4-5- تقویت کننده و تبعیضگر46
4-6- تبدیلگر زمان به دامنه TAC 48
4-6-1- خط تأخیر خارجی49
4-7- تبدیلگر آنالوگ به دیجیتال ADC49
4-8- آشکارساز حساس به مکان یک بعدی با استفاده از خط تأخیر49
4-9- آشکارساز حساس به مکان دو بعدی50
4-9-1- روش خط تأخیر50
4-9-2- روش چند لایه ای50
4-9-3- استفاده از دو کاتد51
عنوان صفحه
4-9-4- استفاده از نوارهای میکرو52
4-9-5- استفاده از روش تقسیم بار53
فصل پنجم: مقدمه ای بر نرم افزارهای بکار گرفته شده در این پایان نامه و نتایج شبیه سازی
5-1- مقدمه55
5-2- استفاده از نرمافزار Gmsh56
5-3- استفاده از نرمافزار Elmer62
5-3-1- نرمافزار ElmerGrid63
5-3-2-نرمافزار Elmer Solver64
5-4- تولید فایل با پسوند sif.64
5-5- استفاده از نرمافزار ++Garfield66
5-6- وارد کردن Field Maps به نرمافزار ++Garfield:67
5-7- پتانسیلهای وزنی و بازخوانی سیگنال69
5-8- نتایج شبیهسازی71
فصل ششم: ابعاد و نحوه ساخت
6-1- اجزاء آشکارساز74
6-1-1- کاتد و خط تأخیر74
6-1-2- صفحهی آند76
6-1-3- فاصله دهنده78
6-2- محفظه79
6-2-2- پنجره ورودی80
6-3- گاز و چگونگی ترکیب آن80
6-3-1- نوع گاز81
عنوان صفحه
6-3-2- تعیین درصد گازها و چگونگی ترکیب آنها83
6-3-3- فشار گاز84
6-4- چشمه85
فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات86
مراجع96
پیوستها98
چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول (2-1) مسیر آزاد میانگین λ، ضریب انتشار D، روان روی µ یونها در گازهای
خودشان تحت شرایط استاندارد دما و فشار14
جدول (2-2) مقادیر تجربی پارامترهایی که در معادلات ‏(2-19)‏(2-20) ظاهر شده اند.23
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل (1-1) طیف انرژی تابش الکترومغناطیسی به همراه طول موج و فرکانس مربوطه3
شکل (1-2) شمایی از پراش و آشکارسازی به صورت خلاصه4
شکل (1-3) شمایی کلی از هندسه آشکارساز5
شکل (1-4) ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد.5
شکل (1-5) ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد با وجود خط تأخیر خارجی.6
شکل (1-6) کاتد مورد استفاده در روش چند لایهای، کاتدهای صورتی کاتدهای x هستند که به صورت افقی به یکدیگر متصل شدهاند و کاتدهای سبز کاتدهای y هستند که به صورت عمودی به یکدیگر متصل شدهاند.8
شکل (2-1) تغییرات ارتفاع پالس تولید شده توسط انواع مختلف آشکارسازها بر حسب ولتاژ اعمال شده. دو نمودار مربوط به دو انرژی مختلف تابش ورودی است19
شکل (2-2) تغییرات ضریب تاونزند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای یک گاز معمولی22
شکل (3-1) شکل شمارنده تناسبی استوانهای28
شکل (3-2) شمای مقطعی از شمارنده تناسبی استوانهای، سیم نازک مرکزی به عنوان آند و دیواره خارجی به عنوان کاتد عمل میکند.28
شکل (3-3) رفتار شدت میدان الکتریکی شعاعی درون محفظه استوانهای29
شکل (3-4) نشان دهنده محدوده پدیده بهمنی حول سیم آند، شعاع حدی rc و شدت میدان الکتریکی حدی Ec در شمارنده تناسبی استوانهای. در واقعیت ناحیه پدیده بهمنی به سیم آند خیلی نزدیک است.31
عنوان صفحه
شکل (3-5) وابستگی اولین ضریب تاونزند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای سه مخلوط گاز 80% CO2 + 20% Ne (خط صاف) و 90% CH4 + 10% Ar (خط چین) و 70% CO2 و 30% Ar (خط نقطه نقطه)34
شکل (3-6) اثرات مثبت استفاده از خاموش کننده در شمارندههای تناسبی35
شکل (4-1) شکل آشکارساز و خط تأخیر41
شکل (4-2) مدار خط تاخیر43
شکل (4-3) مدار معادل آشکارساز + خط تأخیر44
شکل (4-4) مبدل دامنه به زمان + ذخیرهسازی دادهها + نمایش دادهها45
شکل (4-5) نمایشی از تبعیض دامنههای سیگنال46
شکل (4-6) پالس ورودی47
شکل (4-7) تضعیف پالس ورودی47
شکل (4-8) معکوس کردن پالس ورودی و ایجاد تأخیر در آن48
شکل (4-9) ترکیب دو پالس قبلی و ایجاد پالس دو قطبی48
شکل (4-10) شکل آشکار ساز حساس به مکان یک بعدی49
شکل (4-11) طراحی در روش خط تأخیر50
شکل (4-12) طراحی در روش چند لایه ای51
شکل (4-13) طراحی استفاده از دو کاتد52
شکل (4-14) طراحی استفاده از نوارهای میکرو52
شکل (4-15) طراحی استفاده از روش تقسیم بار53
شکل (5-1) فایل نوشتاری geo. برای یک شش ضلعی با طول 1cm58
شکل (5-2) شکل دیداری شش ضلعی با طول 1cm58
شکل (5-3) فایل .geo برای چند بار تکرار یک صفحه59
شکل (5-4) شکل دیداری چند بار تکرار یک صفحه59
شکل (5-5) تصویر هندسه آشکارساز با استفاده از نرمافزار Gmsh60
عنوان صفحه
شکل (5-6) تصویر انتخاب یک حجم فیزیکی به عنوان یکی از کاتدها61
شکل (5-7) طریقه مِشبندی فایل هندسه در ترمینال61
شکل (5-8) شکل دیداری فایل مِشبندی شده62
شکل (5-9) توصیف مختصری از نرمافزارهای استفاده شده.67
شکل (5-10) پالسهای کاتدهای x و y آشکارساز شبیهسازی شده با استفاده از نرمافزار گارفیلد ++71
شکل (5-11) تصویر پدیده بهمنی در شبیهسازی آشکارساز با استفاده از
نرمافزار Garfield++72
شکل (6-1) طراحی کاتد به همراه خط تأخیر توسط نرم افزار Altium Designer75
شکل(6-2) تصویر کاتد و خط تأخیر بعد از ساخت76
شکل (6-3) طراحی آند توسط نرم افزار Altium Designer77
شکل (6-4) تصویر صفحه آند بعد از ساخت و لحیم کردن سیمها77
شکل (6-5) طراحی فاصله دهنده توسط نرم افزار Altium Designer78
شکل (6-6) تصویر صفحه فاصله دهنده بعد از ساخت78
شکل (6-7) طراحی محفظه با استفاده از نرم افزار SolidWorks79
شکل (6-8) تصویر محفظه بعد از ساخت80
شکل (6-9) بازدهی تبدیل تابش ایکسِ گاز زنون بر حسب انرژی (طول موج) و ضخامت
ناحیه فعال در دما و فشار معمولی، از این نمودار تنها برای پیشبینیِ تقریبی بازده آشکارسازها استفاده میشود81
شکل(6-10( بازدهی تبدیل تابش ایکسِ گاز آرگون بر حسب انرژی (طول موج) و ضخامت ناحیه فعال در دما و فشار معمولی، از این نمودار تنها برای پیشبینیِ تقریبی بازده آشکارسازها استفاده میشود82
عنوان صفحه
شکل(6-11) بازدهی تبدیل تابش ایکسِ گازهای آرگون، کریپتون، زنون بر حسب انرژی
(طول موج) و ضخامت ناحیه فعال mm6 در دما و فشار معمولی، از این نمودار تنها برای پیشبینیِ تقریبی بازده آشکارسازها استفاده میشود82
شکل (6-12) چگونگی ترکیب گاز83
شکل (6-13) دستگاه ترکیب کننده گاز84
شکل (7-1) اجزاء الکترونیکی متصل به آشکارساز به صورت طرحوار87
شکل (7-2) تصویر اجزاء الکترونیکی متصل به آشکارساز88
شکل (7-3) تصویر پیشتقویت کننده چهارکاناله.88
شکل (7-4) شماتیکی از کارکرد MCA.90
شکل (7-5) طیف حاصل از جابجایی چشمه در جهت عمودی به میزان 20 میلیمتر نسبت به مکان قبلی.91
شکل (7-6) طیف حاصل از جابجایی چشمه در جهت افقی به میزان 20 میلیمتر نسبت به مکان قبلی.93
شکل (7-7) تصویری از حساس به مکان بودن آشکارساز نسبت به مکان چشمه.94

مقدمه
فصل اول
مقدمه
آشکارسازی تابش ایکس کم انرژی
برای آشکارسازیِ تابش ایکس کم انرژی آشکارسازهایی اعم از شمارندههای تناسبی گازی، آشکارسازهای حالت جامد1 و آرایههای میکروکانال2 موجود هستند، ولی به دلیل مزیتهایی که در زیر ذکر شدهاست آشکارسازهای تناسبی گازی از گذشته تا کنون به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند[1]:
بازدهی بالا
پهنای باند گسترده
امکان ساخت در اندازههای بزرگ
تابش پس زمینه کم
امکان ساخت برای بدست آوردن قدرت تفکیک پذیری مکانی
امکان به دست آوردن قدرت تفکیک پذیری انرژی
آشکارسازهای گازی حساس به مکان چند سیمی زیر مجموعهای از شمارندههای تناسبی گازی هستند که میتوان توسط آنها علاوه بر شمارش تعداد برهمکنشها، مکان برهمکنش را نیز به دست آورد، به همین دلیل یکی از کاربردهای آنها استفاده در شتابدهنده یا به عبارت دیگر استفاده از آنها در تصویربرداری از نمونهای که در معرض تابش قرار میگیرد است، به این صورت که نمونهای در معرض تابش قرار میگیرد و تابش پراشیده شده از نمونه توسط آشکارساز آشکار میشود و ساختار آن نمونه مشخص میشود. آشکارسازهایِ دیگری اعم از آشکارسازهای سوسوزن هم برای این هدف موجود هستند ولی در این آشکارسازها باید برای بدست آوردن نرخ سیگنال به نویز قابل قبول، انرژی ذره ورودی زیاد باشد. از طرفی هم در تصویربرداری اگر ماده هدف نازک باشد دیگر نمیتوان از انرژیهای زیاد استفاده کرد زیرا برای اینکه بتوان ساختار ماده را مشخص کرد، تابش ابتدا باید توسط نمونه جذب شود و پراکندگی یا پراش اتفاق بیافتد و سپس توسط پراش به وجود آمده به ساختار نمونه پی برده شود در حالی که اگر انرژی تابش زیاد باشد، تابش کاملاً از هدف عبور میکند. به همین دلیل انرژیهای پایین مد نظر هستند که تابش X نرم بهترین گزینه است. ‏شکل (1-1) محدوده تابشهای الکترومغناطیسی را نشان میدهد که محدوده تابش X نرم در آن مشخص است:

طیف انرژی تابش الکترومغناطیسی به همراه طول موج و فرکانس مربوطه
عملکرد پراش و آشکارسازی
آشکارسازهای گازی حساس به مکان چند سیمی به دلیل عملکرد خوبی که در محدودهی انرژیهای پایین دارند مورد توجه قرار گرفته اند. عملکرد پراش و آشکارسازی به صورت خلاصه در ‏شکل (1-2) مشخص است :

Sample
شمایی از پراش و آشکارسازی به صورت خلاصه
همانطور که از ‏شکل (1-2) مشخص است آشکارساز برای اینکه بتواند تمامی تابشهایی که پراشیده میشوند را آشکار کند باید زاویه فضایی زیادی را بپوشاند.
فرآیند آشکارسازی
آشکارسازی در یک و دو بعد انجام میشود، برای اینکه بتوان فرآیند آشکارسازی را درک کرد میتوان آن را مانند فرآیند یک اسکنر در نظر گرفت که در آشکارسازی یک بعدی نمونه در یک جهت مثلاً x اسکن میشود در حالی که در آشکارسازی دو بعدی نمونه یکبار در جهت x و یکبار در جهت y اسکن میشود و به همین دلیل سریعتر است.
آشکارساز یک بعدی در مرجع [2]مورد بررسی قرار گرفته است. در این پایاننامه آشکارساز حساس به مکان دو بعدی مورد بررسی قرار میگیرد. روشهای متعددی برای آشکارسازی حساس به مکان دو بعدی موجود است که عبارتاند از:
روش خط تأخیر
روش چند لایه ای
استفاده از دو کاتد
استفاده از نوارهای میکرو
استفاده از روش تقسیم بار
که در این پایان نامه روش خط تأخیر با هندسهای به ‏شکل (1-3) انتخاب شده است:
شمایی کلی از هندسه آشکارساز
به دلیل اینکه سیگنال نهایتا از کاتد گرفته میشود هر کدام از کاتدها اعم از x و y به خطوط تأخیر متصلاند که این خطوط تأخیر هر یک شامل یک خازن 82pF و یک خود القاء 20µH است. برای درک استفاده از روش خط تأخیر، در یکی از بعدها، دو مکان انجام برهمکنش در نظر گرفته میشود. ‏0و Error! Reference source not found.اگر پیکسل ستاره دار مکان انجام برهمکنش باشد و هر کدام از مولفههای خازن و خودالقا تأخیر 1 µs ایجاد کنند در ازای تشکیل دو پالس A و B داریم:

ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد.
ادامه شکل (1-4)
پس در این حالت تأخیر منفی برای دو پالس A و Bنسبت به یکدیگر بوجود میآید ولی به دلیل اینکه تأخیر منفی تعریف نشده است باید طراحی جدیدی برای از بین بردن آن ایجاد شود، به این صورت که سه تأخیر خارجی که هرکدام تأخیری به اندازه کل خط تأخیر متصل به پیکسلها ایجاد میکند (در اینجا 6µs)، به صورت زیر اضافه میشوند:
ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد با وجود خط تأخیر خارجی
ادامه شکل (1-5)
بنابراین در حالت جدید تأخیر منفی از بین میرود.
در ساخت این آشکارساز به جای دو کاتد از یک صفحه به عنوان کاتد x و y استفاده شده است که بالای آن سیمهای آند که به ولتاژ متصل میشوند قرار دارند و بالای آن هم پنجره ورودی قرار دارد‏شکل (1-3) بنابراین در این حالت به طراحی ویژهای نیاز است که بتواند سیگنالها را به طور مساوی روی هر دو کاتد پخش کند یا به عبارت دیگر هر دو کاتد X و کاتد Y در فاصله یکسانی از مکان پدیده بهمنی (سیمهای آند) قرار گیرند. به همین دلیل از طراحیای شبیه ‏شکل (1-6) استفاده شده است.
.
کاتد مورد استفاده در روش چند لایهای، کاتدهای صورتی کاتدهای x هستند که به صورت افقی به یکدیگر متصل شدهاند و کاتدهای سبز کاتدهای y هستند که به صورت عمودی به یکدیگر متصل شدهاند.
عملکرد درست آشکارساز
در این آشکارساز باید تمامی پیکسلها کار کنند تا عملکرد آشکارساز کاملاً درست باشد. آسانترین راهی که میتوان از درست کار کردن پیکسلها مطمئن شد این است که یک منبع قوی با اکتیویته زیاد به فاصلهی تقریباً زیادی از مانع با شکل مشخص (مثلاً K) به عنوان کولیماتور قرار گیرد و طیف حاصل مشاهده شود. در صورت درست بودنِ تمامی پیکسلها طیف حاصل باید به صورت پیوسته باشد و همان شکل را بدون وجود نقطهای نامشخص بدهد.
در این پایان نامه ابتدا آشکارسازهای گازی و سپس آشکارسازهای تناسبی که زیر مجموعهای از آشکارسازهای گازی است به ترتیب در فصلهای 2 و 3 مورد بررسی قرار گرفته شدهاند. در فصل 4 به بررسی آشکارسازهای حساس به مکان دو بعدی و الکترونیک وابسته پرداخته شده است. در فصل 5 نتایج شبیهسازی آورده شده است و به دلیل اینکه نرمافزار گارفیلد++ نرمافزارای بسیار کاربردی برای آشکارسازهای گازی است و همچنین با استفاده از نرمافزارهای کمکی Gmsh و Elmer میتوان هندسهی بسیاری از آشکارسازها را تعریف کرد و به دلیل اینکه تا به حال هیچ مرجعی برای نحوهی اجرای این نرمافزارها موجود نیست به نحوی اجرای این نرمافزارها به همراه شکل پرداخته شده است. در فصل 6 به ابعاد و نحوه ساختِ اجزاء آشکارساز پرداخته و در نهایت در فصل 7 به بررسی نتایج و همچنین پیشنهادهایی برای کارهای آتی پرداخته شده است.

فصل دوم
آشکارسازهای گازی
آشکارسازهای گازی
مقدمه
تابش با عبور از گاز میتواند باعث یونیزه شدن مولکولهای گاز شود، اگر انرژی تابش، بیشتر از انرژی پتانسیل یونیزاسیون مولکولهای گاز باشد، میتوان جفتهای بار تولید شده توسط تابش را بوسیله میدان الکتریکی خارجی در جهت مخالف وادار به حرکت کرد. نتیجهی این فرآیند تولید پالس الکتریکی است که میتوان آن را توسط دستگاه های اندازهگیری مرتبط اندازه گرفت. این فرآیند مبنای کارکرد آشکارسازهای گازی است.
یک آشکارسازگازی نوعی، شامل محفظه گازی و الکترودهای مثبت و منفی است. الکترودها به پتانسیلی که میتواند در محدوده کمتر از صد ولت تا چند هزار ولت تغییر کند متصل میشوند. انتخاب ولتاژ به طراحی و نوع عملکرد آشکارساز بستگی دارد. تولید و حرکت جفتهای بار که ناشی از عبور تابش در گاز بوده است باعث ایجاد آشفتگی در میدان الکتریکی خارجی اعمال شده و تولید پالس در الکترودها میشود. بار، جریان یا ولتاژی که در آخر نتیجه میشود را میتوان در انتهای یکی از الکترودها اندازه گرفت و در صورت استفاده از کالیبراسیون مناسب میتوان اطلاعاتی را از انرژی و شدت پرتو نیز به دست آورد. واضح است که سیستم در صورتی بازده خوبی دارد که نه تنها تعداد زیادی جفتهای بار تولید شود بلکه به آسانی قبل از اینکه بازترکیب شوند و مولکول خنثی تولید کنند، جمع شوند.
انتخاب نوع گاز، هندسه آشکارساز و پتانسیل اعمال شده، عواملی هستند که تولید جفتهای بار و حرکت آنها را کنترل میکنند[3].

تولید جفتهای الکترون – یون
هنگامی که تابش با ذرات موجود در گاز برهمکنش میکند ممکن است مولکولها را برانگیخته یا یونیزه کند. مکانیزمهای متفاوتی وجود دارد که این برهمکنشها میتوانند اتفاق بیفتند. این مکانیزمها کاملاً توسط کمیتهای آماری، مانند سطح مقطع و توان توقف قابل پیشبینی هستند. کمیّت مهم دیگر ( حداقل برای آشکارسازهای تابشی ) میانگینِ انرژی لازم برای تولید جفت الکترون – یون در گاز است. این انرژی به عنوان w-value شناخته میشود.
بارهایی که توسط تابش ورودی تولید میشوند، بارهای اولیه نامیده میشوند، این نامگذاری به این دلیل است که با بارهایی که به صورت غیر مستقیم در حجم فعال تولید میشوند اشتباه گرفته نشوند. تولید جفتهای بار اضافی شبیه تولید بارهای اولیه است، با این تفاوت که این بارها توسط تابش ورودی تولید نمیشوند بلکه به وسیلهی یونیزاسیونهایی که توسط بارهای اولیه به وجود میآیند تولید میشوند.
برای تعیین تعداد جفتهای بار کل (n_t) و اولیه (n_p) در مخلوطی از گازها، قانون ترکیب به صورت زیر است:
n_t=∑_i▒x_i ((〖dE/dx)〗_i )/w_i
و
(2-2) n_p=∑_i▒〖x_i n_(p,i) 〗
dE/dx به توان توقف و i به i امین گاز در مخلوط گاز با کسر حجمی x_iمربوط میشود.
انتشار و حرکت بارها در گاز
الکترونها و یونهای تولید شده توسط تابش خیلی سریع انرژیشان را توسط برخوردهای متعدد با ملکولهای گاز از دست میدهند. حرکت بارها در گاز به طور قابل ملاحظهای به نوع و قدرت نیرویی که تجربه میکنند بستگی دارد، رفتار این بارها در حضور یا عدم حضور میدان الکتریکی بسیار متفاوت است.
انتشار در عدم حضور میدان الکتریکی
در عدم حضور میدان الکتریکی خارجی، الکترون و یونها دارای انرژی E هستند که توسط تابع توزیع انرژی ماکسول مشخص میشوند [4]
f(E)= 2/√ᴨ 〖(KT)〗^((-3)/2) √E e^((-E)/KT) ,
که K ثابت بولتزمن و T دمای مطلق است.
میانگین انرژی بارها که از این توزیع ماکسول بدست میآید به صورت زیر است:
¯E= 3/2 KT
که این انرژی میانگین در دمای اتاق تقریبا 0.04 الکترون ولت است.
هنگامی که میدان الکتریکی خارجی وجود ندارد هیچ جهت برتری برای حرکت بارها در مخلوط گاز همگن وجود ندارد، بنابراین انتشار همگرا است. در هر جهت x انتشار را میتوان توسط توزیع گاوسی توصیف کرد:
dN= N/√4ᴨDt e^((-x^2)/4Dt) dx
که N تعداد کل بارها و D ضریب انتشار است و در واحد 〖Cm〗^2/s گزارش میشود. این رابطه تعداد بارهای dNرا که میتوان در المان dxدر فاصلهی x از مرکز توزیع بار اولیه بعد از زمان t پیدا کرد نشان میدهد.
الکترونها به دلیل داشتن جرم کم، سریعتر منتشر میشوند، این موضوع را نیز میتوان توسط سرعتهای گرمایی الکترونها و یونها که تفاوتهایشان در دو یا سه مرتبه است، درک کرد. بنابراین ضریب انتشار برای الکترونها در مقایسه با یونها در همان گاز بسیار متفاوت است، همچنین وابستگی ضریب انتشار به گازی که یونها در آن حرکت میکنند پیچیدگی بیشتری بوجود میآورد. علاوه بر این استفاده از گازهای مخلوط در پر کردن محفظه نیز میتواند خصوصیات انتشار را تغییر دهد، در چنین حالتی مقدار حقیقی ضریب انتشار به نوع و غلظت گازهایی که استفاده میشود مربوط میشود. مقدار ضرایب انتشار برای گازهای مختلف و مخلوط گازها که به صورت تجربی بدست آمدهاند و توسط چندین نویسنده گزارش شدهاند در ‏جدول (2-1) آورده شده است.

مسیر آزاد میانگین λ، ضریب انتشار D، روان روی µ یونها در گازهای خودشان تحت شرایط استاندارد دما و فشار
μ(〖Cm〗^2 s^(-1) V^(-1))D(〖Cm〗^2/s)λ(×〖10〗^(-5) Cm)Gas13.00.341.8H_210.20.262.8He1.70.041.0Ar2.20.061.0O_20.70.021.0H_2 O
انتشار در حضور میدان الکتریکی
در حضور میدان الکتریکی انتشار دیگر همسانگرد نیست، بنابراین نمیتوان آن را توسط ضریب انتشار اسکالر توصیف کرد. ضریب انتشار در این حالت یک تانسور با دو مؤلفه غیر صفر است، یک مؤلفه طولی D_L و یک مؤلفه عرضیD_T. برای بسیاری از گازها ضریب انتشار طولی D_L کمتر از ضریب انتشار عرضی D_T است [4].
در آشکارسازهای گازی، از گاوسی شدن توزیع انرژی بارها نمیتوان مطمئن بود، دلیل آن ولتاژ بایاس اعمال شده است، که یک میدان الکتریکی را درون حجم فعال ایجاد میکند. الکترونها به دلیل داشتن جرم کم نیروی الکتریکی قوی ای را تجربه میکنند و در نتیجه توزیع انرژیشان از شکل ماکسولی منحرف میشود، از طرف دیگر اگر میدان الکتریکی به اندازه کافی زیاد نباشد تا تخلیه الکتریکی صورت گیرد توزیع یونها به طور قابل ملاحظهای تحت تأثیر قرار نمیگیرد [3]. رفتار الکترونها و یونها در حضور میدان الکتریکی با یکدیگر کاملاً متفاوت هستند پس باید به طور مجزا مورد بررسی قرار بگیرند.
حرکت یونها
در آشکارسازهای گازی شکل و دامنه پالس نه تنها به حرکت الکترونها بلکه به حرکت یونها نیز بستگی دارد، یونها بار مثبت دارند و بسیار سنگینتر از الکترونها هستند، بنابراین حرکت آنها بسیار آهستهتر است. در اکثر آشکارسازهای گازی مخصوصا اتاقکهای یونیزاسیون سیگنال خروجی را میتوان هم از الکترود مثبت هم از الکترود منفی اندازه گرفت، در دو حالت کمّیتی که اندازه گرفته میشود، تغییر در میدان الکتریکی موجود در ناحیه فعال است. بنابراین حرکت الکترونها و یونها هر دو در پالس خروجی مشارکت دارند.
در حضور میدان الکتریکی قوی، یونها به سمت الکترود منفی با سرعتی که بسیار کمتر از الکترونها است حرکت میکنند. توزیع این یونها را میتوان به صورت نسبتا دقیق توسط توزیع گاوسی نمایش داد که به صورت زیر است.
dN=N/√4πDt e^((-〖(x-tV_d)〗^2)/4Dt) dx
که 〖 V〗_dسرعت سوق یونها، که در واقع سرعت تودهی انبوه از یونها که در امتداد خط میدان الکتریکی حرکت میکنند، است. این سرعت بسیار کمتر از سرعت لحظهای یونها است. t زمان سوق یونها است. سرعت سوق پارامتر مهمی است زیرا بیانگر مقدار زمانی است که طول میکشد تا یونها به کاتد برسند و جمع شوند، همچنین معلوم شده است که تا هنگامی که هیچگونه در هم شکستگی3 در گاز اتفاق نیافتد این سرعت متناسب با نسبت میدان الکتریکی به فشار گاز باقی میماند. سرعت سوق توسط فرمول زیر تعریف میشود:
v_d=μ_+ E/P
E میدان الکتریکی اعمال شده، P فشار گاز، μ_+ روان روی یونها در گاز است که به مسیر آزاد میانگین یون در گاز، انرژیای که در اثر برخورد از دست میدهد و توزیع انرژی، بستگی دارد که در یک گاز معلوم برای یک یون خاص، ثابت میماند. ‏جدول (2-1) نشان دهنده روانروی، ضریب انتشار و مسیر آزاد میانگین چند یون را در گازهای خودشان نشان میدهد.

یک رابطه مفید بین روانروی4 و ضریب انتشار وجود دارد که به صورت زیر است:
µ_+=e/KT D_+
که این رابطه رابطهی نرنست – انیشتین5 است، K ثابت بولتزمن و T دمای مطلق است.
برای مخلوطهای گازی، قابلیت روان روی مؤثر، توسط رابطه ‏(2-8) محاسبه میشود، که قانون بلانس6 نام دارد

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

1/µ_+ =∑_(j=1)^n▒c_j/(µ_+^ij )
n تعداد نوع گاز در مخلوط گازی و µ_+^ij قابلیت حرکت یون i در گاز j ام و c_j غلظت حجم گاز j ام در مخلوط گازی است.
سرعت سوق یونها حدوداً دو یا سه مرتبه کمتر از سرعت سوق الکترونها است، به همین دلیل تجمع بار فضایی اتفاق میافتد که این تجمع، باعث کاهش میدان الکتریکیای که بارها تجربه میکنند و در نتیجه باعث کاهش ارتفاع پالس در الکترود بازخوان میشود.

حرکت الکترونها
اگر میدان الکتریکی یکنواختی بین دو الکترود اعمال شود، الکترونها به دلیل داشتن جرم کم به سرعت شتاب میگیرند و انرژیشان افزایش مییابد. این انرژی به دلیل کم بودن جرمشان خیلی زیاد نیست. الکترونها در برخوردهایشان انرژی از دست میدهند که آن هم کم است و به دلیل این برخوردها انرژی متوسطشان افزایش مییابد و متعاقباً توزیع انرژیشان نمیتواند توسط توزیع ماکسول توصیف شود.
در امتداد خطوط میدان الکتریکی، الکترونها با سرعت V_d حرکت میکنند که معمولاً سرعتشان یک مرتبه کمتر از سرعت گرمایی V_e است. با این حال اندازه سرعت سوق به میدان الکتریکی بستگی دارد. به طور تقریبی وابستگی سرعت سوق به میدان الکتریکی به صورت زیر است [5]:
v_d=(2eEL_mt)/(3m_e ¯v_e )
که L_mt متوسط تکانه الکترونها است.
اثرات ناخالصی بر حرکت بار
اکثر آشکارسازهای گازی، به جای یک گاز با مخلوطی از گازها پر میشوند. درصد گازها در مخلوط، به نوع آشکارساز و کاربرد آن بستگی دارد، علاوه بر اینها آشکارساز دارای ناخالصی نیز است که باعث تنزل عملکرد آن میشود. اکثر این ناخالصیها گازهای پلی اتمی7 مانند اکسیژن و هوا هستند. ناخالصیها دارای تعداد زیادی سطح انرژی لرزشی هستند، بنابراین میتوانند الکترونها را جذب کنند، معمولا این ناخالصیها دارای ضریب جذب الکترونی8 به نسبت زیادی هستند، به همین دلیل باید مد نظر قرار گیرند. مهمترین اثر این ناخالصیها جذب الکترونها و در نتیجه تضعیف سیگنال است.
دو روش برای جذب الکترون9 در آشکارسازهای گازی وجود دارد.
جذب تشدیدی10
جذب تجزیهای11
جذب تشدیدی به صورت زیر است:
e+x ⟶ x^(-*)
که X ملکول گاز و علامت * نشان دهنده حالت برانگیختهی آن است. برای برگشتن به حالت پایه ملکول میتواند انرژیاش را به ملکول دیگری بدهد و یا میتوانند الکترونی را ساطع کند.
x^(-*)+s ⟶ x^-+ s^*
x^(-^* )⟶x+e

در اینجاS میتواند هر ملکول گازی در گاز باشد ولی به طور معمول ناخالصیای است که به آن اضافه میشود و گاز خاموش کننده12 نام دارد.

نواحی عملکرد آشکارسازهای گازی
‏شکل (2-1) نواحی مختلف عملکرد آشکارسازهای گازی را که بر حسب ولتاژ اعمال شده است نشان میدهد. یک آشکارساز میتواند در حالتهای مختلف کار کند، که تفاوتش با حالتهای دیگر مقدار بار تولید شده و حرکت آنها در حجم آشکارساز است. انتخاب یک حالت از نوع عملکرد آشکارساز به نوع کاربرد بستگی دارد و معمولاً برای استفاده بهینه از آشکارساز باید از آن در محدودهای از ولتاژهای اعمال شده در واحد ولت که مخصوص یک نوع خاص است، استفاده کرد. نواحی عملکرد آشکارساز در ادامه توضیح داده شده است.
تغییرات ارتفاع پالس تولید شده توسط انواع مختلف آشکارسازها بر حسب ولتاژ اعمال شده. دو نمودار مربوط به دو انرژی مختلف تابش ورودی است.
ناحیه بازترکیب13
در صورت عدم حضور میدان الکتریکی بارهایی که توسط عبور تابش تولید میشوند سریعاً برای تولید ملکول خنثی بازترکیب میشوند. با اعمال ولتاژ بایاس بعضی از بارها شروع به حرکت به سمت الکترودها با بار مخالف میکنند و با افزایش ولتاژ اعمال شده، نرخ بازترکیب کاهش مییابد و در نتیجه جریان عبوری از آشکارساز افزایش مییابد. به دلیل اینکه بازترکیب در این ناحیه محسوس است، جریان اندازهگیری شده در خروجی آشکارساز به طور کامل،انرژیای که تابش به جا گذاشته را مشخص نمیکند. بنابراین برای اندازهگیری خصوصیات تابش کارکرد آشکارساز در این ناحیه بیفایده است.
ناحیه اتاقک یونی14
در ناحیه بازترکیب، بازده جمع کردن جفتهای الکترون-یون با افزایش ولتاژ اعمال شده افزایش مییابد تا جایی که تمام بارهایی که تولید شدهاند جمع شوند. این شروعی برای تعریف ناحیه اتاقک یونی است که افزایش ولتاژ هیچ تأثیری روی جریان اندازهگیری شده ندارد زیرا تمام بارهایی که تولید شدهاند توسط الکترودها جمع شدهاند. جریانی که توسط الکترونیک وابسته در این ناحیه اندازهگیری میشود جریان اشباع نام دارد و با انرژی به جا گذاشته شده توسط تابش ورودی متناسب است، آشکارسازهایی که برای کار کردن در این ناحیه طراحی شدهاند اتاقکهای یونیزاسیون نام دارند.

ناحیه تناسبی15
جفتهای الکترون-یونی که توسط عبور تابش تولید میشوند جزء یونیزاسیونهای اولیه هستند، اگر این بارها انرژی کافی داشته باشند میتوانند جفتهای الکترون-یون دیگری هم تولید کنند، این فرایند، یونیزاسیون ثانویه نام دارد. یونیزاسیونهای بعدی هم اگر این یونها انرژی کافی داشته باشند نیز میتوانند اتفاق بیافتند. واضح است که این فرایندها در صورتی میتوانند اتفاق بیافتد که پتانسیل الکتریکی بالایی بین الکترودها اعمال شده باشد، و بارها سرعت بسیار زیادی بدست آورند. با وجودیکه یونها با بالا رفتن ولتاژ انرژی به دست میآورند، لکن الکترونها به دلیل جرم کم عامل ایجاد یونیزاسیونهای بعدی هستند. از این تکثیر بارها در میدانهای قوی، میتوان در آشکارسازهای تناسبی برای افزایش ارتفاع سیگنال خروجی استفاده کرد. با توجه به ‏شکل (2-1) میتوان نتیجه گرفت که ارتفاع پالس خروجی متناسب با انرژی است این دلیلی است که این دستگاهها را شمارنده تناسبی مینامند. در ادامه فرایند تکثیر بهمنی را بررسی میکنیم.

تکثیر بهمنی
برای آشکارسازهایی که در ناحیه تناسبی کار میکنند اعمال میدان الکتریکی قوی ( در حد چند kV/Cm ) غیر معمول نیست. این میدان الکتریکی زیاد نه تنها زمان جمع کردن بارها را کاهش میدهد، بلکه عاملی برای فرایند تکثیر بهمنی نیز میشود، که نتیجه تکثیر بارها افزایش دامنه پالس خروجی است. تا یک مقدار خاص ولتاژ بایاس، ولتاژ دامنه پالس خروجی متناسب با ولتاژ باقی میماند. آشکارسازهایی که در این ناحیه کار میکنند به عنوان شمارنده تناسبی شناخته میشوند. به دلیل وجود میدان الکتریکی قوی بین الکترودها، بارها در حین برخوردها خیلی سریع انرژی بدست میآورند و اگر این انرژی کل الکترون یا یون، بیشتر از پتانسیل یونیزاسیون مولکولهای گاز باشد، میتوانند مولکولها را یونیزه کنند و در نتیجه جفتهای بار دیگری نیز تولید کنند. اگر تمام شرایط، اعم از میدان الکتریکی، دما و فشار ثابت بمانند و میدان الکتریکی یکنواخت باشد،تغییر در تعداد جفتهای بار بر واحد طول مسیر متناسب با تعداد جفتهای بار است که به صورت زیر است:
dN/dx=αN
در اینجا N تعداد جفتهای بار و α اولین ضریب تاونزند16 است که نشان دهنده تعداد برخوردهایی است که باعث یونیزاسیون بر واحد طول مسیر ذره است و به صورت ساده، معکوس مسافت آزاد میانگین است.
α= 1/λ
=N_mol σ λ، مسافت آزاد میانگین برای یونیزاسیون است که N_mol تعداد مولکولهای گاز بر واحد حجم و σ سطح مقطع کل یونیزاسیون است. α به انرژیای که الکترون طی مسیر آزاد میانگین بدست میآورد و پتانسیل یونیزاسیون گاز بستگی دارد. نمودار زیر وابستگی ضریب تاونزند به میدان الکتریکی برای یک گاز معمولی را نشان میدهد، همانطور که از ‏شکل (2-2) پیداست آستانهای برای قدرت میدان الکتریکی وجود دارد که کمتر از آن، مقدار این کمّیت صفر است.
تغییرات ضریب تاونزند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای یک گاز معمولی

دسته بندی : پایان نامه ارشد

دیدگاهتان را بنویسید