Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo Đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí có kích thước trung bình

Trong đỏ : ze - điện tích của hạt nặng; e - điện tích nguyên tố; m, - khối lượng nghỉ a-1 ctia electron; N; - mat dé electron; v — toc d6 chuyén động hạt nặng vả 7 - thế iôn hỏa trung

HOANG MINH VAN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KÉ, CITE TAO

Lời cam đoan

Tôi xin cam doan rằng những vấn dễ dược trình bảy trong luận văn này

hoàn toàn là kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của tôi trong quả trình thực

hiện để tải luận vin tốt nghiệp mà tôi được g1ao

'tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật về những vẫn để được trình bay trong luận văn nảy,

Hoàng Minh Văn

cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò búc xạ hạt nhân bằng khí có kích thước trung

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

và cơ sử lý thuyết phương pháp chế lạo đầu dò

Đã thiết kế và chế tạo được một đầu đò bức xạ hạt nhân bằng khi cỏ kích thước trung bình Đây lả phiên bản dầu dỏ khí hình trụ đầu tiên tự chế tạo hoàn toàn bằng các vật liều hiện có tại Việt Nam

Đã khảo sát, thử nghiệm một số đặc trưng cúa đầu do nay trong dai ap

suất khí tử 1,25atm đến 3.50atm, ở 3 ty lệ khí (Ar — CO;) khác nhau lả

Ar/CO, xp xi bang 96:4; 93,6:6,4; 92:8, vA trong dai chênh lệch điện thể giữa andt va katốt của đầu dỏ tử 100V đến xắp xỉ 800V

Các kết quả đạt được từ việc thực hiện để tải nảy có thể là những đữ

liệu và kinh nghiệm bước đầu để phát triển và hoàn thiện loại đầu đò bức xạ

hạt nhân bằng khí hính trụ ở Việt Nam.

Summarize

This dissertation presents some issues about the process of researching,

designing, manufacturing and testmg an average size type of the nuclear

gascous detector

Alter finished this work, we obtained some results as the following,

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

2 Ilave designed and manufactured a nuclear gaseous detector (that has

the average sizz) 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 ArtCO (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 delector in Vietnam.

Loi cam đoan

1.2 Đầu dò bức xa hạt nhân bằng khi

Chương 2 Thứ nghiệm thiết kế và chế tạo dâu dỏ khí

có kích thước trưng bình

2.1 Một sé wan dé vé thiét ké va thiét bi chin ap kre

2.2 Một sẻ yêu câu ban đâu để tính toán, thiết kế đầu đô khí 2.3 Tỉnh loán thiết kế và chế tạo dâu dò khí

Chương 3~ Một só khảo sát dầu đò khí kích thước

Mé dau Đầu dò bức xạ hạt nhân làm bằng khi là một loại cảm biển kinh diễn, cỏ thể

sử dựng được cả trong nghiên cửu cơ bán và nghiên cửu ứng đựng các tương tac hat

nhân, Cho đến nay loại đầu đò này vẫn là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu các

phân ứng hạt nhân, dặc biệt là những phân ửng xảy ra kẻm theo sự giải phỏng bạt xũng có điện tích, thí dụ nhụ các phân ứng loại (n, p), (n, xp), Gs, @), (n, x9), (y, p),

É, xp), (, đ) (%, xe), (n, 8, (ny xf) Trong rất nhiều trường hợp ứng dụng, đầu dò

khí thuộc loại đâu đỏ bức xạ hạt nhân có thể hơạt động ở những điều kiện khắc

nghiệt mà các loại đầu dò khóc không thẻ chịu đựng được |1] Vì vậy, việc nghiên

cửu cải tiễn và chế tạo đầu dò khi với những tình năng, mới và với chất lượng cao hơn vẫn luôn hiên được các nhà vật lý quan tâm

THên tại ở Việt Nam mới chỉ chế tạo được một số đâu dò bức xạ bằng chất bán dan dé ghi nhan bite xa Roentgen va Gamma, cén các loại dầu dé bức xa hat nhân khác vẫn phải nhập của nước ngoài, rất đắt Trong khi đỏ biện nay ở nước ta

có hơn 2000 nguồn đồng vị phóng xa và khoảng 2000 — 3000 nguồn phat tia X (bite

xạ Roentgen) dang hoạt động nên cần có nhiều dâu do dé do dạc bức xạ Do do, việc thiết kế, chế tạo đầu đỏ bức xạ hạt nhân đang lá yêu cầu cần được quan tâm và đầu tư thích đáng ở nước †a Hơn nữa, theo để án số 17 trong kế hoạch tổng thế thục hiện chiến lược ứng đụng năng lượng nguyên tử vì mục dich hoa bình đến năm

3020 ở nước ta đã được chính phủ phê đuyệt ngày 23 tháng 7 năm 2007 thì việc chế

tao một số thiết bị đo đạc hạt nhân là một trong các vân đẻ quan trọng của để án

THiện tại, hai chiée dan đò khí đầu tiên của Việt Nam (ĐDKI và ĐDK2) đã

được chế tạo tại Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường thuộc Viên Vật lý

Kỹ thuật, Irường Dai hoc Bach Khoa [a N6i, Lai dau dé khi do Việt Nam tự chế tạo lân đầu tiên này đã được thử nghiệm thành công lrong việc ghí phổ năng lượng, của bức xạ alpha đo nguồn đồng vị phéng x@ phat ra va ghi notron thông qua phán

ứng (na) Cáo kết quả đáng khích lệ thủ được tử việc nghiên cứu và khảo sát hai

đầu đỏ này đã giúp Bộ môn tích luỹ kinh nghiệm vũ mở ra những hướng đi mới

bằng khi có kích thước trang bình”?

Nhiệm vụ cụ thể của để tài lä khá lớn, bao gồm toàn bộ quá trình nghiên cứu, thiết kẻ, chế tạo, lắp ráp, khảo sát khả năng ứng dụng một đầu đỏ khí phiên bản thứ

3 (ĐDK3) Toàn bộ công việc diễn ra trong một thởi gian khả hạn hẹp và điều kiện

thực nghiệm khỏ khăn Thêm vào đó lả những hạn chế vẻ kinh nghiệm thục tẻ và

kiến thức chuyên môn nên những khiếm khuyết xảy ra trong quá trình thực hiện để

tài là không thể tránh khỏi Tuy nhiên, nhờ có sự chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ của

cáo thầy, cô giáo và các ban déng nghiệp, tỏi đã hoản thành được các nhiệm vụ

chính của mình trong quả trình thục biện để tải

Em xin bảy tỏ lòng biết ơn sâu sắc Lới PGS.TS Phing Vin Duan, người đã trực tiếp hướng, dẫn và khich lệ tình thần giúp em hoàn thánh bản luận văn nay Xin

chân thành cảm on ThS, Lương 1a Phước,Th5 Nguyén Tat Thang, ThS Lé Văn Miễn là những người đã giúp dỡ tôi trong suốt quá trình thực lập phục vụ cho việc

làm luận văn tốt nghiệp

Cudi cùng, xin cảm ơn gia đình, những người thân đã động viên, cỗ vũ tôi

trong suốt quả trình thực hiện luận văn Xin cảm ơn Trưởng Cao ding [lod chat a

tạo điều kiện thuận lợi để lôi thực hiện nhiệm vài của mình

Học viên

Hoàng Minh Văn

Chương I

Đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí

1.1 Ghỉ nhận các hạt nặng có điện tích

1.1.1 Sự tổn thất năng lượng

1.1.1.1 Sự tôn thất năng lượng do iôn hoá và kích thích

các nguyên từ 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 hiéu: - dE/dx D6 mat năng lượng riêng là phần năng lượng mà hạt bị mất trên một đơn vị độ dài quãng,

đường mà hạt đi qua Độ mắt năng lượng riêng do iôn hỏa có thẻ được tỉnh theo

công thức Bohr sau đây [S]

L2)

Trong đỏ : ze - điện tích của hạt nặng; e - điện tích nguyên tố; m, - khối lượng nghỉ

a-1)

ctia electron; N; - mat dé electron; v — toc d6 chuyén động hạt nặng vả 7 - thế iôn

hỏa trung bình của nguyên tử môi trường,

Có những công thức gẫn đúng chỉnh xác hơn, công thức Bethe là một trong

thử tự nguyên tô của nguyên tử chát háp thụ; vả <1 - số khói của chất hấp thụ

Công thức (1-2) cho thấy: 7hứ nhất độ mất năng lượng riêng do iôn hóa tỷ

lệ với bình phương điện tích của hạt, với mật độ electron của chất hập thụ và 7⁄4” Dong thời, (1-4) cho thấy độ mất năng lượng riêng của bức xa tỷ lệ thuận với mật

độ chất hấp thụ Nếu chiều dày chat hap thu được biểu diễn theo chiêu dày khối,

px, (co thir nguyén g/cm?) thì tổn hao năng lượng trên một đơn vị độ dài khỏi dE/d(px) gan như không đổi đổi với mọi chất

- dE/dx

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

Thứ hai, đồ mật năng lượng riêng phụ thuộc mạnh vào tốc độ của hạt tới Khi tốc độ chuyên động của hạt giảm thi dé mắt 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 đỏ đồng nghĩa với độ tôn hoá riêng tăng lên Đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ iôn hỏa riêng vảo đường đi của hạt ôn hoá trong chất hắp thụ được

gọi là đường cong Bragg Hình 1- 1 minh họa đường cong Bragg đối với hạt œ cỏ

năng lượng ban dau cỡ một vai MeV [8]

M đứng trước dâu loga) Công thức (1-5) giải thích tại sao hạt có M lớn thì lại cỏ độ

mắt năng lượng riêng lớn hơn

Khi hạt tới cỏ động năng rất lớn chuyên động trong môi trường thi xảy ra

hiện tượng các nguyên tử ở gản quĩ đạo của hạt bị phân cực Hiện tượng này làm

giảm trưởng điện từ tác dụng lên các electron ở xa quĩ đạo của hạt Hiệu ứng này tỉ

lệ với mật độ của vật chát (tức mật độ điện tử), vi vây hiệu ứng nảy gọi là hiệu ứng

mật độ Khi hạt tới cỏ đông 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 hỏa của nỏ bị giảm theo Trên thực tế, các electron có liên kết với nguyên tử nên nêu tốc độ của hạt mang điện tới nhỏ ngang với tốc độ chuyên động quĩ đạo của eleetron trên các lớp vỏ Ấ, ⁄ thì xác suất xây ra va chạm iôn hóa nguyên tử trở nên rất nhỏ, nghĩa là độ mắt năng lượng, rién (- dE/dx) giảm xuống rất nhanh Vì thể trên đường cong Bragg (hỉnh 1- 1), -dE/dx khong tăng lên như theo công thức (1-2) mà lại giảm xuống đột ngột ở cuối

quãng đường của hạt

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

hệ số hiệu chỉnh ổ (liên quan tới hiệu ứng mật độ ở năng lượng cao) và L/ (liên quan

đến sự giảm khả năng iôn hỏa ở năng lượng nhỏ) Độ mắt năng lượng riêng của hạt

khi đỏ được xác định chỉnh xác hơn như sau [1 1 ]:

(1-6)

1.1.1.2 Sự tôn thất năng lượng do quả trình tản xạ đàn hôi

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) ma còn có the bị

tan xa dan hoi (tản xạ Rutherford) do tác dụng của lực Coulomb của hạt nhân, nghĩa

lả tương tác với hạt nhân Tương tác nay có thẻ thay đổi hướng chuyển động cũng

như năng lượng hạt tới

Đô mắt năng lượng riêng của hạt do tản xạ đản hỏi trên hạt nhân nguyên tử, một cách gần đúng có thẻ được tính theo công thức sau [5]:

Trong d6: N- mat độ hạt nhân nguyên tử môi trường M=Mz⁄Z; Z - điện tích hạt

nhân môi trường; 44 - số khối của hạt nhân môi trường; và ø; - khối lượng của prôtôn Thừa sỏ: a we Vi vay, khi so sanh (1-2) va (1-8) cho thay tén hao

nang long do tan xa nhé hon tén hao nang Itong do ién héa vai nghin lan va do d6 thường được bỏ qua Ví dụ như đổi với prôtôn có năng lượng 10 MeV, (- đE⁄4)a¿ trong nhỏm chỉ chiếm khoảng 0,09 % tồn hao năng lượng riêng toàn phân, con 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 vỉ quả trình tương tác nên cuối củng hạt

nặng cỏ điện tích bị đừng lại Độ đài 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]

(1-9)

12

Trong đỏ: E¿ là năng lượng ban đầu của hạt khi đi vào môi trường,

Thay (- đZ/&) từ công thức (1-2) vảo (1-9) và xét cho trường hợp hạt

chuyển động với tóc độ không quá lớn ta được [4]:

M

Trong đó : ƒfv) hảm số phụ thuộc tốc độ chuyên động của hạt trong môi trường,

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

một số hiệu chính, C:

ay

R=3* ƒ@)+€ alt)

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 mắt năng lượng riêng tính theo công thức (1-2) bắt đầu sai Số hạng thứ hai, C, ứng với quãng đường cỏn lại khi động năng của hạt nhỏ, không phụ thuộc vào năng lượng ban đâu của hạt Giá trị

của € được xác định từ thực nghiệm Ví dụ, đối với hat œ và prôtôn di trong không khí dưới điều kiện tiêu chuẩn thì Œ = 0,2 em

Trong trường hop tính gần đúng có thẻ bỏ qua C Vi vay, khi hai hạt có khối lượng là A⁄¿, A⁄›, có điện tích z¿, z2 cùng đi vào một môi trường vật chất với vận tốc bằng nhau thi [4]

Khi chuyên động trong không khi ở điều kiện tiêu chuẩn (p = 1,033at, T =

273,16K) quãng chạy của hạt œ được xác định bởi công thức sau [10]:

R, =0/31821°:4< E;„ < 9Mel”

(1-13)

R, =0,148E)°:9<E, <200MeV

Ví dụ: Ea=Eœ Š5MeV->R= 3,51 em

Ew Eo 30 MeV> R= 68 cm, Công thức thực nghiệm đối với quấng chạy khối, /8„z, của hạt œ cỏ đông

năng giữa khoảng 4 MeV vả 9 MeV [10] :

44 - số khỏi của hạt nhân nguyên tử môi trường; E„- déng ning ctia hat

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 nảo

đó; Zo - năng lượng ban dau của hạt; Z; ~ độ mát năng lượng của hạt do iôn hóa; ›

~ năng lượng hạt tiêu tôn do kích thích các nguyên tử Cỏ tương quan sau đây:

Trong đỏ: Jin — thé i6n hod, @ - năng lượng trung bình để tạo ra một cặp iôn

— electron trong môi trường

Bảng 1-1 Năng lượng tạo một cặp iôn-electron và thế iôn hoỏ của một số loại khí

do tác dụng của bức xạ [9)

ví dụ ôxy khi va chạm không đàn hỏi thường dẫn đến kích thích các phân tử, do đó năng lượng tạo ra một cặp iôn- eleetron lớn hơn thể iôn hỏa hai lần

Số cặp iôn, ø, tạo ra trên Iem quãng chạy được gọi là mật độ ôn hóa Túc là:

Ey

ø

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

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

Khi Ar | He | Hy | Nz | Không khí | O; | CH¡

o, enhanh | 26,4 | 41,3 | 36,5 | 34.8 33,8 30,8 | 27,3 eV/cặp lôn œ 26,3 | 42,7 | 36,4 | 36,4 35,1 322| 29/1

Bang 1-2 cho thay gia tri đặc trưng tạo ra một cặp iôn — electron trong chất khi là ø30eV Giả sử økhông đổi đổi với loại bức xạ đã cho thi năng lượng mắt

di sẽ tỷ lễ với số cặp tôn — clcctron được tạo thành và có thể xác định được nhờ vào

việc đêm số cặn lồn — electron đó

1.2, Đầu dò bức xạ hạt nhân bằng khí

1.2.1 Câu tạo đầu dé bire xạ hạt nhân bằng khi

Dau dé bite xa in hoa véi phần nhạy bằng khí được gọi tắt là đầu đò khi Nó

cỏ câu tạo rất đơn giản Đầu đò khí có thế có 2 hoặc vài điện cực Chất điện môi

ngần cách cáo diện cực là chất khi Cáo điện cực của đầu dò khí thường có dang 1a các mặt phẳng song song cách đều nhau, hoặc là những mặt trụ hoặc mặt cầu

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

Điều khác biệt căn ban đo ảnh hưởng của hình dạng các điện cục gây niên đổi với hai loại đầu dò khi phẳng và đâu do khí hình trụ lá đặc điểm của cường độ điện

trường trong không gian giữa các điện cực Nếu như đổi với đầu đò khí phẳng, điện

trường trong không gian giữa các điện cực có thể coi là đều thì đổi với đâu do khí

trụ hoặc câu, cảng gần anôt điện trường cảng mạnh và ngược lại Sự khác biệt này

16

có ảnh hưởng rõ rệt đến cơ chế xây ra các hiện tượng vat lý trong dầu đỏ cũng như

sự địch chuyến các điện tích trong điện trường giữa các điện cực Tuy nhiên trong,

thục tẾ người ta thường dựa vào chế độ hoại động xác lập cho đầu dò để phân chia chủng thánh các loại: buông lồn hoả, ông dém tỷ 16 va dng dém Geiger Muller

lầư dò khí

1.2.2 Nguyên Lắc hoạt động và phân loại

theo ché dé hat dong

1.2.2.1 Nguyên tắc hoạt dộng cũu đầu đỏ li

Đầu dò khí có nguyễn tắc hoại động đựa trên cơ sở Ì

tượng Tên hoá chất

khi Khi phân tử bức xạ rơi vào vùng nhạy trong đầu dò thì gây ra hiện tượng iên hoá phân tử khi, tức là lạo ra các cặp lôn và điện tữ tự do (hình 1-3) Nếu đặt một

điện áp một chiều thích hợp giữa anốt vả kstốt thì do tác dụng của lục điện trường, các điện tử chuyển động vẻ phía anôt, các iôn chuyển động về phía katót, khi đó ở

ối ra của đầu dỗ ta sẽ thu được một tín Hiệu điện ở đạng thế hoặc dòng điện Đo đục

và phân tích tín hiệu diện này có thẻ cho ta các thông tin về phần bử bức xạ như loại bức xạ, cường độ bức xạ, năng lượng bức xạ, nhờ vậy, ta có thể nhận biết và đánh

1.2.2.2 Phân loại đầu dò khi theo vàng hoạt động

Dé tim hiểu kỹ hơn về sự hoạt động của đâu dỏ khí ta khảo sát sự phụ thuộc của hiện tượng iôn hoá chất khí trong đầu đỏ 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 yeu to 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 chẻ iôn hoá phụ thuộc mạnh mẽ vào cường độ điện trường Hình 1-4 mô tả các chế độ làm việc của đâu dé khi ở chế độ xung [8]

Hình 1-4 Các vùng làm việc của đầu dò khí

Tại vừng 1, do điện áp thấp nên cường độ điện trường giữa các điện cực của

đầu đỏ yêu, bởi vậy các cặp iôn - điện tử tự do tạo ra bởi bức xạ có thẻ tái hợp với nhau nên số iồn và điện tử thu vẻ các điện cực tương ứng sẽ nhỏ hơn số tạo thành

bởi quá trình iôn hoá Khi tăng hiệu điện thể giữa anôt vả katôt thì cường độ điện

trường tăng lên, do đó khả năng tái hợp giảm xuống, số cặp ién-electron chuyên

đông vẻ các điện cực tăng lên làm cho biên độ xung tăng theo Tuy nhiên, tới một

mức độ nảo đó thi biên độ xung không tăng nữa mặc đủ ta vẫn tăng điện áp UA

(vừng 2) Nguyên nhân là các cặp tôn — electron tạo ra bởi bức xạ tôn hoá đã được

thu hết về các điện cực (trang thái bão hoà) mà không tái hợp được với nhau Nều

18

cường dộ bức xạ không thay đổi thì số cặp iôn-clcctron tạo ra là không dỗi và do do

tiên độ xưng không thế tăng được nữa Đâu đỏ khí hoạt động với điều kiện của

vùng 2 được gọi là bung tôn hoá Nói cách khác, vùng 2 là vùng làm việc cửa

buông lồn hoá và do đó tạ có thể gọi vùng, 2 là vừng ôn hoá

hi dign 4p nuéi ting sang vứng 3 thi người ta thày biên độ xung tăng lên Vì

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

khi chủng va chạm với nhau Sự iôn hoá nảy được gọi là sự lồn hoá thứ cấp Do sự

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

nói rằng long đần đỏ xây ra hiện tượng khuếch đại khí Nhờ quả trình này tiên biến

độ xưng ra tăng lên Diễu đáng chủ ý là sự khuếch đại khí xảy ra trong vúng 3 có đặc điểm tuyến tính, biên độ xung ra tỷ lệ tuyến tỉnh với số cặp ồn ban đâu được

tạo ra bởi bức xạ Cũng vì lý đo đó nên đầu đỏ khí làra việc với chế độ hoại động tại

vùng 3 được gọi là dug dém từ lệ Tức là trên đỏ thị hình 1-5 thi vũng 3 là vimg làm việc của ông đêm tỷ lệ nên người ta còn gọi vùng 3 là vừøg ý lệ

Tại vàng 4 thì sự khuếch đại khí càng trở nên mạnh mẽ hơn nhẹ biên độ xưng ra không còn Lỷ lệ luyến tính với năng lượng của hạt dã bị hấp thụ trong vùng, nhạy Lý do là vi sự khuếch đại khi tăng lên nên số cặp iôn được tạo ra rất nhiều,

các hạt điện tử nhanh chóng trôi tới anôt trong khi các lồn dương do rất nặng hơn

điện tử nên chuyên động chậm chạp về katôt Sự kém linh động của các lồn dương,

tạo nên một dam may idn chậm phân tán làm suy giảm và méo cường độ điện

trường trong đầu dé Kết quả là quá trình iôn hoá thứ cấp bị kừa hãm, do đó sự khuếch dại khi không củn tăng tuyén tinh như vùng 3 nữa mã bị giảm di Bởi vậy vùng 4 được gợi là vùng £ lệ hạn chế

Ehi điện áp giữa các điện cực của đâu đỏ tăng sang vững 5 thì biên độ xung lại tăng rất nhanh Vì rằng ở vùng này cường độ điện trường mạnh làm cho qua trinh iôn hoá thử cấp trở nên chiếm ưu thể hoàn toản Hới vậy, các điện tứ trên

đường tới anôt tạo ra mat dong “thác điện tử”, trong một thời gian rât ngắn đầu đỏ

sẽ bị phỏng điện Một đặc điểm đặc biệt của vùng 5 là sự khuếch đại khí xây ra rất mạnh đo sự iôn hoả thứ cấp chỉ phối và nó xây ra bắt 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, Đỏng thời với quả trình phát triển thác lũ điện tử lả việc tao ra dam

mây tích điện dương dày đặc làm suy giảm nghiêm trọng điện trường trong đâu dỏ Chỉnh vi tác dụng như một phản hỏi âm đỏ nên sự phát triển thác điện tử sẽ bị hạn chế lại và có thẻ tiền tới kết thúc hoàn toàn Đầu đỏ khí làm việc trong vùng này được gọi là ống đếm Geiger — Muller Túc là vùng 5 lả vùng làm việc của ông đếm

Geiger — Muller va bai vay cé thé goi ving 5 là vừng Geiger— Muller

Cuối cùng nêu tiếp tục tăng điện áp sang vừng 6 thì trong đầu đỏ sẽ xây ra sự

phóng điện tự duy trí

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

1.231 Hiện tượng khuếch tản {9|

Do tham gia chuyên đông nhiệt trong chát khí nên các điện tử và các iôn cỏ

thể di chuyển từ nơi mật độ của chúng cao tới nơi mật độ của chúng thập Hiện tượng nay được gọi là hiện tượng khuếch tán Hiện tượng khuếch tán chỉ đáng ke khi không có điện trường hoặc điện trường giữa các điện cực của đầu dỏ yếu, lúc đỏ các tôn và điện tử có thể chuyên động thậm chỉ ngược với chiều tác dụng của điện trường Khi điện trưởng mạnh thì cỏ thẻ bỏ qua chuyên động khuếch tản vỉ lực điện

trường sẽ làm cho chuyên đồng định hướng của các hạt theo sự tác dụng của điện

trường chiếm ưu thế hoàn toản

1.2.3.2 Hiện tượng tái hợp |8] & [9]

Trong quả trình chuyên động của các điện tử và các iôn trong một khỏi khí nảo đó cỏ thẻ xảy ra hiện tượng tái hợp Sự tái hợp xảy ra ở nhiều dạng khác nhau

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

20

mang điện, bản chat phân tử khí, áp suất khí Hiện tượng tải hợp làm suy giảm mật độ hạt cỏ điện tích trong khỏi khi

Nếu một điện tử tự do va chạm với một iôn dương mả lực tương tác

Coulomb gitta chúng thẳng thẻ thì chúng sẽ kết hợp với nhau để tạo ra một nguyên

tử (hoặc phân tử ) trung hoà, đó là sự ¿ái hợp điện tử Một quả trình tải hợp khác có

thể xây ra trong khỏi khí là là sự ái hợp iôn Đây là kết quả của sự truyền điện tử từ

lôn âm sang lồn đương và tạo ra hai nguyên tử (hoặc phân tử) trung hoà khi xảy ra

sự va chạm giữa một iôn dương vả một iôn âm Dễ thây rằng sau quá trình đỏ mật

đô hạt mang điện trong khối khí chỉ có thể giảm xuống chứ không thẻ tăng lên được Rõ ràng sự tái hợp iôn sau quả trình iôn hoá chỉ có thẻ xảy ra nếu trong khỏi khi có các iồn âm mả các iôn âm chỉ xuất hiện nêu có mặt các chất khí có khả năng, bắt điện tử để trở thành iồn âm (loại khi cỏ tính chất này được gọi tắt là khí ẩm, thí

dụ: ôxy, hơi nước, không khí, các khí thuộc nhóm halogen ) trong khỏi khi Như

cân phải loại bỏ các khí âm khỏi khối khí nạp vào dau do khí Ngược lại, một

it khí như hyđrô, nitơ, nhóm hyđrô cacbon, đặc biệt các khi tro nhw argon,

neon, có xác suất tạo thảnh iỏn âm rất nhỏ nên thường được sử dụng lảm khi nạp

vao dau do

Để lượng hoá sự tổn thất điện tích do tải hợp cần chú y rang xác suất xảy ra

va chạm giữa các hạt thi tỷ lệ thuận với mật độ mỗi loại hạt điện tích (đương hoặc

âm) Như vậy tốc độ tải hợp cũng có nghĩa là tốc độ tồn thất điện tích trong khói khi sau quả trình iôn hoá có thẻ được biéu điển như sau [8]:

Tốc độ chuyên động tương đối giữa các hạt cảng nhỏ thì xác suất xảy ra tái hợp cảng lớn Mặt khác, vì khỏi hượng iôn (âm hoặc dương) có thể coi xáp xỉ bằng,

nhau vả rất lớn hơn khỏi lượng điện tử nên trong cùng một điện trường, tốc độ chuyên động của iôn sẽ rất nhỏ hơn tốc độ của điện tử Điều đó dần đến xác suất xảy ra tát hợp iôn rât lớn hơn so với xác suất tái hợp điện tử

1.2.3.3 Chuyên động của các hạt điện tích trong điện trường của đầu đò khi

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

tham gia chuyên động định hưởng dọc theo đường sức của điện trường vẻ các điện cực tương ứng Sự chuyển động định hưởng của chúng sẽ tạo ra tín hiệu điện ở

mạch ra của đầu dỏ,

Giả sử 7 là mật độ dòng điện tạo ra do chuyên động định hưởng của các hạt

mang điện trong điện trường của đầu dé thi:

Trong dé :n*, n° mat dé cac phan tir mang dién duong va 4m tuong img; @*, a -

tốc độ chuyển động (cuồn, trôi) theo điện trudng cita ching; va j*, 7” - mat dé dong

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

a Sự trôi của iôn và điện tứ

Khi chuyên động trong điện trường của dau dỏ, các điện tử và iồn sẽ được gia tốc do tác dụng của lực điện trường Tuy nhiên sự gia tốc nảy bị cản trở do va cham với các hạt khác (chủ yêu là các phân tử khi trung hoa điện) Đỏ là yếu tổ hạn chế tốc độ trung bình cực đại mả các hạt điện tích cỏ the đạt được trong quá trình chuyển động theo điện trường Khi đó, sự chuyền động nảy của các iôn và điện tử được gọi là sự đôi trong điện trường, vận tóc trung binh của chủng khi đó được gọi

là vận đốc trôi Nếu so sánh với vận tốc chuyên đông nhiệt thì vận tốc trôi của các

iôn chậm hơn, nhưng ngược lại, của các điện tử thi cao hơn do điện tử rất nhẹ hơn lồn [9]

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

cóc tỷ số E/p khỏc nhau [5]

Cáo điện tử có khôi lượng nhỏ hơn se với của iôn cỡ 10 lân nên tốc độ trôi

của của điện tử lớn hơn của tôn cỡ 10 Tân, điển này rất có lợi cho việc ghỉ nhận thành phần diện dược tạo bởi chuyển dộng của electron trong dâu dỏ khi Tốc dộ trôi trong hễn hợp khi trơ với khí đa nguyên tử (như CO; hoặc C1) của điện tử rất

Hinh 1-5 cho thay tốc độ trôi của điện tử trong nhu métal va hén hop métal

v6i argon (10%) [8]

b Sự khuếch đại khí [9]

Khi chuyên động trong điện trường điện tử sẽ được tăng tốc vả do đó năng

lượng của nó tăng dẫn Năng lượng mả nó thu được giữa 2 va chạm liên tiếp là

A.- quang đường điện tử chuyên động được giữa 2 lằnva chạm liên tiếp

Nếu cường độ điện trường đủ lớn dé Ag dat gia tri lon hơn hoặc bằng thể

i6n hoa (Jin) thi dién tử sẽ tôn hoá phân tử khi mả nỏ va chạm Điện tử vả lôn vừa

được sinh ra trong sự kiên iôn hoá này được gọi lả điện tử thứ cấp và iôn thứ cấp Điện tử thử cấp và điện tử sơ cấp tiếp tục chuyên động trong điện trường và lại tiếp

tục iôn hoá các phân tử khí khác Quả trình cứ như the xảy ra và tạo thành một thác

lũ điện tử chuyên động vẻ anôt

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

la @ = 1⁄4 Hệ số œ được gọi là xác suất iồn hoa trên một đơn vị chiều dải của quãng đường mả eleetron chuyên đông theo điện trường hoặc hệ số 7ownsend thứ nhất Do đó nêu trên quãng đường đy có ø điện tử bay qua thì sẽ có đ» điện tử được tạo ra bởi quả trình iôn hoá thứ cấp:

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

No là một yêu tổ quan trọng nhất đổi với ông đêm tỷ lệ Do đó, người ta đã xây dung nhiều lý thuyết nhằm tính toán hệ số ø (hệ số Townsend thứ nhất) đôi với các loại khí khác nhau Kết quả gân day nhat dugc tim ra béi Rose va Kroff [9]

a= pAexy| 2 (1-26)

P

Trong đỏ: A va B - cac hing s6 phu thuée vào loại khi; p - áp suất khí; Z- cường độ điện trường trong vùng nhay của đầu do,

Thực nghiệm chứng mình được rằng sự iôn hoả thứ cấp (sự khuếch đại khi)

chủ yếu được tạo bởi quả trình iôn hoá do va chạm Ngoài ra đóng góp vào còn hai

hiện tượng khác xây ra đồng thời với quá trình va chạm đỏ là hiệu ứng quang điện

trên katôt và sự bứt điện tử trên katỏt của tôn đương có động năng lớn hơn 2 lần

công thoát điện tử của katốt Các điện tử sinh ra từ các hiện tượng nảy cũng khởi tạo

các thác lũ điện tử trong sự khuếch đại khí

e Sự phóng điện trong vùng Geiger-Muiler

Trong vùng nảy, sự iỏn hoá thứ cấp do va chạm chiếm ưu thế hoản toản Khi khi xảy ra sự ôn hoá thứ cấp thi có rất nhiều điện tử tự do được giải phỏng Các điện tử này không những tiếp tục quá trình tạo thác lũ mới mà còn làm cho rất nhiều

phân tử trung hoả khác bị kích thích Các phân tử này khi giải phỏng năng lượng trở

vẻ trạng thái cơ bản sẽ phát ra rất nhiều phôtôn sóng ngắn nằm trong dai cực tim

(UV) Các phôtôn UV sẽ gây rø hiệu ứng quang điện trên katôt là tao ra điện tử ir

do Các diện tử nảy sẽ tiếp tục tham gia vào quá trình tạo thảo snới, Cứ như vậy thác lan truyền rất nhanh và tạo ra sự phỏng điện trong đầu đò Khi quá trình phóng,

dòng, ta có buổng iôn hoá dòng và nêu nó hoạt động & ché dé xung thi ta co budng

tên hoá xưng

L241 Budng ion hod dong

Tĩnh 1-6 mô tã sơ đồ nguyên lý mạch điện của bung iôn hoá đèng Cáo bức

xa khi đi vào vùng nhạy của buồng iên hoá sẽ tạo ra các hạt có điện tích âm và đương, Do tac dung của lực điện tường chúng sẽ chuyển dộng về các điện cực va

tạo ra dẻng điện ở mạch ra của đầu đỏ

But xa

Katét

2

Hỡnh 1-8 Sơ đồ nguyờn lý mạch điện của buông iun hod ding

Cường độ đòng điện bão hoá là thước do chỉnh xác mức độ ôn hoá của bức

xạ rọi tới Giả sử trong 1 đơn vị thời gian, trung bình có z phần tứ bức xạ i6n hoa

rơi vào buồng và Z là lượng điện tích tạo ra bởi 1 phản tử bức xạ sau quá trinh lồn

hoá, khi đó cường dé dòng diện bão hoà có giá trị là:

Trong đỏ: # - năng lượng phản tử bức xạ để lại trong buồng, œ- năng lượng cần

thiết đề tạo một cặp iôn - electron: e - điện tích nguryên tổ

Trong thự tế, giữa các điện cực của buồng lên hoá luên có dỏng điện rò chạy qua Dòng rô này số công thêm vào dòng tôn hoá và gây ra sai số phép đo khả

†a khảo sát, do đạc Đặc biệt, nếu trường bức xạ yếu thi ảnh hưởng của dòng rò sẽ rất đáng kế và không những gây ra sai số lớn, mả nó cản làm hạn chế khả năng phát

tiện đồng điện tôn hoá của buồng tôn hoá Do đó người là thường sử dụng thêm

một vải điện cực làm vòng báo vệ (hình 1-7.a) dé tranh ảnh hướng cửa dòng rõ

a b

Hình 1-7 Sơ đỗ mặt cắt ngang của buồng iôn hoá hình trụ có lắp

cực vòng bảo vệ(a.) và mạch điện tương đương (b.)

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

3 Tắm cách điện giữa cực vòng và Anôt R.z: và R„¿: Điện trở cách điện

Trên mạch điện tương đương của buồng iôn hoá khi mắc cực vỏng bảo về

(hình 1 — 7.b), ta thấy rõ ràng dòng rỏ sẽ đi qua cực vòng bảo vệ xuống dat ma

không đi vào mạch đo cỏ điện trở tải R Nhờ vậy, tránh được ảnh hưởng của đỏng

ro

1.2.4.2, Buéng in hod xung [11- tr.148]

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

Bức xạ

28

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

Hình 1-8 là sơ đồ nguyên lý mạch điện buồng iôn hoá xung Khi một phân tử

bức xạ lọt vào buông sẽ tạo ra các điện tử và các iôn đương Các điện tử và các iôn

dương nảy sẽ chuyên động vẻ các điện cực tương ứng do tác dụng của lực điện

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

Theo lý thuyết của Ramo - Shockley: khi một phân tử có điện tích bằng q chuyên động tương đổi so với một dây dẫn (có điện thẻ khác 0) thì nó tạo nên trong

dây dẫn một dỏng điện cảm ứng xác định theo công thức [2]:

v(t) — téc độ chuyên động của hạt có điện tích q tại thời điểm 4 E(t) — Cuong

độ điện trường theo phương của véc tơ ÿ tại to độ của điện tích q khi hạt điện tích

bị đặt xa vô hạn

Như vậy, lý thuyết của Ramo — Shockley đã giải thích sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trên điện cực của đầu đỏ khi hoạt động ở chế độ xung Dòng điện cảm ứng nay nap cho tụ điện tương đương (C) tại lỗi ra của đầu do lảm cho giữa 2đầu điện trở # xuất hiện một độ chênh lệch điện thể Khi hạt điện tich chuyên động tới điện

cực thi dòng điên cảm ứng bị triệt tiêu, tụ điện sẽ phóng điên qua điện trở R Tức là,

tại lỗi ra của đầu dò khi đã xuất hiện một xung điện áp có độ rộng xác định bang tích số RRC là hằng số thời gian của buồng,

ở khoảng cách một vải em thi thời gian điện tử chuyên động tới anót vào cỡ

105 và thời gian iôn chuyển động tới katót cỡ 103 s, do vậy đề tin hiệu ra phản ánh

sự đóng góp của toản bộ electron vả iôn dương thì hàng số thời gian của buông iôn hoả phải lớn hơn hoặc bằng 103s, Với hằng số thời gian lớn như vậy thi thời gian tạo dạng xung sẽ lớn, dân đến xác suất chỏng chập xung vẻ thời gian là rất cao và tốc độ đêm xung bi han chế Do đó, buỏng iôn hoá xung thường được làm việc ở

chế độ thu điện tử đề tăng toc dé dém xung Buéng xung trong trường hợp này được gọi là buồng xưng điện tử Đôi với buồng xung điện tử, hằng sỏ thời gian thường

được chọn ở khoảng giữa thời gian thu điện tử vả thời gian thu tôn Tuy nhiên, biên

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

đỏ xây ra sự iôn hoá Để giải quyết sư bắt cập này, người ta thường sử dụng budng

xung điện tử có lưới

e Buông xung điện tử có lưới

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

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

xa lọt vào vùng nhạy của buông iôn hoá theo nhiều phương khác nhau Do đó biên

độ xung ra sẽ khác nhau đổi với các phản tử bức xạ lọt vảo vùng nhạy theo những,

hướng khác nhau Hiệu ứng mô tả sự phụ thuộc của biên độ xung ra vào vị tri in

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

hưởng của hiệu ứng cảm ứng nên một chủm phần tử bức xạ đơn năng có thể tạo ra một đãi biên độ xung khác nhau Điều nảy rất bắt lợi đổi với phép đo năng lượng

Hình 1-9 Buông lôn hoá xung điện 1ừ có lưới

Đổ khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng buồng ximp điện tử có lưới

Sơ đỗ nguyên lý của nó được mô tả trên binh 1-9, lưới G được đặt giữa anôt (4) vả

+atôt (K), chia thể tích buồng thành 2 phân Điện thể của hưới được thiết lập cao hơn của kutôi nhưng thấp hơn của nôi nhờ bộ phân áp Rỳ và Rạ Lưới dược thiết kế sao

cho các điện từ đễ dàng xuyên qua và thâm nhập vùng không gian giữa Œ và 4

Người ta bố trì sao cho các phân từ bức xa chỉ gây ra hiện tượng lên hoá trong,

vùng không gian giữa katôt và lưới,

Với cách bỏ trí như vậy, chuyển đồng của các cấp iôn-diện tử trong không, gian giữa K và G chỉ gây ra các xung điện cắm ủng trên lưới (theo dinh ly Ramo Shockley) ma khong tao thành tín hiệu ở lỗi ra của đầu đò Ngay khi các điện lử xuyên qua lưới và bắt dâu chuyên động dén andt thi gitta 2 dau dign tré tai anot, Ra xuất hiện một độ chênh lệch điện thé Khi các điện tử tới anôt thì độ chênh lệch điện thê giữa 2 đâu điện trở ti anốt đạt cực đại E/mm„v:

me

Trong đó: — Usm„— biên độ xung ra;

ng — mat độ điện Tử tạo thành ảo bức xạ lớn hoá;

e - điện tích nguyên tổ,

C - điện đung tương đương tại lỗi ra của buồng iân hoá

TIiệu điện thẻ cực đại này chính là biên đệ tín hiện xung ra Rẽ ràng, biên độ

xung không gòn phụ thuộc vào hiệu ứng cảm ứng,

1.2.5, Dau dé khí hình trụ

Các đầu dỏ khi phẳng có điện trường giữa các điện cực coi như là đều và khi tăng điện thể giữa các điện cực của đâu đỏ khí thì đến một giới hạn nhất định sẽ xây

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

đỏ 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 vảo vị trí iôn hoá ban đầu, đồng thời quan hệ giữa tin hiệu thu được với tổn hao năng lượng của hạt cũng,

sé khong thé tim được Đề khắc phục hạn chế nảy người ta sử dụng mô hình dau do

khi 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]:

(1-31)

ta "

se E |E

als

Trong đỏ: a- bản kính day anst, b - ban kính trong của vỏ trụ katôt; z - bản kinh từ

tâm dây anôt tới vị trí khảo sát trong vùng nhạy của đầu dò; / - hiệu thế giữa anót

va katôt; Z - cường độ điện trường tại điểm cách tâm dây anốt một khoảng z

Dðy anôt Vỏ Katut #¿

|—eua

32

H6nh 1-10 Sơ đã mặt cắt ngang đầu dữ khó hồnh trụ fa} về

mạch điện nguyờm lỷ (h)

Công thức (1-31) cho thấy cường dộ diễn trường trong không gian dẫu đò

hình trụ tỷ lệ nghịch với khoáng cach z Do đó, ngay sát katöt, cường độ điện

điện cực tương ứng nhưng khi các điện tử tới khu vực cường đô điện trường mạnh

đủ dễ gây iôn hơá thứ cắp thì lập tức chúng tạo ra thác lũ diện tử và tín hiệu ra dược khởi phát mạnh mẽ Khư vậy sự khuếch đại khí đã chiềm tru thể và cững vì thể, ảnh Thưởng của vị trí lên hoá ban đầu trở nên không đáng kế

Chương II

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

Thực tẻ, các đầu dỏ khi thưởng lâm việc trong điều kiện áp suất trong dau do khác với áp suất khí quyền Tức là áp suất trong đầu dỏ cỏ thể là áp suất dư hoặc áp suất âm Như vậy, đủ trong trường hợp nào thi vỏ của đâu đò đều chịu sự tác dụng của ngoại lực, nêu lả áp suất dư thi khói khi sẽ nén lên vỏ từ phía trong ra và ngược lại, khi quyền sẽ nén lên vỏ từ phía ngoài vào Nếu lực nảy lớn quả giới hạn bên thì

vỏ đầu đỏ sẽ bị phá huỷ Do đó, khi thiết kế vả chế tạo các đâu dò khí phải lựa chọn

vật liệu và bẻ đày của nó de dau do co thẻ vận hành an toàn và hiệu quả trong quá

trình hoạt động

Vỏ các dau dỏ khí thường được làm bằng nhôm hoặc thép không gi (thép hợp kim cao) tuỷ theo mục đích sử dụng Hiện tại, 2 đầu dò đầu tiên được chẻ tạo

tại Bộ môn Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường — Trường Đại học Bách khoa

Ha Nội đều cỏ vỏ được làm bằng inox dày cỡ 3mm [S]

Nhôm là một kim loại nhẹ tương đổi bên hoá học Tuy nhiên, khả năng chịu

áp lực của nỏ lại thấp và việc hàn các chỉ tiết bằng nhôm không đơn giản va đắt

lên Không những thế, việc thảo, lắp nhiều lần các chỉ tiết bằng nhôm sé dé gay

biển dạng và có thể dẫn tới lâm méo điện trường trong đâu dò

Thép không gỉ có đô bên cơ học va hoa hoc tốt hơn nhôm nên sẽ dé dang khắc phục các nhược điểm mả nhôm mắc phải Tuy nhiên, khi thiết kế, chế tạo người ta thường phải tạo các cửa số mỏng đề cho bức xạ đi vào vùng nhạy Nhưng

một điều đáng lưu ý là các lượng tử ganuna và các notron có the dé dàng xuyên

qua nó Do đó người ta có thể nghiên cứu phản ứng mơ trong đầu đỏ khi cỏ vỏ bọc

làm bằng thép không gỉ

Đề thiết kế vỏ của thiết bị chịu áp lực người ta thưởng phải quan tâm tới một

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

~ Nhiệt độ làm việc;

~ áp suất làm việc;

~ ứng suất cho phép;

~ Hệ số bên môi hàn; và

~ Hệ số bề sung bẻ dây tỉnh toản

Về nhiệt độ làm việc: Đâu dò khí thử nghiệm hoạt động ở điều kiện trong phỏng làm việc (bình thường cỡ 27%C đến 30°C) nên nêu dùng thép không gỉ cỏ

nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 1000°C [7] thì coi như không cỏ ảnh hưởng gì đảng kể

Vẻ áp suất khi trong thiết bị: Đổi với đầu đỏ khí, áp suất làm việc là áp suất khi trong đầu dỏ, nó cỏ giá trị từ vải chục phần trăm atm dén vai atm Khi ché ché tạo thiết bị cản lưu ý áp suất làm việc chỉ được phép nén đền cỡ tôi đa là bằng áp suất thử vả áp suất thử phải nhỏ hơn áp suất tỉnh toán đề đảm bảo an toản cho người lam việc ở xung quanh và thiết bi

Về ứng suất cho phép: Đây là đại lường dùng de tinh độ bên của thiết bị Với đầu đỏ khí thì đại lượng cần quan tâm là độ ben nén, do đó ứng suất trong trường hợp này là ứng suất nén, [ơ], đơn vị đo là NnmÈ hoặc N/cm2

Vẻ hệ số bên mối han (¢,): Day la dai long đặc trưng cho độ bẻn của mối

han so với độ bên của vật liệu cơ bản khi thực hiện hản ghép nồi các chỉ tiết của thiết bị với nhau bằng phương pháp hàn Với vật liệu là thép không gi thi néu han giáp môi hai phía ta có ø =1, nêu hản một phía ta có ø, = 0,9 [7]

Về hệ số bổ sung be day tính toán (C): Đây lả đại lượng cần chủ ý khi thiết

bị lảm việc trong điều kiên có an mon hoa hoc va mai mon cơ học Tuy nhiên với điều kiện làm việc của đầu dò khi trong quá trình thử nghiệm thì có thể coi như

không có ăn môn hoá học và mải mòn cơ học nên có thê bỏ qua hệ số bỏ sung be

2.1.2 Công thức tỉnh toán bễ dảy vỏ thiết bị chịu áp lực [7]

Lớp vỏ của đầu dò khí một mặt phải đủ dày đã chịu áp lục tốt, đâm bảo an

toàn khi vận hành, mặt khác lại phải đủ mỏng để nó ít tương tác với bức xạ cẩn

khao sat ‘Tuy nhién, xét về mặt cơ khi thì vó đâu dò khí thuộc loại vỏ móng, Khi

chế tạo loại thiết bị chịu áp lục vỏ móng người ta thường dùng phương pháp điển

hình trụ hàn, Đây là phương pháp đơn giàn, phố biến và đặc biết nó cho phép chế

tạo các thiết bị chưu được áp suất dư tới cỡ 1ỠN/mmẺ ( xấp xỉ 100atm) hoặc trong,

điền kiện chân không

'Trên cơ sở phương pháp vỏ mông người ta đưa ra công thức (2-1) đề tỉnh bê đây của võ thiết bị

Trong đó: S- la bé day thực của thân trụ, Ở - hệ số bỗ sung bể dày tính toán;

va S’- bể dày tối thiểu của thân tụ:

PP

ole,

Với p - ấp suất khí trang đầu đỏ, Nmm2;

D, - đưỡng kính trong của ống trụ, mm;

ti - hệ số bền mei ham, va

lo - ứng suất cho phép của vật li¢u, N/mm?

Vì có thể bộ qua Ở, đo do ta có công thức tính bê dày vỗ trụ của đầu dò khí

3.2 Một số yêu cầu ban dầu

để tính toàn, thiết kế dau dé khi

2.2.1 Hình đáng, kích thước

Yêu câu của dẻ tải là chế tạo dâu dỏ khi kích thước trung, bình Cụ thể

- Về hình đáng: Võ đầu đỏ có dạng hình trụ, đồng thời đâm nhiệm vai Wd moat điện cục của đầu dò là katôt Diện cục thứ hai, anốt, là một đây kim loại mảnh, nằm trên trục đối xứng của ông trụ

- Về kich thước: Đầu đỏ có kích thước trmg bình, với bán kính khoảng vài em

2.3.1 Khá năng chịu áp lực và hỗn hợp khí nạp vào đâu đỏ

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

đầu dò có thể thay đối từ 10”mmHg đến 4atm Như vậy, vỏ đầu dò có thời điểm bị

xin từ ngoài vào và có lúc lại bị nén từ trong ra

b Dâm bảo áp lực: án suất khí phải được đuy trị không thay đổi trong suốt

quá trình đo đạc thử nghiệm Như vậy, có thể theo đối thường xuyên áp suất khí trong đâu đỏ bằng một áp kể,

© Đám báo chân không: Nhiệm vụ của dễ tải chữ giới hạn việc khảo sắt hoạt

động của đầu dé trong khoáng từ 1,50 atm dén 4,00atm nên chi cần chủ ý đâm báo chân không tết khi nạp khi, tránh tôi đa việc lọt khí iôn âm vào dau do

d Hén hợp khí nạp vào đầu đỏ: Khi nạp vào đầu đò gồm Ar và COs, trong

đó CO; chiếm vài nhân trầm

2.2.3 Án toàn điện

Đầu dò khí sẽ phải hoạt dông trong diều kiện độ chênh lệch diện thể giữa các điện cực có thể lên tới 10?V, Bởi vậy, cường độ điện trường trong đầu đò có những

điểm có thể dạt giá trị rất cao (có thể lớn tới cỡ 10*V/em) Vì vậy, khi chế tao dầu

dé, van dé cach điện phải được chủ ý dé đảm bả an toàn điện cho người và thiết bị,

đặc biệt là các thiết bị đo đạc kết nổi 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 vồ

Như đã phân tích mục 2.1.1, thép không gỉ là loại vật liệu eó các ưu điểm

vượt trội như để tim kiểm, bên cơ,

pén nhiệt, bẩn hoá học và có thể dé ding cha

nơtron truyện qua đề nghiên cứu phân ứng øœ De vậy, thép không gï là loại vật liệu

được 1m tiên lựa chou de chỗ tạo vỏ đâu đò

Về kích thước, trong luận văn này, chúng Lôi đã lựa chọn kích thước dẫu dò

như sau:

-_ Dưỡng kinh ương cua dng trụ: 7; — 4,00emn;

- Chiéu đài đường sinh hình trụ: ¡ — Ø,00cm

Do vậy, thê tích vừng nhạy của đầu đỏ là J /23emẺ

38

Thay các giả trị vào chúng ta được:

2.140.1

Trong trường hợp 2 = §em = 80mm thì § = 0,12mm

Một ông hình trụ mỏng như vay khi han rat dé bi thing va va dap dé bi bep

Do đó cân có thiết kế đặc biệt đề tăng độ bẻn của ông trụ hoặc cân sử dụng lớp vỏ trụ dày hơn Trên thị trường thường có loại ông thép không gỉ có đường kính trong,

cỡ 4em và đảy xap xi Imm Nếu dùng loại ống thép khéng gi nay thi ap suat toi da

mả đầu đỏ có thể chịu lả

Pax (Dr =40mm; S = Imm) = 68atm

Tuong tu néu D, = 8em va $ = Imm thi

Pax (Dr =80mm; S = Imm) = 34atm

Như vậy, theo tỉnh toán trên thì đầu dò sẽ hoạt động rất an toàn trong điều kiện áp suất khi p < 4atm

2.3.3 Lựa chọn vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện được sử dụng để chẻ tạo giá đỡ dây anôt Trong quả trình lắp ráp và vận hành có một diem dang lưu ý lả việc hản nối day anét và điện cực Nhiệt độ mói hản 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 biển dạng Các đặc tính của teflon được mô tả trên bảng 2-1[6]

Bang 2-1 Một só đặc tính của nha teflon (polytetrafloetylen)

Độ chịu nóng Điện trở suất — | Hằng số điện môi

Một chi tiết khác cân phải sử dụng nhựa cách điện để đỡ là điện cực Điện

cực là chỉ tiết có hai nhiệm vụ chính: đưa cao áp vảo nuôi đâu dò vả lây tin hiệu từ đầu dò ra Như vây, loại nhựa đem sử dụng cần có rất nhiều tính chất đặc biệt, trong

đó, càn lưu ÿ nhất lả điện trở suất vả giới hạn bên đẻ đảm bảo chíu được áp suất của chất khi nén trong đầu đỏ và chống được đỏng rỏ 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 tỉnh của nhựa epocxi

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

Hing số điện Cưởng độ điện

Độ chịu nóng Giới hạn bền Điện trở suất

môi trường đánh thủng

2.3.4 Thiết kế và chế tạo vỏ đầu dò khí

Hình 2-1 cho thay thiết kế của đầu đò khí đã được lựa chọn trong luận văn

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

Các ký kiệu trên hình 2-1

1- ống hứtnạp khi 2 - Mặt bích 1-1 3 - Đệm cao su 1

4- Mặt bích 1-2 5 - ng lớn 1 6 - Giá tellem 1

7 - Vành khuyên 1 8- Võ đầu đò 9- Vành khuyên 2

10 - Giá teflort 2 11 - dng tin 2 12 - Mặt bích 2-2

13- Đệm cao su 2 14- Mặt bích 2-1 15 ~ ống vỗ diện cục

16 - Nhựa gpocxi 17 - Pd teflon 18 - ông Tớn 3

19-N&p mach dién ti, 20- Điện cực 21 - Dây anôt

ấp giắc cao án — 24- Lỗ lắp buông mặt bích

‘bang thép kháng gỉ Tất cả các môi hàn đêu được hản giáp mỗi 2 phía đề có thế

1 được chế tạo bằng đồng, các chủ tiết còn lại dễu lắm

chọn hệ số bên hản bằng 1 ống hútnạp khí được hàn với mặt bích 1-1 Mặt bích

này dược phép bằng 8 bu-lông M6 với mặt bích 1-2 thông qua dém cao su 1 Mat

‘ich 1-2 được han với ống lớn 1, ông này được hàn vào đáy là vành khuyên 1 Vanh

khuyên 1 duce han vào vỏ dầu đỏ, dầu còn lại của vô dẫu đồ dược hàn vào vành

khuyên 2, vành khuyên này lại hản vào ống lớn 2 tương tự như vành khuyên 1 vả

ống lớn 2 được han với mặt bích 2-2 Mặt bích 2-2 được ghép với mặt bích 2-1

‘bang 08 bu-lông M6 Trên mặt bích 2-l được hản ghép 2 chỉ tiết là ông lớn 3 và ông,

vỏ điện cực Lrong ống vỏ điện cực được đồ đây nhựa epocxi và cắm điện cực vào

Dé teflon dùng để lắp ráp mạch điện tử của đâu đò được lắp trong làng ảng lớn 3

2.3.5 Luya chọn đường kinh day andt.