفاق چندین بار اتفاق میافتد و الکترونهای زیادی در حجم کم که نزدیک سیمهای آند است تولید میشوند. این رویداد پدیده بهمنی نام دارد. چون هدف، بدست آوردن اطلاعات جایگزیده فضایی است به همین دلیل در اندازهگیری مکان از این پدیده استفاده میشود. در حالتی که بزرگی میدان الکتریکی به اندازهای است که تعداد بارهای بهمنی به صورت خطی با انرژی فوتونهای ورودی متناسب است، آشکارساز در حالت تناسبی کار میکند.
الکترونها یا بارهایی که توسط پدیده بهمنی تولید میشوند، توزیع باری روی صفحه کاتد تولید میکنند، کاتد یک الکترود است که به نوارهای کوچک22 تقسیم شده است، یک پنجره هم وجود دارد که نقش کاتد دوم را ایفا میکند، سیمهای آند توسط این دو صفحه محدود شدهاند. دلیل وجود پنجره برقراری هندسه استوانهای است.
نوارهای کاتد به خطوط تأخیر متصلاند، سیگنال القائی روی نوارهای کاتد که توسط پدیده بهمنی روی سیمهای آند بوجود آمدند از خط تأخیر میگذرد و مکان برهمکنش فوتون اولیه توسط مدت زمانی که طول میکشد تا سیگنال به

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *