3.4 Иондаған түрлендiргiштер

Иондаған түрлендіргіштер деп өлшенетін электрлік емес шама газдық ортаның электрондық және иондық өтімділігінің тогымен функционалды байланысатын түрлендіргіштерді айтады.

Электрондар мен иондар ағымы иондаушы агент әсерінен газдық ортаның иондануымен немесе термоэлектрондық эмиссия жолымен немесе газдық орта молекулаларын электрондармен атқылау жолымен және т.б. жолдармен иондаған түрлендіргіштерде алынады

Кез келген иондаған түрлендіргіштің міндетті элементі – сәулелену көзі мен қабылдағышы.

Иондаушы агенттер. Иондаушы агенттер ретінде α-, β-бөлшектері, γ-сәулелер және рентген сәулелері қолданылады:

• α-бөлшектер гелий ядросы болып табылады және оң зарядталған. Олар өте ауыр бөлшектер, сондықтан олардың энергиясы үлкен және өте күшті мондаушы агент болып есептеледі. Алайда ену қабілеті өте төмен. α – бөлшектердің ауадағы ең үлкен жүгіру ұзындығы 90 мм-ге тең, ал қатты денелерде бірлік немесе ондаған микрон қабаттарда жұтылып кетеді (мысалы, алюминий үшін жүгіру ұзындығы 0,05 мм). Сондықтан иондаушы агент ретінде α-бөлшектерді қолданғанда сәуле таратқыш түрлендіргіш ішіне орналастырылады;

• β-бөлшектер теріс зарядталған (электрондар) бөлшектер ағымы. Олардың энергия қоры аз, бірақ өтімділігі қатты денелерде бірнеше мм-ге жетеді (мысалы, алюминий үшін жүгіру ұзындығы 1,75мм-ге тең), сондықтан өлшеу техникасында β-бөлшектердің өтімділік қабілеті қолданылады және сәуле таратқыш түрлендіргіштен тыс орналастырылады;

•  γ сәулелері - толқын ұзындығы өте аз электромагниттік тербелістер.

Электромагниттік энергия үздіксіз емес, ал электрлік заряд тасымалдамайтын кванттармен немесе фотондармен сәуле шығарады, сондықтан да электрлік те, магниттік те өрімпен ауытқымайды; γ-сәулелер жарық жылдамдығымен таралады және өтімділік қабілеті жоғары (мысалы, алюминийде — 12 см-ге дейін);

• рентген сәулелері электромагниттік тербелістер болып табылады, бірақ толқын ұзындығы үлкен. Олар γ-сәулелердікі сияқты қасиеттерге ие және барлық заттармен сәулелене береді, егер соңғысы электрондармен немесе энергиясы жеткілікті басқа бөлшектермен атқылауға ұшыраса.  Осы сәулелерді өлшеу техникасында қолдану жарық өткізгіш денелер арқылы өту қабілетіне негізделген. Ионданған камера. Газдық ортаның радиоактивті заттардың немесе рентген сәулелерімен иондануы тәсілін қолданатын түрлендіргіштер ионданған камера және есептегіш деп аталады (3.17-сурет).

3.17-сурет. Ионданған камера схемасы:

1— камера; 2 — иондаушы агент; 3 — дене; 4 - электродтар

Газдық орта камерада 1 иондаушы агент 2 әсерінен ионданады. Камерада U кернеуі берілетін екі электрод 4 орналасқан. Камерада газ ионданғанда электрондар мен осы газдың оң иондарының ретті қозғалысы пайда болады, яғни берілген кернеу, иондаушы агент қасиеттерінің, иондалатын орта, камера қабырғалары, басқа да денелердің 3 фунциясы болып табылатын ионданған ток пайда болады. Ионданған токтың барлық осы факторлардан тәуелділігін пайдаланып, түрлі физикалық және геометриялық шамаларды өлшеу үшін ионданған түрлендіргіштерді қолдануға болады.

Сцинтилляциялық есептегіштер. Сцинтилляциялық есептегіштердің жұмыс принципі енетін әлсіз жарық жарқылы радиациясы – сцинтиляция әсерінен кейбір заттарға енуіне негізделген. Люминофор, фотокатод және фотоэлектрондық көбейткіштің бір жарық өтпейтін корпуста қиыстырылуы сцинтилляциялық есептегіш деп аталады.

Люминофорлар күміспен белсендендірілген кадмий және мырыш сульфиді кристалдарының қоспасынан дайындалады. Сцинтилляциялық есептегіштер зарядталған бөлшектерді, γ-кванттарды, нейтрондарды өлшеу үшін, γ-спектрі мен нейт­рондық сәулеленуді зерттеу үшін қолданады.

Масс-спектрометрлер. Масс-спектрометр түрлендіргіштері газ қоспасын зерттелетін газ қоспасының барлық оң зарядталған иондарының масса спектрін алу тәсілімен талдау үшін арналған.

Иондарды массасына қарай бөлу негізінде түрлі масса иондарының түрлі траекториямен жүруі арқасында элетр және магнит өрісі иондарына бір мезгілде әсер ету жүзеге асады.

Электр және магнит өрісі параметрлері мен масса арасындағы байланыс келесі теңдеумен сипатталады:

(3.3)

мұнда m — ион массасы; е — ион заряды; В — магнит өрісі индукциясы; r — электр және магнит өрісі әсерінен ионмен сипатталатын траектория радиусы; U — электр өрісінің кернеуі.

Сыналатын газ кішкене қысыммен иондаушы камераға енгізіледі (3.18-сурет), мұнда ол электрондар шоғының атқылауына ұшырайды. Атқылау кезінде пайда болған оң иондар потенциалдар айырымынан ΔU түзілген электр өрісі әсерінен үдеу алады. Иондаушы камера тесігі 3 арқылы ұшып шығып олар В индукциялы магнит өрісі әрекет ететін камераға тесік 2 арқылы түседі.

m/е шамасына байланысты магнит өрісі иондарды ауытқытады, олар радиустары r₁, r₂, r₃, және т.с.с. траекториямен қозғалады. Траектория радиусы r₃ иондар тесік 1 арқылы өтіп коллекторға түседі. Ол R кедергісі арқылы жермен қосылған. Уақыт бірлігінде өз коллекторын коллекторге беретін иондар санымен анықталатын ток R кедергісінде тұрақты ток күшейткішімен күшейетін және өзі жазатын құралмен V тіркелетін кернеу түсуін тудырады.

3.18-сурет. Масс-спектрометр құрылғысы:

1 – 3 –тесіктер; 4 - коллектор

Магнит өрісі индукциясын В өзгерте отырып U= const болғанда немесе керісінше, электр өрісі кернеуін U В = const болғанда өзгертіп түрлі масса иондарының 1 тесік арқылы коллекторға түсіп, жеткілікті кең аралықта диаграммада шыңдарға ие қисық алуға болады (3.19-сурет). Әр шыңның биіктігі газдық қоспадағы берілген масса иондар концентрациясының критериі болып табылады.

3.19-сурет. Иондардың масс-спектрометр камерасының тесіктері арқылы өту диаграммасы

Ионданушы ток мәнінің аз болуына байланысты (10^-9...10^-10А) өлшеу тізбегінің кіріс кедергісі өте жоғары болуы қажет (10¹²…10¹⁵ Ом), ағу тогы ионданушы токтан 2-3 ретке аз болуы үшін. Бұл басты және маңызды талапты кіріс кедергісі 10¹²…10¹³ Ом болатын электрондық өлшеу тізбектері қанағаттандырады.

Артықшылықтары: өлшенетін объектпен тікелей байланыссыз өлшеу мүмкіндігі. Олардың көмегімен агрессивті ортада, жоғары температурада, қысымда, т.б. өлшеу жүргізуге болады.

Иондаушы түрлендіргіштер көмегімен өлшеу қателіктері ең алдымен қолданылатын өлшеу құралының жетілмегендігімен анықталады. Әсіресе тұрақты ток күшейткішімен енгізілген қателік үлкен облады. Сондықтан осы қателікті азайту үшін иондаушы түрлендіргіштер нолдік тәсілмен алынады. Сонымен қатар радиоактивті заттың біртіндеп құлауымен және уақыт бойынша сәулелену көзінің тұрақсыздығымен шартталған қателікті де ескеру қажет.

Иондаушы агенттер қасиетіне байланысты иондаушы түрлендіргіштер түрлі шамаларды өлшеу құралдарында қолданылады. Мысалы, α –сәуле шығарушысы бар иондаушы түрлендіргіштер орын ауыстыруды өлшеуге қолданылады, себебі иондаушы камера тогы электродтар арасындағы қашықтыққа, газ тығыздығына, газдардың ағу жылдамдығына, түтіндік қоспаларлың саны мен газ ылғалдылығына тәуелді.

β-сәуле шығарушысы бар иондаушы түрлендіргіштер α-сәулешығарушылардың орнына жоғарыда келтірілген жағдайлардың кейбірінде, сондай-ақ беттік материал қалыңдығы мен жабын қалыңдығының байланыссыз тәсілімен өлшеу үшін қолдануға болады.

өтімділік қабілеті жоғары γ-сәуле шығарушысы бар иондаушы түрлендіргіштер зат тығыздығын, қалыңдығын, деңгейін өлшеу үшін қолданылады.