2.2. Ионизациялық камералар.

Бөліну камералары. Бөлінетін заттың қабаттары орнатылған ионизациялық камералар нейтрондармен бірқатар зерттеулер жүргізу үшін өте ыңғайлы. Мұндай камераларды бөліну камералары деп атаймыз.Олардың негізгі артықшылығы, нейтрондармен ядроларды атқылаған кезінде жоғарғы энергияға ие болған бөліну жарықшақтары (сынықтары) пайда болады. Мұның өзі бөліну жарықшақтарынан басқа зарядталған бөлшектерден дискриминациялауға мүмкіндік береді. Бөліну камераларын нейтрон ағындарын салыстырмалы және абсолютті өлшеу үшін, ядролар бөліну қимасын өлшеу үшін, бөлінумен қатар жүретін өнімдердің қасиетін зерттеу үшін қолданады. Мұндай камераларда бөлінуші материалды жұқа қабаттар түрінде орнатады. Қабаттың қалыңдығын әдетте бөліну жарықшақтарының жүру жолы ұзындығының ең жоғарғы шамасына қарағанда аздау етіп таңдайды. Жарықшақтың жүру жолынан қалыңырақ қабаттарды пайдаланудың қажеттігі жоқ, өйткені ол камераның тиімділігін арттырмайды. Екінші жағынан, қабат қалың болса, жарықшақтармен туындайтын α-бөлшектер саны да артады. Бұл қосымша фон тудырады. Бірнеше α-бөлшектерден туындаған импульстар қосылып жарықшақ энергиясына жақындауы мүмкін. Бұл импульстардың қосылу ықтималдығын Пуассон таралуы бойынша бағалауға болады. Ол үшінимпульстың формасын тікбұрыш, ал ұзақтығын τ-ға тең деп қарастырамыз. Камерада 1 секунд ішінде n₀ α- бөлшектер пайда болсын делік, сонда 1 секунд ішіндегі санауыштар саны n=n₀/(1+n₀τ). Камерада τ уақыт интервалында бір α-бөлшекті тіркеу кезінде тағы да (к-1) бөлшек пайда болуы ықтималдығы, яғни импульстардың к-рет беттесуі орын алуы p(k-1)= . Демек к-рет беттесудің жиілігі

n(k)= , мұнда k=1,2,3.. (2.8)

Олай болса n= екендігін оңай көруге болады.

Импульстардың беттесуінің жиілігін анықтау кезінде импульстың шынайы формасы мен камераның RC тұрақтысы ескерілуі қажет. α–бөлшектер фонын төмендету үшін бөліну камераларын электрондарының қозғалғыштығы жоғары болған газдармен толтырады ( мәселен, метан). Егерде камера электродтары арасындағы арақашықтық сантиметрдің ондық үлесіне жуық болса, онда метанмен толтырылған камераларда ұзақтығы шамамен 10 нсек импульстар алуға болады. Осы мақсатта жарықшақтары жұмысшы көлемде өз энергиясының бір бөлігін ғана шығындайтындай етіп қысым мен камераның электродтары арасындағы арақашықтықты таңдап алуға болады. Бұл жарықшақ импульсының α-бөлшектер импульстарына қатынасын ұлғайтады.

Камера көмегімен өлшеу жоғары дәлдікпен болады, егерде олардың санау сипаттамасында плато болатын болса (тұрақты сәулелендіру кезіндегі импульстар санының тіркеуші құрылғы дискриминациясының деңгейіне тәуелділігі). Егер уран қабаты жұқа болса, жарықшақтардың интегралдық саны платаға ие болады. Мұның өзі де түсінікті жайт, себебі камераның жұмысшы көлеміне түсетін жарықшақтардың спектрі 40-100 Мэв энергияда максимумға ие. Егер қабат қалың болса камераның жұмысшы көлеміне келіп түсетін бөліну сынықтарының спектрі үздіксіз болады және төмен энергия аумағында жоғарылайды. Сол себептен мұндай камераның интегралды есептік сипаттамасында плато болмайды.

Бөліну камералары бар тіркеуші аппаратураларды бақылау α– бөлшектер тудырған импульстарды санау арқылы оңай жүзеге асыруға болады. α-бөлшектерді санау жылдамдықтарының логарифмі тіркеуші құрылғы дискриминациясының деңгейіне тікелей тәуелді болып табылады. Мұндай тәуелділікті камераның α-бөлшектік қисығы деп атайды. Бұл жағдайды құрылғы дискриминациясының қажетті деңгейін анықтау үшін пайдаланады. α-бөлшектік қисықтан пайдаланып бөлшектердің есептік жылдамдығы, мәселен 0,05 имп/мин тең болғандағы дискриминация деңгейінің күйін экстраполяция жолымен табуға болады. Дискриминация деңгейін мұндай әдіспен орнату сезімталдылықтың қандайда бір деңгейінде әрқашан жұмыс істеуге мүмкіндік береді(күшейту контролі). Бөліну камераларының сезімталдылығын келесі түрде жазуға болады:

S=N₀σ_fB (2.9)

Мұндағы N₀– камерадағы бөлінуші ядролар саны, σ_f-бөліну қимасы, В-тіркеуші аппаратураның дискриминациясының деңгейіне, қабат қалыңдығына және камераның геометриясына тәуелді коэффициент. В шамасын жұқа қабаттар, жазық камера және төмен табалдырықтар үшін оңай есептеуге болады. Қалың қабаттарда В шамасын есептеу өте қиын [4].

Тәжірибе арқылы бөліну камераларының В шамасын жеткілікті дәлдікпен анықтауға болады. Камераны Ф жылулық нейтрондардың ағынына орналастырамыз. Сонда камера n_f=ФТ₀σ_fB бөліну санын тіркейді. Әрбір бөліну ν жылдам нейтрондар тудырады. Оларды жылдам нейтрондар детекторымен тіркеуге болады. Бұл детектор n_n=ФN₀σ_fνΔΩε_d импульстар санын тіркейді, мұндағы ΔΩ-денелік бұрыш. Бөліну камерасын сәйкес келу схемасы арқылы жылдам нейтрондардың детекторына қосамыз және сәйкес келу жылдамдықтарын санаймыз: n_fn=ФN₀σ_fνΔΩε_dВ, мұнда B=n_fn/n_n болатындығын оңай көруге болады. Мұндай әдіспен В шамасын анықтаудағы қателік статистикалық қателікпен шамалас болады. U₃O₈ қалын қабаттарға ие камераларда есептік сипаттамаларда плато болмайды. Жылулық нейтрондарды тіркеуге арналған камераларда әдетте U²³⁵- ие қабаттар жиі қолданылады.

Пропорционалды борлы есептеуіш және борлы камера. Жылулық және резонансты нейтрондарды тіркеу үшін үш фторлы бормен (ВҒ₃ ) толтырылған пропорционалды есептеуіштер қолданылады. Нейтрондар B¹⁰(n,α) Li⁷ реакция өнімдері бойынша тіркеледі, олар шамамен 2,3 Мэв жалпы энергияға ие болады. Бұл реакция қысымы 5 кэв төмен нейтрондар энергиясы аумағындағы нейтрондар жылдамдығына кері пропорционал, сол себепті борлы есептеуіш нейтрондар тығыздығын өлшейді. Борлы есептеуіштің типтік сипаттамалары келесі түрде болып келеді: ВҒ₃ қысымы шамамен 120 мм сн.бағ, жұмысшы кернеу шамамен 1500в, анодтың диаметрін 0,05, катод диаметрі 22 мм. Торға түсетін жылулық нейтрондар үшін 150 мм ұзындықтағы борлы есептеуіштің эффективтілігі шамамен 20% .

Борлы есептеуіштің есептік сипаттамасы платаға ие. Бұл түсінікті жайт, өйткені төмен энергиядағы нейтрондарды тіркеу кезінде импульc амплитудасы нейтрондар энергиясына мүлдем тәуелді емес (реакция энергиясы өте жоғары). Платоның болуы пропорционалды есептеуіштер үшін өте маңызды, себебі газдық күшею коэффициенті есептеуіштегі кернеуді арттыру кезінде экспоненциалды түрде өсе түседі.

Нейтрондардың үлкен ағындарын тіркеу қажеттілігі кезінде токтық режимдегі көппластинкалы ионизациялық камералар қолданылады. Графитті пластиналар бордың жіңішке қабатымен жабылады(~0,4 мг/см ). Бірлікке тең сезімталдыққа егер камера ие болса, онда 10⁸ нейтрон/(см²сек) нейтрон ағынына 10^-6 а ток сәйкес келеді. Токтық режимдегі камералар реактордың қуатын бақылау үшін пайдаланылады. Реакторда γ-кванттардың ағындарын нейтрондар ағынымен салыстыруға болады. Алайда, реактор қуаты төмендесе, онда кванттардың ағыны нейтрондар ағынын бірнеше есе жоғарылатады. Сол себепті камераның кванттарға сезімталдығын мүмкіндігінше төмендету керек. Пропорционалдық есептеуіште γ-сәулеленуден импультерді дискриманация-лауға болады, ал токтық құрылғыда мұндай дискриминацияны жүргізуге болмайды.

Иондау камерасы.

Иондау камерасы зарядталған бөлшектерді тіркеу үшін қолданылады. Қарапайым иондау камерасының схемасы 2.4-суретте берілген. Металл А қорабының металл фольгадан істеген В терезесі арқылы камераға тіркелетін бөлшек енеді. Электрод – коллектор К және электрод С-қорғаушы сақинамен қосылған. Камера А инертті газбен толтырылған. Иондаушы бөлшек камераға еніп, энергиясына байланысты камера ішінде мыңдаған қос иондарды туғызады. Мысалы, жылдам электрон ауада қалыпты қысымда бірнеше жүздеген қос ион тудырады. Иондау камерасы иек ауыр бөлшектерді ғана тіркейді. Тіркелуші бөлшектердің әсерінен пайда болған ион импульстары коллектор мен сақинаның электр өрісіне жетеді де, әрі қарай электр күшейткішіне беріліп тіркеледі.

2.4-сурет.

Қалың қабатты фотопластинкалар.

Зарядталған үлкен энергиялы бөлшектерді тіркеу үшін жоғарыда аталған құралдармен қатар қалың қабатты фотопластинкалар қолданылады. Фотопластинкалар өте кішкене мөлшерлі жақын орналасқан бромды күміс эмульсия дәндерінен тұрады. Ұшып келе жатқан бөлшек қалың қабатты фотопластинкаға енеді де эмульсия құрамындағы бромды күмісті иондап, фотопластинка қабатында белгілі бір із қалдырады. 2.5а-суретте қалдырған іздің қалыңдығын, траекторияның тығыздығын микроскоп арқылы өлшей отырып бөлшектің энергиясын, импульсін, зарядын есептейді. Мысалы, 55 Мэв энергиясы бар альфа-бөлшектің қалдыратын ізінің ұзындығы 1 мм-ге жуық, ал 2.5б-суретте бірнеше жүздеген есе үлкейтілген бейнесі кескінделген. Егеp практикада, күнделікті қолданып жүрген фотопластинкалардағы эмульсия қалыңдығы -20 микрон болса, ядролық зерттеулердегі қалың қабатты фотопластинкалардың эмульсия қалыңдығы 600-1000 микронға жуық және түйірлері өте кішкене болады.

2.5-сурет.

Вильсон камерасы. Көпіршікті камера.

А) Жылдам қозғалатын зарядталған бөлшектерді тіркеу үшін Вильсон камерасы қолданылады (2.6- сурет). Камера-жабық ыдыс 1 ішінде поршен 5 орналасқан. Камера ішіндегі құбылыстарды көруге, суретке түсіруге болады. Камера газбен және қаныққан су буымен немесе спирт буымен толтырылған. Егер поршенді тез төмен түсіріп, газбен будың көлемін арттырса, адиабаталық салқындау жүреді. Адиабаталық салқындау кезінде су немесе спирт буы аса қаныққан күйге келеді.

Осындай күйде тұрған бу арқылы зарядталған бөлшек жүріп өтетін болса, онда ол жолындағы аса қаныққан буды конденсация құбылысына ұшырытып, конденсация центрлерін түзеді. 2-зарядталған бөлшектер көзі. Мұндай конденсация центрлерін зарядталған бөлшектердің әсерінен пайда болған газ немесе бу иондары түзеді. Егер зарядталған бөлшектердің камера арқылы жүрген мезгілінде газ немесе буға жарық түсірілсе, онда зарядталған бөлшектердің ізі көрінеді. Вильсон камерасын Д.В.Скобельцын магнит өрісіне орналастырып, зарядталған бөлшектердің таңбасын анықтайды. Камера ішінде қалдырылған іздерін фотоға түсіре отырып, зарядталған бөлшектердің жүрісін байқау автоматтандырылған.

2.6-сурет.

Б) Осы кезде Вильсон камераларымен қатар зарядталған бөлшектерді тіркеу үшін көпіршікті камералар қолданылып келеді (2.7-сурет).

2.7-сурет.

Оны 1952 жылы Д. Глейзер жасаған. Бұл құралдардың жұмыс істеу принципі мынадай. Зарядталған энергиясы жоғары бөлшектер камера ішіндегі сұйық арқылы өткенде өз траекториясының бойында бу пайда болу центрлерін түзеді. Егер камера ішіндегі сұйық аса қыздырылған болса, онда бу пайда болу центрлерінде бу көпіршіктері туады.бұл көпіршіктерді көзбен көруге немесе фотоға түсіруге мүмкіндік бар. Камерадағы аса қыздырылған сұйық сутегі, азот, пропан, пентан және т.с.с болады. Көп қолданылып жүрген сұйықтардың бірі-пропан. Жұмысшы температурасы 65 сС, қысымы 35-40 атм. Осы күнгі қолданылыпжүрген көпіршікті камералардың диаметрі 5 м-ге жуық.

ІІІ-тарау. Газ разрядты санауыштар және олардың көмегімен радиациялық сәулелерді тіркеу.

Газдық күшею механизмін қарастыру кезінде көрсетілгендей санауышта потенциалдар айырымының артумен газдық күшею коэффициенті М тез өседі, ал оының артуымен нөсердің дамуында фотоионизация маңызды орынға ие бола бастайды. Сол себептен күшеюдің толық коэффициенті М_γ күшею коэффициенті М-нен едәуір артық болады. Өйткені М_γ-ның көбейтіндісі өседі. Сонымен, потенциалдар айырымының белгілі бір U_заж мәнінде М_γ шамасы 1-ге тең болып қалуы мүмкін. Сол кезде газдық күшеюдің толық к\оэффициенті М_γ шексіз үлкен болады. Бұл дегеніміз, санауышта өздігінен тұтанатын үздіксіз разряд пайда болатындығын білдіреді. Мұндай разрядтың тоғы шексіз үлкен бола алмайды, өйткені санауышта көлемдік заряд пайда болып, ол жіп айналасындағы өрісті өзгертіп оны төмендетеді және соның салдарынан газды қкүшеюдің толық коэффициенті де кемиді. Егер өздігінен тұтанатын разрядты сөндіру мүмкін болса, ол санауышты иондаушы бөлшектерді тіркеу үшін қолдануға болады.