Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí có kích thước trung bình

Trên thực tế, các electron có liên kết với nguyên tử nên nếu tốc độ của hạt mang điện tới nhỏ ngang với tốc độ chuyển động quĩ đạo của electron trên các lớp vỏ K, L thì xác suất xảy ra

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG MINH VĂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU DÒ BỨC XẠ HẠT NHÂN BẰNG KHÍ CÓ

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những vấn đề được trình bày trong luận văn này hoàn toàn là kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp mà tôi được giao

Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật về những vấn đề được trình bày trong luận văn này

Hoàng Minh Văn

Tóm tắt nội dung luận văn

Luận văn này trình bày các kết quả của việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí có kích thước trung bình”

Kết thúc quá trình thực hiện, đề tài đã đạt được một số kết quả bước đầu sau đây:

1 Đã nghiên cứu tổng quan lý thuyết về đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí

và cơ sở lý thuyết phương pháp chế tạo đầu dò

2 Đã thiết kế và chế tạo được một đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí có kích thước trung bình Đây là phiên bản đầu dò khí hình trụ đầu tiên tự chế tạo hoàn toàn bằng các vật liệu hiện có tại Việt Nam

3 Đã khảo sát, thử nghiệm một số đặc trưng của đầu dò này trong dải áp suất khí từ 1,25atm đến 3,50atm, ở 3 tỷ lệ khí (Ar + CO2) khác nhau là Ar/CO2 xấp xỉ bằng 96:4; 93,6:6,4; 92:8, và trong dải chênh lệch điện thế giữa anốt và katốt của đầu dò từ 100V đến xấp xỉ 800V

Các kết quả đạt được từ việc thực hiện đề tài này có thể là những dữ liệu và kinh nghiệm bước đầu để phát triển và hoàn thiện loại đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí hình trụ ở Việt Nam

Summarize

This dissertation presents some issues about the process of researching, designing, manufacturing and testing an average size type of the nuclear gaseous detector

After finished this work, we obtained some results as the following:

1 Have researched the general theory of the nuclear gaseous detector and the methods to design and manufacture it

2 Have designed and manufactured a nuclear gaseous detector (that has the average size) by only popular materials in Vietnam This detector is

a cylindrical nuclear gaseous detector and it has been made the first time in Vietnam

3 Have tested some characteristics of this detector in a large range of gas pressure (from 1.25atm to 3.5atm), in 03 different ratio of mixture gas Ar+CO2 (were 96/4; 93.6/6.4 and 92/8) and in the range of voltage dropped between anode and cathode of detector from 100V to approximate 800V

The attained results after doing this subject can be used as the data and experiences for developing this type of nuclear gaseous detector in Vietnam

Mục lục Nội dung Trang

Chương 3 – Một số khảo sát đầu dò khí kích thước

Mở đầu

Đầu dò bức xạ hạt nhân làm bằng khí là một loại cảm biến kinh điển, có thể

sử dụng được cả trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng các tương tác hạt nhân Cho đến nay loại đầu dò này vẫn là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân, đặc biệt là những phản ứng xảy ra kèm theo sự giải phóng hạt nặng có điện tích, thí dụ như các phản ứng loại (n, p), (n, xp), (n, α), (n, xα), (γ, p), (γ, xp), (γ, α) (γ, xα), (n, f), (n, xf) Trong rất nhiều trường hợp ứng dụng, đầu dò khí thuộc loại đầu dò bức xạ hạt nhân có thể hoạt động ở những điều kiện khắc nghiệt mà các loại đầu dò khác không thể chịu đựng được [1] Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến và chế tạo đầu dò khí với những tính năng mới và với chất lượng cao

hơn vẫn luôn luôn được các nhà vật lý quan tâm

Hiện tại ở Việt Nam mới chỉ chế tạo được một số đầu dò bức xạ bằng chất bán dẫn để ghi nhận bức xạ Roentgen và Gamma, còn các loại đầu dò bức xạ hạt nhân khác vẫn phải nhập của nước ngoài, rất đắt Trong khi đó hiện nay ở nước ta

có hơn 2000 nguồn đồng vị phóng xạ và khoảng 2000 – 3000 nguồn phát tia X (bức

xạ Roentgen) đang hoạt động nên cần có nhiều đầu dò để đo đạc bức xạ Do đó, việc thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ hạt nhân đang là yêu cầu cần được quan tâm và đầu tư thích đáng ở nước ta Hơn nữa, theo đề án số 17 trong kế hoạch tổng thể thực

hiện chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hoà bình dến năm

2020 ở nước ta đã được chính phủ phê duyệt ngày 23 tháng 7 năm 2007 thì việc chế tạo một số thiết bị đo đạc hạt nhân là một trong các vấn đề quan trọng của đề án

Hiện tại, hai chiếc đầu dò khí đầu tiên của Việt Nam (ĐDK1 và ĐDK2) đã được chế tạo tại Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường thuộc Viện Vật lý

Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hai đầu dò khí do Việt Nam tự chế tạo lần đầu tiên này đã được thử nghiệm thành công trong việc ghi phổ năng lượng của bức xạ alpha do nguồn đồng vị phóng xạ phát ra và ghi nơtron thông qua phản ứng (n,α) Các kết quả đáng khích lệ thu được từ việc nghiên cứu và khảo sát hai đầu dò này đã giúp Bộ môn tích luỹ kinh nghiệm và mở ra những hướng đi mới

trong việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các đầu dò tiếp theo Do vậy, trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài:

‘‘Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ hạt nhân

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phùng Văn Duân, người đã trực tiếp hướng dẫn và khích lệ tinh thần giúp em hoàn thành bản luận văn này Xin chân thành cảm ơn ThS Lương Hữu Phước,ThS Nguyễn Tất Thắng, ThS Lê Văn Miễn là những người đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực tập phục vụ cho việc làm luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, những người thân đã động viên, cổ vũ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Xin cảm ơn Trường Cao đẳng Hoá chất đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nhiệm vụ của mình

Học viên

Hoàng Minh Văn

Chương I Đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí 1.1 Ghi nhận các hạt nặng có điện tích

1.1.1 Sự tổn thất năng lượng

1.1.1.1 Sự tổn thất năng lượng do iôn hoá và kích thích các nguyên tử môi trường.

Một trong những đại lượng vật lý đặc trưng cho quá trình truyền qua môi

trường của hạt mang điện là độ mất năng lượng riêng, ký hiệu: - dE/dx Độ mất

năng lượng riêng là phần năng lượng mà hạt bị mất trên một đơn vị độ dài quãng đường mà hạt đi qua Độ mất năng lượng riêng do iôn hóa có thể được tính theo

công thức Bohr sau đây [8]:

I

v m N

v m

e z dx

e e

ion

2 2

4 2

2 ln

Trong đó : ze - điện tích của hạt nặng; e - điện tích nguyên tố; me - khối lượng nghỉ

của electron; Ne - mật độ electron; v – tốc độ chuyển động hạt nặng và I - thế iôn

hóa trung bình của nguyên tử môi trường

Có những công thức gần đúng chính xác hơn, công thức Bethe là một trong

4 2

) 1 ln(

2 ln

I

v m Z

N v m

e z dx

e ion

Trong đó : c - tốc độ ánh sáng; I = 13,5.z.1,6.10-12 erg = 13,5.z.10-6 MeV; N – số

nguyên tử chất hấp thụ trong một đơn vị thể tích; và Z - số thứ tự nguyên tố của chất hấp thụ: N = Ne /Z; và được xác định theo công thức:

A

N z

e

ρ

Trong đó : ρ - mật độ vật chất của chất hấp thụ (g/cm3); NA - số Avôgađrô; z - số thứ tự nguyên tố của nguyên tử chất hấp thụ; và A - số khối của chất hấp thụ

Công thức (1-2) cho thấy: Thứ nhất, độ mất năng lượng riêng do iôn hóa tỷ

lệ với bình phương điện tích của hạt, với mật độ electron của chất hấp thụ và 1/v 2 Đồng thời, (1-4) cho thấy độ mất năng lượng riêng của bức xạ tỷ lệ thuận với mật

độ chất hấp thụ Nếu chiều dày chất hấp thụ được biểu diễn theo chiều dày khối,

ρ.x, (có thứ nguyên g/cm2) thì tổn hao năng lượng trên một đơn vị độ dài khối

dE/d(ρx) gần như không đổi đối với mọi chất

- dE/dx

Khoảng cách từ nguồn Hình 1- 1 Sự phụ thuộc của độ iôn hoá riêng vào quỹ đạo của hạt α [8]

Thứ hai, độ mất năng lượng riêng phụ thuộc mạnh vào tốc độ của hạt tới Khi

tốc độ chuyển động của hạt giảm thì độ mất năng lượng riêng tăng lên Suy ra số cặp iôn sinh ra trên một đơn vị chiều dài quãng đường chuyển động của hạt tăng lên Điều đó đồng nghĩa với độ iôn hoá riêng tăng lên Đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ iôn hóa riêng vào đường đi của hạt iôn hoá trong chất hấp thụ được

gọi là đường cong Bragg Hình 1- 1 minh họa đường cong Bragg đối với hạt α có

năng lượng ban đầu cỡ một vài MeV [8]

Trong trường hợp hạt chuyển động với tốc độ không quá lớn có thể viết công thức (1-2) ở dạng như sau:

M I

E m M

N Em

z e dx

e

4 ln

2 4 2 ⋅

=

(1-5)

Vậy khi chuyển động với tốc độ nhỏ, độ mất năng lượng riêng gần như tỷ lệ

với khối lượng hạt tới (xem như ảnh hưởng của M ở dưới dấu loga yếu hơn so với

M đứng trước dấu loga) Công thức (1-5) giải thích tại sao hạt có M lớn thì lại có độ mất năng lượng riêng lớn hơn

Khi hạt tới có động năng rất lớn chuyển động trong môi trường thì xảy ra hiện tượng các nguyên tử ở gần quĩ đạo của hạt bị phân cực Hiện tượng này làm giảm trường điện từ tác dụng lên các electron ở xa quĩ đạo của hạt Hiệu ứng này tỉ

lệ với mật độ của vật chất (tức mật độ điện tử), vì vậy hiệu ứng này gọi là hiệu ứng mật độ Khi hạt tới có động năng nhỏ, điện tích của hạt tới có thể bị giảm dần do hạt

có thể bắt điện tử của môi trường, do đó khả năng iôn hóa của nó bị giảm theo Trên thực tế, các electron có liên kết với nguyên tử nên nếu tốc độ của hạt mang điện tới

nhỏ ngang với tốc độ chuyển động quĩ đạo của electron trên các lớp vỏ K, L thì xác

suất xảy ra va chạm iôn hóa nguyên tử trở nên rất nhỏ, nghĩa là độ mất năng lượng

riên (- dE/dx) giảm xuống rất nhanh Vì thế trên đường cong Bragg (hình 1- 1),

-dE/dx không tăng lên như theo công thức (1-2) mà lại giảm xuống đột ngột ở cuối quãng đường của hạt

Để tính đến các hiệu ứng kể trên, người ta đưa thêm vào công thức (1-2) các

hệ số hiệu chỉnh δ(liên quan tới hiệu ứng mật độ ở năng lượng cao) và U (liên quan

đến sự giảm khả năng iôn hóa ở năng lượng nhỏ) Độ mất năng lượng riêng của hạt khi đó được xác định chính xác hơn như sau [11]:

v m

e z dx

e e

ion

δ β β

2

2 2

4 2

) 1

(

2 ln

4

(1-6)

1.1.1.2 Sự tổn thất năng lượng do quá trình tán xạ đàn hồi

Các hạt nặng (có điện tích) với năng lượng nhỏ khi đi qua môi trường không

chỉ tương tác với các electron của nguyên tử (tương tác iôn hóa) mà còn có thể bị tán xạ đàn hồi (tán xạ Rutherford) do tác dụng của lực Coulomb của hạt nhân, nghĩa

là tương tác với hạt nhân Tương tác này có thể thay đổi hướng chuyển động cũng như năng lượng hạt tới

Độ mất năng lượng riêng của hạt do tán xạ đàn hồi trên hạt nhân nguyên tử, một cách gần đúng có thể được tính theo công thức sau [5]:

4 2 2

) 1 (

2 ln

.

v M

e Z z dx

hn txa

4 2

) 1

(

2 ln

4

v m

e z m

A

Z m dx

e e

p

e

txa

(1-8)

Trong đó : N - mật độ hạt nhân nguyên tử môi trường N=Ne /Z; Z - điện tích hạt

nhân môi trường; A - số khối của hạt nhân môi trường; và mp - khối lượng của prôtôn Thừa số:

Vì vậy, khi so sánh (1-2) và (1-8) cho thấy tổn hao năng lượng do tán xạ nhỏ hơn tổn hao năng lượng do iôn hóa vài nghìn lần và do đó

thường được bỏ qua Ví dụ như đối với prôtôn có năng lượng 10 MeV, (- dE/dx)txạ

trong nhôm chỉ chiếm khoảng 0,09 % tổn hao năng lượng riêng toàn phần, còn với năng lượng 100 MeV tỷ số này là 0,06 %

1.1.2 Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trường

Do bị mất năng lượng trên đường đi vì quá trình tương tác nên cuối cùng hạt nặng có điện tích bị dừng lại Độ dài quãng đường hạt đi được trong môi trường gọi

là quãng chạy của hạt Quãng chạy của hạt, R, được xác định theo công thức [9]:

Trong đó: E0 là năng lượng ban đầu của hạt khi đi vào môi trường

Thay (- dE/dx) từ công thức (1-2) vào (1-9) và xét cho trường hợp hạt chuyển động với tốc độ không quá lớn ta được [4]:

)

(v

f z

M

Trong đó : f(v) – hàm số phụ thuộc tốc độ chuyển động của hạt trong môi trường

Để tính được quãng chạy chính xác hơn, người ta đưa vào công thức (1-10)

Số hạng đầu tiên của biểu thức (1-11) tương ứng với quãng đường đi của hạt

từ điểm bắt đầu đi vào môi trường đến điểm mà độ mất năng lượng riêng tính theo

công thức (1-2) bắt đầu sai Số hạng thứ hai, C, ứng với quãng đường còn lại khi

động năng của hạt nhỏ, không phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của hạt Giá trị

của C được xác định từ thực nghiệm Ví dụ, đối với hạt α và prôtôn đi trong không khí dưới điều kiện tiêu chuẩn thì C = 0,2 cm

Trong trường hợp tính gần đúng có thể bỏ qua C Vì vậy, khi hai hạt có khối lượng là M1 , M 2, có điện tích z1 , z 2 cùng đi vào một môi trường vật chất với vận tốc

bằng nhau thì [4]:

2

1

2 2 2

1 2

1

z

z M

M R

E R

MeV E

E R

2009

1480

94

3180

0

8 0

0

5 0

;,

;,

, ,

α

α

(1-13)

Ví dụ: Eα= E 0= 5 MeV→ R = 3,51 cm

Eα= E 0= 30 MeV→ R = 68 cm

Công thức thực nghiệm đối với quãng chạy khối, Rmα, của hạt α có động năng giữa khoảng 4 MeV và 9 MeV [10] :

Rmα = AEα3 (g/cm2) (1-14)

A - số khối của hạt nhân nguyên tử môi trường; Eα - động năng của hạt α

1.1.3 Năng lượng trung bình để tạo một cặp iôn-electron và mật độ iôn hoá

Giả sử hạt nặng có điện tích bị hấp thụ trong một môi trường xác định nào

đó; E0 - năng lượng ban đầu của hạt; E1 – độ mất năng lượng của hạt do iôn hóa; E2

- năng lượng hạt tiêu tốn do kích thích các nguyên tử Có tương quan sau đây:

E N

E N

E

ion

2 2

kích thích nguyên tử cũng như xác suất iôn hóa và xác suất kích thích là những đặc trưng của môi trường hãm và không phụ thuộc vào tính chất của hạt tới

Bảng 1-1 cho thấy năng lượng tạo ra một cặp iôn-electron vào cỡ hai lần thế iôn hoá Đối với các khí trơ, xác suất xảy ra sự kích thích các nguyên tử là nhỏ, nên năng lượng tạo ra một cặp iôn- electron gần bằng thế iôn hóa, còn với các khí khác,

ví dụ ôxy khi va chạm không đàn hồi thường dẫn đến kích thích các phân tử, do đó năng lượng tạo ra một cặp iôn- electron lớn hơn thế iôn hóa hai lần

Số cặp iôn, η, tạo ra trên 1cm quãng chạy được gọi là mật độ iôn hóa Tức là:

ωbx

E

N = (1-18)

Bảng 1-2 Giá trị năng lượng trung bình cần tiêu tốn để tạo ra một

cặp iôn-eletron trong một số loại khí [8]

đi sẽ tỷ lệ với số cặp iôn – electron được tạo thành và có thể xác định được nhờ vào việc đếm số cặp iôn – electron đó

1.2 Đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí

1.2.1 Cấu tạo đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí

Đầu dò bức xạ iôn hoá với phần nhạy bằng khí được gọi tắt là đầu dò khí Nó

có cấu tạo rất đơn giản Đầu dò khí có thể có 2 hoặc vài điện cực Chất điện môi ngăn cách các điện cực là chất khí Các điện cực của đầu dò khí thường có dạng là các mặt phẳng song song cách đều nhau, hoặc là những mặt trụ hoặc mặt cầu

Vỏ Vỏ trụ Katôt

Anôt + Chất khí Katôt + Dây Anôt

Hình 1- 2 Đầu dò khí phẳng (a.) và đầu dò khí hình trụ (b.)

Điều khác biệt căn bản do ảnh hưởng của hình dạng các điện cực gây nên đối với hai loại đầu dò khí phẳng và đầu dò khí hình trụ là đặc điểm của cường độ điện trường trong không gian giữa các điện cực Nếu như đối với đầu dò khí phẳng, điện trường trong không gian giữa các điện cực có thể coi là đều thì đối với đầu dò khí trụ hoặc cầu, càng gần anôt điện trường càng mạnh và ngược lại Sự khác biệt này

có ảnh hưởng rõ rệt đến cơ chế xảy ra các hiện tượng vật lý trong đầu dò cũng như

sự dịch chuyển các điện tích trong điện trường giữa các điện cực Tuy nhiên trong thực tế người ta thường dựa vào chế độ hoạt động xác lập cho đầu dò để phân chia chúng thành các loại: buồng iôn hoá, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger – Muller

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động và phân loại đầu dò khí

theo chế độ hoạt động.

1.2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của đầu dò khí

Đầu dò khí có nguyên tắc hoạt động dựa trên cơ sở hiện tượng iôn hoá chất khí Khi phần tử bức xạ rơi vào vùng nhạy trong đầu dò thì gây ra hiện tượng iôn hoá phân tử khí, tức là tạo ra các cặp iôn và điện tử tự do (hình 1-3) Nếu đặt một điện áp một chiều thích hợp giữa anốt và katốt thì do tác dụng của lực điện trường, các điện tử chuyển động về phía anôt, các iôn chuyển động về phía katốt, khi đó ở lối ra của đầu dò ta sẽ thu được một tín hiệu điện ở dạng thế hoặc dòng điện Đo đạc

và phân tích tín hiệu điện này có thể cho ta các thông tin về phần tử bức xạ như loại bức xạ, cường độ bức xạ, năng lượng bức xạ,… nhờ vậy, ta có thể nhận biết và đánh giá về trường bức xạ

Hỡnh 1-3 Để mụ tả nguyờn tắc hoạt động của đầu dũ khớ

An ốt Kat ốt

B ức xạ

− U0 +

Thiết bị đo dũng điện

1.2.2.2 Phân loại đầu dò khí theo vùng hoạt động

Để tìm hiểu kỹ hơn về sự hoạt động của đầu dò khí ta khảo sát sự phụ thuộc của hiện tượng iôn hoá chất khí trong đầu dò vào điện áp giữa các điện cực Trong thực tế, hiện tượng iôn hoá xảy ra rất phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như cường độ điện trường trong không gian giữa các điện cực của đầu dò, bản chất

và áp suất chất khí trong đầu dò, Đặc biệt cơ chế iôn hoá phụ thuộc mạnh mẽ vào cường độ điện trường Hình 1-4 mô tả các chế độ làm việc của đầu dò khí ở chế độ xung [8]

(vùng 2) Nguyên nhân là các cặp iôn – electron tạo ra bởi bức xạ iôn hoá đã được thu hết về các điện cực (trạng thái bão hoà) mà không tái hợp được với nhau Nếu

cường độ bức xạ không thay đổi thì số cặp iôn-electron tạo ra là không đổi và do đó biên độ xung không thể tăng được nữa Đầu dò khí hoạt động với điều kiện của

vùng 2 được gọi là buồng iôn hoá Nói cách khác, vùng 2 là vùng làm việc của buồng iôn hoá và do đó ta có thể gọi vùng 2 là vùng iôn hoá

Khi điện áp nuôi tăng sang vùng 3 thì người ta thấy biên độ xung tăng lên Vì

ở vùng này cường độ điện trường mạnh, nên các điện tử sẽ được gia tốc Nhờ đó, động năng của hạt điện tử đạt tới mức có thể gây ra sự iôn hoá các phân tử khí khác

khi chúng va chạm với nhau Sự iôn hoá này được gọi là sự iôn hoá thứ cấp Do sự

iôn hoá thứ cấp nên số cặp iôn –electron thu được ở các điện cực tăng lên, người ta

nói rằng trong đầu dò xảy ra hiện tượng khuếch đại khí Nhờ quá trình này nên biên

độ xung ra tăng lên Điều đáng chú ý là sự khuếch đại khí xảy ra trong vùng 3 có đặc điểm tuyến tính, biên độ xung ra tỷ lệ tuyến tính với số cặp iôn ban đầu được tạo ra bởi bức xạ Cũng vì lý do đó nên đầu dò khí làm việc với chế độ hoạt động tại

vùng 3 được gọi là ống đếm tỷ lệ Tức là trên đồ thị hình 1-5 thì vùng 3 là vùng làm việc của ống đếm tỷ lệ nên người ta còn gọi vùng 3 là vùng tỷ lệ

Tại vùng 4 thì sự khuếch đại khí càng trở nên mạnh mẽ hơn nhưng biên độ

xung ra không còn tỷ lệ tuyến tính với năng lượng của hạt đã bị hấp thụ trong vùng nhạy Lý do là vì sự khuếch đại khí tăng lên nên số cặp iôn được tạo ra rất nhiều, các hạt điện tử nhanh chóng trôi tới anôt trong khi các iôn dương do rất nặng hơn điện tử nên chuyển động chậm chạp về katôt Sự kém linh động của các iôn dương tạo nên một đám mây iôn chậm phân tán làm suy giảm và méo cường độ điện trường trong đầu dò Kết quả là quá trình iôn hoá thứ cấp bị kìm hãm, do đó sự khuếch đại khí không còn tăng tuyến tính như vùng 3 nữa mà bị giảm đi Bởi vậy

vùng 4 được gọi là vùng tỷ lệ hạn chế

Khi điện áp giữa các điện cực của đầu dò tăng sang vùng 5 thì biên độ xung

lại tăng rất nhanh Vì rằng ở vùng này cường độ điện trường mạnh làm cho quá trình iôn hoá thứ cấp trở nên chiếm ưu thế hoàn toàn Bởi vậy, các điện tử trên đường tới anôt tạo ra một dòng “thác điện tử”, trong một thời gian rất ngắn đầu dò

sẽ bị phóng điện Một đặc điểm đặc biệt của vùng 5 là sự khuếch đại khí xảy ra rất mạnh do sự iôn hoá thứ cấp chi phối và nó xảy ra bất chấp số cặp iôn tạo ra ban đầu

là bao nhiêu Do đó, biên độ xung ra và không phản ánh được đặc trưng về năng lượng của hạt Đồng thời với quá trình phát triển thác lũ điện tử là việc tạo ra đám mây tích điện dương dày đặc làm suy giảm nghiêm trọng điện trường trong đầu dò Chính vì tác dụng như một phản hồi âm đó nên sự phát triển thác điện tử sẽ bị hạn chế lại và có thể tiến tới kết thúc hoàn toàn Đầu dò khí làm việc trong vùng này

được gọi là ống đếm Geiger – Muller Tức là vùng 5 là vùng làm việc của ống đếm

Geiger – Muller và bởi vậy có thể gọi vùng 5 là vùng Geiger – Muller

Cuối cùng nếu tiếp tục tăng điện áp sang vùng 6 thì trong đầu dò sẽ xảy ra sự

phóng điện tự duy trì

1.2.3 Các hiện tượng xảy ra trong vùng nhạy của đầu dò

1.2.3.1 Hiện tượng khuếch tán [9]

Do tham gia chuyển động nhiệt trong chất khí nên các điện tử và các iôn có thể di chuyển từ nơi mật độ của chúng cao tới nơi mật độ của chúng thấp Hiện

tượng này được gọi là hiện tượng khuếch tán Hiện tượng khuếch tán chỉ đáng kể

khi không có điện trường hoặc điện trường giữa các điện cực của đầu dò yếu, lúc đó các iôn và điện tử có thể chuyển động thậm chí ngược với chiều tác dụng của điện trường Khi điện trường mạnh thì có thể bỏ qua chuyển động khuếch tán vì lực điện trường sẽ làm cho chuyển động định hướng của các hạt theo sự tác dụng của điện trường chiếm ưu thế hoàn toàn

1.2.3.2 Hiện tượng tái hợp [8] & [9].

Trong quá trình chuyển động của các điện tử và các iôn trong một khối khí

nào đó có thể xảy ra hiện tượng tái hợp Sự tái hợp xảy ra ở nhiều dạng khác nhau

và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vận tốc chuyển động của các hạt, bản chất hạt

mang điện, bản chất phân tử khí, áp suất khí,… Hiện tượng tái hợp làm suy giảm mật độ hạt có điện tích trong khối khí

Nếu một điện tử tự do va chạm với một iôn dương mà lực tương tác Coulomb giữa chúng thắng thế thì chúng sẽ kết hợp với nhau để tạo ra một nguyên

tử (hoặc phân tử ) trung hoà, đó là sự tái hợp điện tử Một quá trình tái hợp khác có thể xảy ra trong khối khí là là sự tái hợp iôn Đây là kết quả của sự truyền điện tử từ

iôn âm sang iôn dương và tạo ra hai nguyên tử (hoặc phân tử) trung hoà khi xảy ra

sự va chạm giữa một iôn dương và một iôn âm Dễ thấy rằng sau quá trình đó mật

độ hạt mang điện trong khối khí chỉ có thể giảm xuống chứ không thể tăng lên được Rõ ràng sự tái hợp iôn sau quá trình iôn hoá chỉ có thể xảy ra nếu trong khối khí có các iôn âm mà các iôn âm chỉ xuất hiện nếu có mặt các chất khí có khả năng

bắt điện tử để trở thầnh iôn âm (loại khí có tính chất này được gọi tắt là khí âm, thí

dụ: ôxy, hơi nước, không khí, các khí thuộc nhóm halogen,…) trong khối khí Như

vậy, cần phải loại bỏ các khí âm khỏi khối khí nạp vào đầu dò khí Ngược lại, một

số chất khí như hyđrô, nitơ, nhóm hyđrô cacbon, đặc biệt các khí trơ như argon, neon,… có xác suất tạo thành iôn âm rất nhỏ nên thường được sử dụng làm khí nạp vào đầu dò

Để lượng hoá sự tổn thất điện tích do tái hợp cần chú ý rằng xác suất xảy ra

va chạm giữa các hạt thì tỷ lệ thuận với mật độ mỗi loại hạt điện tích (dương hoặc âm) Như vậy tốc độ tái hợp cũng có nghĩa là tốc độ tổn thất điện tích trong khối khí sau quá trình iôn hoá có thể được biểu diễn như sau [8]:

− +

− +

dn

Trong đó: α - hệ số tái hợp, phụ thuộc bản chất chất khí và tốc độ chuyển động

tương đối giữa các các hạt mang điện trái dấu, n + - mật độ của các hạt điện tích

dương và n−- mật độ của các hạt điện tích âm Có thể coi gần đúng: n + = n−

Tốc độ chuyển động tương đối giữa các hạt càng nhỏ thì xác suất xảy ra tái hợp càng lớn Mặt khác, vì khối lượng iôn (âm hoặc dương) có thể coi xấp xỉ bằng

nhau và rất lớn hơn khối lượng điện tử nên trong cùng một điện trường, tốc độ

chuyển động của iôn sẽ rất nhỏ hơn tốc độ của điện tử Điều đó dẫn đến xác suất

xảy ra tái hợp iôn rất lớn hơn so với xác suất tái hợp điện tử

1.2.3.3 Chuyển động của các hạt điện tích trong điện trường của đầu dò khí

Khi có mặt điện trường thì ngoài chuyển động nhiệt, các iôn và điện tử còn

tham gia chuyển động định hướng dọc theo đường sức của điện trường về các điện

cực tương ứng Sự chuyển động định hướng của chúng sẽ tạo ra tín hiệu điện ở

mạch ra của đầu dò

Giả sử j là mật độ dòng điện tạo ra do chuyển động định hướng của các hạt

mang điện trong điện trường của đầu dò thì:

j = j + + j− = n + e.ω+ + n−.e.ω- (1-20)

Trong đó :n + , n−- mật độ các phần tử mang điện dương và âm tương ứng; ω+ , ω− -

tốc độ chuyển động (cuốn, trôi) theo điện trường của chúng; và j + , j− - mật độ dòng

điện tương ứng tạo bởi các hạt mang điện dương và âm

a Sự trôi của iôn và điện tử

Khi chuyển động trong điện trường của đầu dò, các điện tử và iôn sẽ được

gia tốc do tác dụng của lực điện trường Tuy nhiên sự gia tốc này bị cản trở do va

chạm với các hạt khác (chủ yếu là các phân tử khí trung hoà điện) Đó là yếu tố hạn

chế tốc độ trung bình cực đại mà các hạt điện tích có thể đạt được trong quá trình

chuyển động theo điện trường Khi đó, sự chuyển động này của các iôn và điện tử

được gọi là sự trôi trong điện trường, vận tốc trung bình của chúng khi đó được gọi

là vận tốc trôi Nếu so sánh với vận tốc chuyển động nhiệt thì vận tốc trôi của các

iôn chậm hơn, nhưng ngược lại, của các điện tử thì cao hơn do điện tử rất nhẹ hơn

iôn [9]

Bảng 1-3 Tốc độ trôi của điện tử trong các loại khí ứng với

cỏc tỷ số E/p khỏc nhau [5]

0,3 0,4 0,57 0,82 1,3 3,0

- 0,51 0,62 0,87 1,31 2,7

0,31 - 0,4 0,73 - 4,0

- - - -

32

57

1,2 3,3 7,4 10,0 10,0 -

Các điện tử có khối lượng nhỏ hơn so với của iôn cỡ 103 lần nên tốc độ trôi của của điện tử lớn hơn của iôn cỡ 103 lần, điều này rất có lợi cho việc ghi nhận thành phần điện được tạo bởi chuyển động của electron trong đầu dò khí Tốc độ trôi trong hỗn hợp khí trơ với khí đa nguyên tử (như CO2 hoặc CH4) của điện tử rất lớn hơn tốc độ trôi của nó trong khí trơ thuần nhất Do đó, để làm tăng tính tác động nhanh cho đầu dò, người ta thường nạp hỗn hợp khí trơ và khí đa nguyên tử với tỷ

lệ khí đa nguyên tử chiếm vài phần trăm

0 E/p, 104 V/(cm.atm) 0,5 1,0 1,5

Hình 1- 5 Tốc độ trôi của điện tử phụ thuộc vào tỷ số E/p trong một số loại khí

Hình 1-5 cho thấy tốc độ trôi của điện tử trong như mêtal và hỗn hợp mêtal với argon (10%) [8]

b Sự khuếch đại khí [9]

Khi chuyển động trong điện trường điện tử sẽ được tăng tốc và do đó năng lượng của nó tăng dần Năng lượng mà nó thu được giữa 2 va chạm liên tiếp là:

λ - quãng đường điện tử chuyển động được giữa 2 lầnva chạm liên tiếp

Nếu cường độ điện trường đủ lớn để ∆ε đạt giá trị lớn hơn hoặc bằng thế

iôn hoá (Iiôn) thì điện tử sẽ iôn hoá phân tử khí mà nó va chạm Điện tử và iôn vừa được sinh ra trong sự kiện iôn hoá này được gọi là điện tử thứ cấp và iôn thứ cấp Điện tử thứ cấp và điện tử sơ cấp tiếp tục chuyển động trong điện trường và lại tiếp tục iôn hoá các phân tử khí khác Quá trình cứ như thế xảy ra và tạo thành một thác

lũ điện tử chuyển động về anôt

Số lần va chạm gây iôn hoá trên một đơn vị chiều dài đường đi của điện tử sẽ

là α = 1/λ Hệ số α được gọi là xác suất iôn hoá trên một đơn vị chiều dài của

quãng đường mà electron chuyển động theo điện trường hoặc hệ số Townsend thứ nhất Do đó nếu trên quãng đường dx có n điện tử bay qua thì sẽ có dn điện tử được

tạo ra bởi quá trình iôn hoá thứ cấp:

Xét trường hợp tổng quát khi điện trường không đều, lúc này α là hàm số của x - bề dài quãng đường mà điện tử chuyển động theo điện trường Do đó:

x

x

dx x

Trong thực tế, hệ số khuếch đại khí không thể lớn vô cùng vì tới một ngưỡng

nhất định nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện (cụ thể: K < 10 8 hoặcαx < 20) Hiện tượng này được gọi là sự hạn chế Raether [9]

Hệ số khuếch đại khí là một đại lượng đặc trưng quan trọng trong vùng tỷ lệ

Nó là một yếu tố quan trọng nhất đối với ống đếm tỷ lệ Do đó, người ta đã xây dựng nhiều lý thuyết nhằm tính toán hệ số α (hệ số Townsend thứ nhất) đối với các loại khí khác nhau Kết quả gần đây nhất được tìm ra bởi Rose và Kroff [9]:

B A

p exp

Trong đó: A và B - các hằng số phụ thuộc vào loại khí; p - áp suất khí; E- cường độ

điện trường trong vùng nhạy của đầu dò

Thực nghiệm chứng minh được rằng sự iôn hoá thứ cấp (sự khuếch đại khí) chủ yếu được tạo bởi quá trình iôn hoá do va chạm Ngoài ra đóng góp vào còn hai hiện tượng khác xảy ra đồng thời với quá trình va chạm đó là hiệu ứng quang điện trên katôt và sự bứt điện tử trên katốt của iôn dương có động năng lớn hơn 2 lần công thoát điện tử của katốt Các điện tử sinh ra từ các hiện tượng này cũng khởi tạo các thác lũ điện tử trong sự khuếch đại khí

c Sự phóng điện trong vùng Geiger-Muller

Trong vùng này, sự iôn hoá thứ cấp do va chạm chiếm ưu thế hoàn toàn Khi khi xảy ra sự iôn hoá thứ cấp thì có rất nhiều điện tử tự do được giải phóng Các điện tử này không những tiếp tục quá trình tạo thác lũ mới mà còn làm cho rất nhiều

phân tử trung hoà khác bị kích thích Các phân tử này khi giải phóng năng lượng trở

về trạng thái cơ bản sẽ phát ra rất nhiều phôtôn sóng ngắn nằm trong dải cực tím (UV) Các phôtôn UV sẽ gây ra hiệu ứng quang điện trên katôt là tạo ra điện tử tự

do Các điện tử này sẽ tiếp tục tham gia vào quá trình tạo thác mới,…Cứ như vậy thác lan truyền rất nhanh và tạo ra sự phóng điện trong đầu dò Khi quá trình phóng điện xảy ra thì trong đầu dò sẽ xuất hiện một đám mây iôn dương dày đặc làm suy giảm cường độ điện trường trong vùng nhạy của đầu dò Bởi vậy, điện trường trong

đầu dò không thể tiếp tục gây ra sự iôn hoá thứ cấp và do đó sự phóng điện có thể bị

dập tắt

1.2.4 Đầu dò khí phẳng

Buồng iôn hoá là một trong các loại đầu dò khí phẳng điển hình, buồng iôn hoá có thể hoạt động ở chế độ dòng, hoặc là chế độ xung Hai chế độ làm việc này của buồng iôn hoá có một điểm khác biệt đáng quan tâm cơ bản là phương pháp ghi nhận tín hiệu được tạo bởi hiệu ứng iôn hoá do bức xạ Nếu nó hoạt động ở chế độ dòng, ta có buồng iôn hoá dòng và nếu nó hoạt động ở chế độ xung thì ta có buồng iôn hoá xung.

1.2.4.1 Buồng iôn hoá dòng

Hình 1-6 mô tả sơ đồ nguyên lý mạch điện của buồng iôn hoá dòng Các bức

xạ khi đi vào vùng nhạy của buồng iôn hoá sẽ tạo ra các hạt có điện tích âm và dương Do tác dụng của lực điện trường chúng sẽ chuyển động về các điện cực và tạo ra dòng điện ở mạch ra của đầu dò

Hỡnh 1-6 Sơ đồ nguyờn lý mạch điện của buồng iụn hoỏ dũng

Cường độ dòng điện bão hoà là thước đo chính xác mức độ iôn hoá của bức

xạ rọi tới Giả sử trong 1 đơn vị thời gian, trung bình có n phần tử bức xạ iôn hoá

rơi vào buồng và q là lượng điện tích tạo ra bởi 1 phần tử bức xạ sau quá trình iôn

hoá, khi đó cường độ dòng điện bão hoà có giá trị là:

Trong đó: E - năng lượng phần tử bức xạ để lại trong buồng; ω - năng lượng cần

thiết để tạo một cặp iôn - electron;e - điện tích nguyên tố

Trong thực tế, giữa các điện cực của buồng iôn hoá luôn có dòng điện rò

chạy qua Dòng rò này sẽ cộng thêm vào dòng iôn hoá và gây ra sai số phép đo khi

ta khảo sát, đo đạc Đặc biệt, nếu trường bức xạ yếu thì ảnh hưởng của dòng rò sẽ

rất đáng kể và không những gây ra sai số lớn, mà nó còn làm hạn chế khả năng phát

hiện dòng điện iôn hoá của buồng iôn hoá Do đó người ta thường sử dụng thêm

một vài điện cực làm vòng bảo vệ (hình 1-7.a) để tránh ảnh hưởng của dòng rò

1 Tấm cách điện giữa cực vòng bảo vệ và Katôt 2 Vòng bảo vệ

3 Tấm cách điện giữa cực vòng và Anôt R cđ1 và R cđ2 : Điện trở cách điện

Trên mạch điện tương đương của buồng iôn hoá khi mắc cực vòng bảo vệ (hình 1 – 7.b), ta thấy rõ ràng dòng rò sẽ đi qua cực vòng bảo vệ xuống đất mà không đi vào mạch đo có điện trở tải R Nhờ vậy, tránh được ảnh hưởng của dòng

rò

1.2.4.2 Buồng iôn hoá xung [11- tr.148]

a Sơ đồ nguyên lý mạch điện và quá trình tạo xung:

Hình 1- 8 Sơ đồ nguyên lý mạch điện buồng iôn hoá xung

Hình 1-8 là sơ đồ nguyên lý mạch điện buồng iôn hoá xung Khi một phần tử bức xạ lọt vào buồng sẽ tạo ra các điện tử và các iôn dương Các điện tử và các iôn dương này sẽ chuyển động về các điện cực tương ứng do tác dụng của lực điện

trường, làm xuất hiện tại lối ra của buồng một xung điện Do đó, buồng iôn hoá hoạt động và cung cấp tín hiệu ra ở điều kiện này được gọi là buồng iôn hoá xung

Theo lý thuyết của Ramo – Shockley: khi một phần tử có điện tích bằng q chuyển động tương đối so với một dây dẫn (có điện thế khác 0) thì nó tạo nên trong dây dẫn một dòng điện cảm ứng xác định theo công thức [2]:

v(t) – tốc độ chuyển động của hạt có điện tích q tại thời điểm t; E(t) – Cường

độ điện trường theo phương của véc tơ v tại toạ độ của điện tích q khi hạt điện tích

tích số RC là hằng số thời gian của buồng

ở khoảng cách một vài cm thì thời gian điện tử chuyển động tới anốt vào cỡ

10-6s và thời gian iôn chuyển động tới katốt cỡ 10-3 s, do vậy để tín hiệu ra phản ánh

sự đóng góp của toàn bộ electron và iôn dương thì hàng số thời gian của buồng iôn hoá phải lớn hơn hoặc bằng 10-3s Với hằng số thời gian lớn như vậy thì thời gian tạo dạng xung sẽ lớn, dẫn đến xác suất chồng chập xung về thời gian là rất cao và tốc độ đếm xung bị hạn chế Do đó, buồng iôn hoá xung thường được làm việc ở

chế độ thu điện tử để tăng tốc độ đếm xung Buồng xung trong trường hợp này được

gọi là buồng xung điện tử Đối với buồng xung điện tử, hằng số thời gian thường

được chọn ở khoảng giữa thời gian thu điện tử và thời gian thu iôn Tuy nhiên, biên

độ xung ra từ buồng xung điện tử thường nhỏ và chịu ảnh hưởng rất lớn bởi vị trí tại

đó xảy ra sự iôn hoá Để giải quyết sự bất cập này, người ta thường sử dụng buồng xung điện tử có lưới

c Buồng xung điện tử có lưới

Vì buồng xung điện tử làm việc ở chế độ thu điện tử nên biên độ xung ra nhỏ

và chịu ảnh hưởng sâu sắc của vị trí iôn hoá ban đầu Trong thực tế các phần tử bức

xạ lọt vào vùng nhạy của buồng iôn hoá theo nhiều phương khác nhau Do đó biên

độ xung ra sẽ khác nhau đối với các phần tử bức xạ lọt vào vùng nhạy theo những hướng khác nhau Hiệu ứng mô tả sự phụ thuộc của biên độ xung ra vào vị trí iôn

hoá ban đầu và hướng bay của chùm tia tới được gọi là hiệu ứng cảm ứng Vì ảnh

hưởng của hiệu ứng cảm ứng nên một chùm phần tử bức xạ đơn năng có thể tạo ra một dải biên độ xung khác nhau Điều này rất bất lợi đối với phép đo năng lượng của bức xạ

Hình 1- 9 Buồng iôn hoá xung điện tử có lưới

Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng buồng xung điện tử có lưới

Sơ đồ nguyên lý của nó được mô tả trên hình 1-9, lưới G được đặt giữa anôt (A) và katôt (K), chia thể tích buồng thành 2 phần Điện thế của lưới được thiết lập cao hơn

của katôt nhưng thấp hơn của anôt nhờ bộ phân áp R1 và R2 Lưới được thiết kế sao cho các điện tử dễ dàng xuyên qua và thâm nhập vùng không gian giữa G và A

Người ta bố trí sao cho các phần tử bức xạ chỉ gây ra hiện tượng iôn hoá trong vùng không gian giữa katôt và lưới

Với cách bố trí như vậy, chuyển động của các cặp iôn-điện tử trong không

gian giữa K và G chỉ gây ra các xung điện cảm ứng trên lưới (theo định lý Ramo –

Shockley) mà không tạo thành tín hiệu ở lối ra của đầu dò Ngay khi các điện tử

xuyên qua lưới và bắt đầu chuyển động đến anốt thì giữa 2 đầu điện trở tải anốt, RA

xuất hiện một độ chênh lệch điện thế Khi các điện tử tới anôt thì độ chênh lệch điện

thế giữa 2 đầu điện trở tải anốt đạt cực đại URmax:

C

e n

Trong đó: URmax – biên độ xung ra;

n0 – mật độ điện tử tạo thành do bức xạ iôn hoá;

e - điện tích nguyên tố;

C - điện dung tương đương tại lối ra của buồng iôn hoá

Hiệu điện thế cực đại này chính là biên độ tín hiệu xung ra Rõ ràng, biên độ xung không còn phụ thuộc vào hiệu ứng cảm ứng

1.2.5 Đầu dò khí hình trụ.

Các đầu dò khí phẳng có điện trường giữa các điện cực coi như là đều và khi

tăng điện thế giữa các điện cực của đầu dò khí thì đến một giới hạn nhất định sẽ xảy

ra sự iôn hoá thứ cấp – nguyên nhân cơ bản khởi tạo các thác lũ điện tử trong đầu

dò dọc theo vết của hạt bức xạ Như vậy, dù các hạt tới có cùng năng lượng thì biên

độ của các xung tín hiệu tạo ra sẽ rất khác nhau và phụ thuộc vào vị trí iôn hoá ban

đầu, đồng thời quan hệ giữa tín hiệu thu được với tổn hao năng lượng của hạt cũng

sẽ không thể tìm được Để khắc phục hạn chế này người ta sử dụng mô hình đầu dò

khí hình trụ như hình 1-10 [9]& [12]

Cường độ điện trường trong không gian giữa các điện cực của đầu dò khí

hình trụ cho bởi công thức [9]:

a b

U r

E

ln

Trong đó: a- bán kính dây anôt; b - bán kính trong của vỏ trụ katôt; r - bán kính từ

tâm dây anôt tới vị trí khảo sát trong vùng nhạy của đầu dò; U 0 - hiệu thế giữa anốt

và katốt; E - cường độ điện trường tại điểm cách tâm dây anốt một khoảng r

Hỡnh 1-10 Sơ đồ mặt cắt ngang đầu dũ khớ hỡnh trụ (a) và

mạch điện nguyờn lý (b)

Công thức (1-31) cho thấy cường độ điện trường trong không gian đầu dò

hình trụ tỷ lệ nghịch với khoảng cách r Do đó, ngay sát katôt, cường độ điện

trường rất yếu, nhưng ngược lại, tại vùng không gian sát bề mặt anốt (hoặc cách tâm dây anôt khoảng vài lần bán kính của nó) cường độ điện trường rất mạnh Nếu lựa chọn điện áp thích hợp thì các điện tử và iôn chỉ chuyển động trôi đơn giản về các điện cực tương ứng, nhưng khi các điện tử tới khu vực cường độ điện trường mạnh

đủ để gây iôn hoá thứ cấp thì lập tức chúng tạo ra thác lũ điện tử và tín hiệu ra được khởi phát mạnh mẽ Như vậy sự khuếch đại khí đã chiếm ưu thế và cũng vì thế, ảnh hưởng của vị trí iôn hoá ban đầu trở nên không đáng kể

Chương II Thử nghiệm thiết kế và chế tạo đầu dò khí kích thước trung bình 2.1 Một số vấn đề về thiết kế vỏ thiết bị chịu áp lực 2.1.1 Đặc tính cơ - lý của một số vật liệu cơ khí

Thực tế, các đầu dò khí thường làm việc trong điều kiện áp suất trong đầu dò khác với áp suất khí quyển Tức là áp suất trong đầu dò có thể là áp suất dư hoặc áp suất âm Như vậy, dù trong trường hợp nào thì vỏ của đầu dò đều chịu sự tác dụng của ngoại lực, nếu là áp suất dư thì khối khí sẽ nén lên vỏ từ phía trong ra và ngược lại, khí quyển sẽ nén lên vỏ từ phía ngoài vào Nếu lực này lớn quá giới hạn bền thì

vỏ đầu dò sẽ bị phá huỷ Do đó, khi thiết kế và chế tạo các đầu dò khí phải lựa chọn vật liệu và bề dày của nó để đầu dò có thể vận hành an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động

Vỏ các đầu dò khí thường được làm bằng nhôm hoặc thép không gỉ (thép hợp kim cao) tuỳ theo mục đích sử dụng Hiện tại, 2 đầu dò đầu tiên được chế tạo tại Bộ môn Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường – Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội đều có vỏ được làm bằng inox dày cỡ 3mm [5]

Nhôm là một kim loại nhẹ tương đối bền hoá học Tuy nhiên, khả năng chịu

áp lực của nó lại thấp và việc hàn các chi tiết bằng nhôm không đơn giản và đắt

tiền Không những thế, việc tháo, lắp nhiều lần các chi tiết bằng nhôm sẽ dễ gây biến dạng và có thể dẫn tới làm méo điện trường trong đầu dò

Thép không gỉ có độ bền cơ học và hoá học tốt hơn nhôm nên sẽ dễ dàng

khắc phục các nhược điểm mà nhôm mắc phải Tuy nhiên, khi thiết kế, chế tạo người ta thường phải tạo các cửa sổ mỏng để cho bức xạ đi vào vùng nhạy Nhưng một điều đáng lưu ý là các lượng tử gamma và các nơtron có thể dễ dàng xuyên

qua nó Do đó người ta có thể nghiên cứu phản ứng nα trong đầu dò khí có vỏ bọc làm bằng thép không gỉ

Để thiết kế vỏ của thiết bị chịu áp lực người ta thường phải quan tâm tới một

số thông số cơ bản của vật liệu như [7]:

- Nhiệt độ làm việc;

- áp suất làm việc;

- ứng suất cho phép;

- Hệ số bền mối hàn; và

- Hệ số bổ sung bề dày tính toán

Về nhiệt độ làm việc: Đầu dò khí thử nghiệm hoạt động ở điều kiện trong phòng làm việc (bình thường cỡ 270C đến 300C) nên nếu dùng thép không gỉ có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 10000C [7]thì coi như không có ảnh hưởng gì đáng kể

Về áp suất khí trong thiết bị: Đối với đầu dò khí, áp suất làm việc là áp suất

khí trong đầu dò, nó có giá trị từ vài chục phần trăm atm đến vài atm Khi chế chế tạo thiết bị cần lưu ý áp suất làm việc chỉ được phép nén đến cỡ tối đa là bằng áp suất thử và áp suất thử phải nhỏ hơn áp suất tính toán để đảm bảo an toàn cho người làm việc ở xung quanh và thiết bị

Về ứng suất cho phép: Đây là đại lường dùng để tính độ bền của thiết bị Với

đầu dò khí thì đại lượng cần quan tâm là độ bền nén, do đó ứng suất trong trường hợp này là ứng suất nén, [σ], đơn vị đo là N/mm2hoặc N/cm2

Về hệ số bền mối hàn (ϕh): Đây là đại lượng đặc trưng cho độ bền của mối

hàn so với độ bền của vật liệu cơ bản khi thực hiện hàn ghép nối các chi tiết của thiết bị với nhau bằng phương pháp hàn Với vật liệu là thép không gỉ thì nếu hàn giáp mối hai phía ta có ϕh =1, nếu hàn một phía ta có ϕh = 0,9 [7]

Về hệ số bổ sung bề dày tính toán (C): Đây là đại lượng cần chú ý khi thiết

bị làm việc trong điều kiện có ăn mòn hoá học và mài mòn cơ học Tuy nhiên với điều kiện làm việc của đầu dò khí trong quá trình thử nghiệm thì có thể coi như không có ăn mòn hoá học và mài mòn cơ học nên có thể bỏ qua hệ số bổ sung bề

dày tính toán (C = 0) Trong các trường hợp thực tế khác, điều này cần phải xem xét

kỹ lưỡng

2.1.2 Công thức tính toán bề dày vỏ thiết bị chịu áp lực [7]

Lớp vỏ của đầu dò khí một mặt phải đủ dày để chịu áp lực tốt, đảm bảo an toàn khi vận hành, mặt khác lại phải đủ mỏng để nó ít tương tác với bức xạ cần khảo sát Tuy nhiên, xét về mặt cơ khí thì vỏ đầu dò khí thuộc loại vỏ mỏng Khi

chế tạo loại thiết bị chịu áp lực vỏ mỏng người ta thường dùng phương pháp thân hình trụ hàn Đây là phương pháp đơn giản, phổ biến và đặc biệt nó cho phép chế

tạo các thiết bị chịu được áp suất dư tới cỡ 10N/mm2 ( xấp xỉ 100atm) hoặc trong điều kiện chân không

Trên cơ sở phương pháp vỏ mỏng người ta đưa ra công thức (2-1) để tính bề dày của vỏ thiết bị:

Trong đó: S - là bề dày thực của thân trụ; C - hệ số bổ sung bề dày tính toán;

và S’- bề dày tối thiểu của thân trụ:

t

D p S

ϕ

σ 2

Với: p - áp suất khí trong đầu dò, N/mm2;

D t - đường kính trong của ống trụ, mm;

ϕh - hệ số bền mối hàn; và [σ] - ứng suất cho phép của vật liệu, N/mm2

Vì có thể bỏ qua C, do đó ta có công thức tính bề dày vỏ trụ của đầu dò khí

là:

[ ]p D t

S S

ϕ

σ 2

.'=

2.2 Một số yêu cầu ban đầu

để tính toán, thiết kế đầu dò khí 2.2.1 Hình dáng, kích thước

Yêu cầu của đề tài là chế tạo đầu dò khí kích thước trung bình Cụ thể:

- Về hình dáng: Vỏ đầu dò có dạng hình trụ, đồng thời đảm nhiệm vai trò một điện cực của đầu dò là katôt Điện cực thứ hai, anốt, là một dây kim loại mảnh, nằm trên trục đối xứng của ống trụ

- Về kích thước: Đầu dò có kích thước trung bình, với bán kính khoảng vài cm

2.2.2 Khả năng chịu áp lực và hỗn hợp khí nạp vào đầu dò

a Khả năng chịu áp lực: Trong quá trình hút và nạp khí, áp suất khí trong

đầu dò có thể thay đổi từ 10−2mmHg đến 4atm Như vậy, vỏ đầu dò có thời điểm bị nén từ ngoài vào và có lúc lại bị nén từ trong ra

b Đảm bảo áp lực: áp suất khí phải được duy trì không thay đổi trong suốt

quá trình đo đạc thử nghiệm Như vậy, có thể theo dõi thường xuyên áp suất khí trong đầu dò bằng một áp kế

c Đảm bảo chân không: Nhiệm vụ của đề tài chỉ giới hạn việc khảo sát hoạt

động của đầu dò trong khoảng từ 1,50 atm đến 4,00atm nên chỉ cần chú ý đảm bảo chân không tốt khi nạp khí, tránh tối đa việc lọt khí iôn âm vào đầu dò

d Hỗn hợp khí nạp vào đầu dò: Khí nạp vào đầu dò gồm Ar và CO2, trong

đó CO2 chiếm vài phần trăm

2.2.3 An toàn điện

Đầu dò khí sẽ phải hoạt động trong điều kiện độ chênh lệch điện thế giữa các điện cực có thể lên tới 103V Bởi vậy, cường độ điện trường trong đầu dò có những

điểm có thể đạt giá trị rất cao (có thể lớn tới cỡ 104V/cm) Vì vậy, khi chế tạo đầu

dò, vấn đề cách điện phải được chú ý để đảm bảo an toàn điện cho người và thiết bị, đặc biệt là các thiết bị đo đạc kết nối trong hệ đo

2.3 Tính toán thiết kế và chế tạo đầu dò khí

2.3.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo vỏ và lựa chọn kích thước vỏ

Như đã phân tích mục 2.1.1, thép không gỉ là loại vật liệu có các ưu điểm vượt trội như dễ tìm kiếm, bền cơ, bền nhiệt, bền hoá học và có thể dễ dàng cho

nơtron truyền qua để nghiên cứu phản ứng nα Do vậy, thép không gỉ là loại vật liệu được ưu tiên lựa chọn để chế tạo vỏ đầu dò

Về kích thước, trong luận văn này, chúng tôi đã lựa chọn kích thước đầu dò

như sau:

- Đường kính trong của ống trụ: Dt = 4,00cm;

- Chiều dài đường sinh hình trụ: l = 9,00cm

Do vậy, thể tích vùng nhạy của đầu dò là V≈ 113cm3

2.3.2 Tính toán bề dày vỏ:

Theo công thức (2-3) ta có bề dày vỏ: [ ] h

t

D p S

ϕ

σ 2

Thay các giá trị vào chúng ta được:

1.140.2

40.10.81,9

=

Trong trường hợp Dt = 8cm = 80mm thì S ≅ 0,12mm

Một ống hình trụ mỏng như vậy khi hàn rất dễ bị thủng và va đập dễ bị bẹp

Do đó cần có thiết kế đặc biệt để tăng độ bền của ống trụ hoặc cần sử dụng lớp vỏ trụ dày hơn Trên thị trường thường có loại ống thép không gỉ có đường kính trong

cỡ 4cm và dày xấp xỉ 1mm Nếu dùng loại ống thép không gỉ này thì áp suất tối đa

2.3.3 Lựa chọn vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện được sử dụng để chế tạo giá đỡ dây anôt Trong quá trình lắp ráp và vận hành có một điểm đáng lưu ý là việc hàn nối dây anôt và điện cực

Nhiệt độ mối hàn là nhiệt độ cao (bằng nhiệt độ nóng chảy của thiếc) bởi vậy phải chọn vật liệu cách điện là teflon để vừa đảm bảo độ cách điện, vừa đảm bảo chịu nhiệt tránh gây biến dạng Các đặc tính của teflon được mô tả trên bảng 2-1[6]

Bảng 2-1 Một số đặc tính của nhựa teflon (polytetrafloetylen)

Độ chịu nóng Độ thấm nước sau

trường đánh thủng

đó, cần lưu ý nhất là điện trở suất và giới hạn bền để đảm bảo chịu được áp suất của chất khí nén trong đầu dò và chống được dòng rò giữa các điện cực Trong số các vật liệu điện hiện có trên thị trường, nhựa epocxi đã được lựa chọn Bảng 2-2 cho thấy một số đặc tính của nhựa epocxi

Bảng 2-2 Một số đặc tính của nhựa epocxi [6]

môi

Cường độ điện trường đánh thủng

1400C 800÷900KG/cm2 1014÷1015Ωcm 3 ÷ 4 20÷80kV/mm

2.3.4 Thiết kế và chế tạo vỏ đầu dò khí

Hình 2-1 cho thấy thiết kế của đầu dò khí đã được lựa chọn trong luận văn này

Hỡnh 2-1 Bản vẽ mặt cắt đi qua trục đối xứng của đầu dũ khớ

16 - Nhựa epocxi 17 - Đế teflon 18 - ống lớn 3

19 - Nắp mạch điện tử 20 - Điện cực 21 - Dây anôt

22 - Lỗ lắp giắc tín hiệu 23 - Lỗ lắp giắc cao áp 24 - Lỗ lắp bulông mặt bích

Trên hình 2-1, ngoại trừ các chi tiết 3, 6, 10, 13, và 16 được chế tạo từ cao su

và nhựa và các chi tiết 20, 21 được chế tạo bằng đồng, các chi tiết còn lại đều làm

bằng thép không gỉ Tất cả các mối hàn đều được hàn giáp mối 2 phía để có thể chọn hệ số bền hàn bằng 1 ống hút/nạp khí được hàn với mặt bích 1-1 Mặt bích này được ghép bằng 8 bu-lông M6 với mặt bích 1-2 thông qua đệm cao su 1 Mặt bích 1-2 được hàn với ống lớn 1, ống này được hàn vào đáy là vành khuyên 1 Vành khuyên 1 được hàn vào vỏ đầu dò, đầu còn lại của vỏ đầu dò được hàn vào vành khuyên 2, vành khuyên này lại hàn vào ống lớn 2 tương tự như vành khuyên 1 và ống lớn 2 được hàn với mặt bích 2-2 Mặt bích 2-2 được ghép với mặt bích 2-1 bằng 08 bu-lông M6 Trên mặt bích 2-1 được hàn ghép 2 chi tiết là ống lớn 3 và ống

vỏ điện cực Trong ống vỏ điện cực được đổ đầy nhựa epocxi và cắm điện cực vào

Đế teflon dùng để lắp ráp mạch điện tử của đầu dò được lắp trong lòng ống lớn 3

2.3.5 Lựa chọn đường kính dây anôt