Luan van cao hoc

Nếu hạt nặng mang điện chuyển động với tốc độ chuyển động gần bằng tốc độchuyển động của ánh sáng, ta có thể tính đến hiệu ứng lợng tử và hiệu ứng tơng đối.Cho phép chúng ta nhận đợc côn

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những nội dung đợc trình bày trong luận văn này hoàntoàn là kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của tôi trong quá trình thực hiện đề tàiluận văn cao học mà tôi đợc giao

Tôi xin chịu trách nhiệm trớc pháp luật về những nội dung đợc trình bày trongluân văn này

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Lời nói đầu 7

Chơng I Ghi nhận bức xạ ion hóa 10

1.1 Tơng tác của hạt nặng có điện tích với vật chất 10

1.1.1 Tiêu hao năng lợng do ion hóa và kích thích nguyên tử của hạt nặng có điện tích 10

1.1.2 Sự tiêu hao năng lợng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích 15

1.1.3 Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trờng vật chất 16

1.1.4 Năng lợng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa 19

1.2 Tơng tác của nơtron với vật chất 21

1.3 Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí 22

1.3.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của đầu dò khí nói chung 22

1.3.2 Quá trình chuyển động của các phần tử mang điện trong vùng nhạy của đầu dò khí 23

1.3.3 Các vùng điện áp đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí 29

1.3.4 ảnh hởng của áp suất 31

1.3.5 Phân loại và nguyên tắc hoạt động của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí 32

Chơng II Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ 40

2.1 Thiết kế chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ 40

2.1.1 Vỏ trụ katốt 40

2.1.2 Dây Anốt 42

2.1.3 Lựa chọn vật liệu cách điện cho đầu dò 46

2.1.4 Tính toán các kích thớc và thiết kế đầu dò khí 47

2.2 Lắp ráp và bố trí hệ đo 51

2.2.1 Quy trình hút, nạp khí cho đầu dò 51

2.2.2 Bố trí hệ đo để ghi nhận phổ năng lợng của hạt alpha 54

2.2.3 Bố trí hệ đo để ghi nhận nơtron bằng phản ứng (n,α) 58

Chơng III Đo đạc và khảo sát các đặc trng của đầu dò 63

3.1 Khảo sát các đặc trng của đầu dò khí bằng nguồn alpha 239Pu 63

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

3.1.1 Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar : CO2 bằng 96:4 63

3.1.2 Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar : CO2 bằng 94,4:5,6 73

3.1.3 Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar:CO2 = 92:8 81

3.1.4 So sánh 3 tỷ lệ khí tại cùng áp suất P=1,4 atm 86

3.1.5 Một số nhận xét khi khảo sát với nguồn alpha 239Pu 86

3.2 Sử dụng đầu dò khí ghi nhận nơtrôn bằng phản ứng n, 87

3.2.1 Ghi nhận phản ứng (n,α) tại áp suất P = 2,2 atm 89

3.2.2 Ghi nhận phản ứng (n,α) tại áp suất P = 2,5 atm 93

3.2.3 Một số nhận xét khi ghi nhận phản ứng (n,α) tại hai áp suất 2,2 atm và 2,5 atm 98

3.3 So sánh với phiên bản đầu dò khí hình trụ (ĐDK-VN3) [2] 99

Kết luận và kiến nghị 100

Tài liệu tham khảo 102

Phụ lục I 104

Phụ lục II 105

Phụ lục III 107

Phụ luc IV 110

Phụ luc V 119

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Tóm tắt nội dung luận văn

Sau khi kết thúc thời gian làm luận văn cao học với đề tài là “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ” Luận văn đã đạt đợc những nội dung sau đây:

1 Đã nghiên cứu lý thuyết, các đặc trng cơ bản về các loại đầu dò khí và cơ sở

lý thuyết về chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí

2 Đã thiết kế, chế tạo thành công một đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí Đây làphiên bản thứ hai về loại đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ đ-

ợc chế tạo bằng các vật liệu có sẵn ở Việt Nam

3 Đã khảo sát đợc một số đặc trng của đầu dò này bằng nguồn alpha 239Pu

trong dải áp suất từ 1,2 atm đến 2,5 atm (áp suất tuyệt đối), ở ba tỷ lệ khí Ar :

CO2 là 96:4 ; 94,4:5,6 và 92:8

Khảo sát sự phụ thuộc của tổng số xung ghi nhận đợc vào điện áp và áp suất.Khảo sát sự phụ thuộc vị trí kênh đỉnh của phổ thu đợc vào điện áp và áp suất.Tìm ra đợc vùng điện áp làm việc của đầu dò từ 20v đến 250v

4 Đã ghi nhận đợc nơtrôn thông qua phản ứng (n,α) Trong đề tài này nơtrôn

đ-ợc ghi nhận thông qua phản ứng sau:

n 36Li  13H    4, 785 MeV

Với những kết quả đã đạt đợc trong đề tài nh ở trên sẽ là những nội dung vàkinh nghiệm rất quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện loại đầu

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

dß bøc x¹ ion hãa b»ng khÝ cã d¹ng h×nh trô nãi riªng còng nh lo¹i ®Çu dß bøcx¹ ion hãa nãi chung ë ViÖt Nam.

SUMMARY CONTENTS OF THESIS

After finishing schedule for making Master’ degree in “Researching,

designing and manufacturing the ionizing radiation probe by cylinder shaped gas”

The thesis achieved contents as follows:

1 Researching theory, basic characters on types of gas probe and theorybasis on manufacturing the ionizing radiation probe by gas

2 Designed and manufactured successfully an ionizing radiation probe bygas This is the second version of ionizing radiation probe that manufactured bythe cylinder shaped gas which designed by existing materials in Vietnam

3 Investigated some characters of this probe through 239Pu Alpha Source inpressure band from 1,2atm to 2,5 atm (absolute pressure) in gas ratio of Ar:CO2

3.3 Finding working electric tension area of probe from 20v to 250v

4 Recorded neutron through reaction (n, α) In this topic, neutron is recordedthrough the reaction as follows:

type of cylinder shaped gas in particular as well as the ionizing radiation probe inVietnam in general.

Lời nói đầu

Hiện nay ở nớc ta đã có hàng nghìn nguồn phóng xạ và khoảng 2000 đến

3000 nguồn phát tia X (bức xạ Roentgen) đợc đăng ký hoạt động, trong đó cónhiều nguồn phát bức xạ nơtrôn Đồng thời trong môi trờng luôn tồn tại nhiềuloại nguồn bức xạ iôn hóa khác nhau, kể cả các nguồn phát những hạt nặng có

điện tích nh hạt alpha Do vậy càng ngày việc ghi nhận bức xạ càng trở nên cấpthiết hơn Đầu dò bức xạ bức xạ ion hóa bằng khí (ĐDK) là loại công cụ kinh

điển trong kỹ thuật đo đạc bức xạ iôn hoá từ một thế kỷ nay Cụ thể là nó đợc sửdụng nhiều 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 nh các phản ứng loại(n,p), (n,xp), (n,), (n,x), (,p), (,xp), (,) (,x), (n,f), (n,xf) và đợc ứngdụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kể cả trong nghiên cứu cơ bản cũng nh vật lýnăng lợng cao Trong rất nhiều trờng hợp ứng dụng thực tế, đầu dò khí thuộc loại

đầu dò bức xạ ion hóa có thể hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt màcác loại đầu dò khác không thể chịu đựng đợc[7] Cho tới nay, ĐDK vẫn luôn đ-

ợc các nhà vậy lý và kỹ thuật quan tâm nghiên cứu và liên tục cải tiến Tuy nhiên,

ở nớc ta mới chỉ có một cơ sở (là Viện khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Tựnhiên và công nghệ Quốc gia) chế tạo đợc một số đầu dò bằng chất bán dẫn đểghi nhận bức xạ tia X và Gamma Còn các loại đầu dò khác đều phải nhập từ nớcngoài Chính vì vậy việc nghiên cứu để có thể tự thiết kế chế tạo đợc ở nớc ta cácloại đầu dò ghi nhận bức xạ ion hóa có ý nghĩa thực tiễn cao về khoa học kỹthuật và càng ngày càng cần thiết hơn Khả năng tự thiết kế chế tạo đợc các loại

đầu dò bức xạ ion hóa sẽ góp phần giúp chúng ta tăng cờng đợc năng lực nội sinhcủa ngành hạt nhân trong lĩnh vực này Hơn nữa, theo đề án số 17 trong kế hoạchtổng thể thực hiện chiến lợc ứng dụng năng lợng nguyên tử vì mục đích hòa bình

đến năm 2020 ở nớc ta đã đợc chính phủ phê duyệt ngày 23 tháng 7 năm 2007 thìviệc chế tạo một số thiết bị đo đạc bức xạ ion hóa là một trong những nội dungchủ yếu và quan trọng của đề án

Hiện nay Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trờng, Đại Học Bách Khoa

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Hà Nội là cơ sở đầu tiên của Việt Nam đã chế tạo thành công đầu dò bức xạ ionhóa bằng khí với các phiên bản ĐDKVN-1; ĐDKVN-2 và ĐDKVN-3 Các

đầu dò trên đã đợc thử nghiệm thành công trong việc ghi phổ năng lợng của bứcxạ alpha do nguồn đồng vị phát ra, đặc biệt với ĐDKVN-2 đã ghi nhận đợcnơtrôn thông qua phản ứng (n,α) Với những kết quả khích lệ đã đạt đợc nh trên

đã giúp Viện tích lũy đợc những kinh nghiệm để tiếp tục phát triển những nghiêncứu tiếp theo ĐDKVN-3 là phiên bản đầu tiên về đầu dò khí có kích thớc trungbình và đã thành công trong việc ghi nhận phổ alpha do nguồn đồng vị 239Puphát

ra Nhng với đầu dò này vẫn còn một số hạn chế nh hiệu xuất ghi thấp và đặc biệt

là rất khó khăn trong việc ghi nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,α)

Để khắc phục những nhợc điểm trên của đầu ĐDKVN-3, trong thời gian làmluận văn cao học em đã đợc giao nhiệm vụ thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí

có dạng hình trụ”

Đây là phiên bản thứ 4 về đầu dò khí (ĐDKVN-4) Nhiệm vụ cụ thể của đề tài

là tìm hiểu và nghiên cứu về đầu dò khí, đa ra phơng án thiết kế đầu dò tối unhất Khảo sát những đặc trng quan trọng của đầu dò bằng nguồn alpha 239

ghi nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,α) Với những nhiệm vụ khá lớn nh trênlại thực hiện trong thời gian làm luận văn khá hạn hẹp và điều kiện thực nghiệmkhó khăn Hơn nữa với những hạn chế về kiến thức chuyên môn và kinh nghiệmthực nghiệm nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều thiếu sót không thểtránh khỏi Tuy nhiên với sự chỉ bảo, hớng dẫn và giúp đỡ của các thầy, cô và cácanh, chị trong Viện mà em đã hoàn thành đợc các nhiệm vụ trong đề tài

Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Phùng Văn Duân, thầy đã

h-ớng dẫn tận tình về mặt nội dung khoa học cũng nh những kiến thức thực nghiệmrất sâu sắc và đã khích lệ tinh thần giúp em hoàn thành bản luận văn này Xinchân thành cảm ơn Th.S Lơng Hữu Phớc, KS Trần Hoài Nam đã giúp đỡ tôitrong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tại Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Vật Lý Môi Trờng, Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, những ngời thân đã động viên giúp đỡ tôitrong suốt quá trình học tập

Học viên

Vũ Đình Phớc

Chơng I Ghi nhận bức xạ ion hóa

1.1 Tơng tác của hạt nặng có điện tích với vật chất.

Khi truyền qua vật chất, phần lớn các hạt nặng có điện tích với năng lợng nhỏ hơn

10 MeV sẽ tham gia tơng tác Coulomb với nguyên tử là chủ yếu Tơng tác trên gây

ra hai hiệu ứng sau:

- Tán xạ Coulomb đàn hồi trên các hạt nhân nguyên tử của chất Các hạt mang điệnvới năng lợng thấp có thể bị tán xạ do lực Coulomb hạt nhân còn các hạt mang điệnnặng có năng lợng cao và nơtron bị tán xạ do lực hạt nhân Nh vậy quá trình trênlàm cho chùm hạt tới bị lệch đi so với hớng chuyển động ban đầu, do có khối lợnglớn hơn rất nhiều điện tử nên hớng chuyển động của các hạt mang điện nặng sau khi

va chạm thay đổi không đáng kể Tiêu hao năng lợng của hạt do hiệu ứng này là nhỏhơn nhiều so với tiêu hao năng lợng ion hóa

- Ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trờng Đây là kết quả của quá trình vachạm Coulomb không đàn hồi của hạt mang điện với các điện tử trên lớp vỏ nguyên

tử của vật chất Năng lợng của hạt nặng có điện tích đã bị tiêu tốn để ion hóa và kíchthích các nguyên tử của chất đợc gọi là tiêu hao năng lợng ion hóa Đối với các hạtmang điện nặng, ion hóa là nguyên nhân cơ bản làm tiêu hao năng lợng của hạt

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

1.1.1 Tiêu hao năng lợng do ion hóa và kích thích nguyên tử của hạt nặng có

điện tích.

Tơng tác chủ yếu của các hạt nặng có điện tích (nh alpha, prôtôn, …) với môi ờng là va chạm không đàn hồi với nguyên tử và phân tử của môi trờng Một trongcác đại lợng vật lý đặc trng cho sự truyền qua môi trờng của hạt mang điện là độ tiêuhao năng lợng riêng Theo định nghĩa độ tiêu hao năng lợng riêng là năng lợng bịmất trên một đơn vị độ dài quãng đờng đi qua của hạt

Nếu hạt nặng mang điện chuyển động với tốc độ chuyển động gần bằng tốc độchuyển động của ánh sáng, ta có thể tính đến hiệu ứng lợng tử và hiệu ứng tơng đối.Cho phép chúng ta nhận đợc công thức tính độ tiêu hao năng lợng riêng do ion hóa Schính xác nh sau[10]:

E - Điện tích của electrôn

me - Khối lợng của electrôn

Ne - Mật độ electrôn

v - Vận tốc của hạt nặng mang điện

I - Thế ion hóa trung bình của nguyên tử môi trờng

e e

4

e A

của các chất khác nhau không nhiều

Công thức (1-1) cho ta thấy độ tiêu hao năng lợng riêng tỷ lệ với mật độ electrôncủa chất hấp thụ, tỷ lệ với bình phơng điện tích của hạt z2 và tỷ lệ với 1 2

(-dE/dx) thay đổi theo 1 2

v mạnh hơn theo hàm vận tốc dới dấu lôga, tiếp theo lại

giảm chậm dần do thừa số lôga bắt đầu tăng lên, đến một động năng cao nào đótrở điv c, biểu thức lôga có xu hớng tiến tới hằng số và hàm lôga tăng chậm

Do vậy hàm S = -dE/dx theo động năng có một cực tiểu (Hình 1-2)

Trong đó: M – Khối lợng của hạt tới

Công thức (1-5) cho thấy các hạt có khối lợng M càng lớn thì sự tiêu hao năng ợng riêng càng lớn

Khi hạt tới có động năng nhỏ, điện tích của nó có thể bị thay đổi do có thể nó bắtthêm điện tử của nguyên tử môi trờng hoặc bị nguyên tử lấy mất điện tử Nói chungthì điện tích của hạt bị giảm đi vì vậy khả năng ion hóa của hạt bị giảm theo, dẫn

đến độ tiêu hao năng lợng riêng S giảm xuống rất nhanh điều này đợc thể hiện trên

đờng cong Bragg (Hình 1-1) S không tăng lên nh trong công thức (1-1) mà lại giảmxuống đột ngột ở cuối quãng chạy của hạt

Nếu hạt tới có động năng lớn khi đi qua môi trờng sẽ xẩy ra hiện tợng các nguyên

tử ở gần quỹ đạo của hạt bị phân cực, hiện tợng đó làm giảm trờng điện từ tác dụng

lên các điện tử ở xa quỹ đạo Hiệu ứng này tỷ lệ với mật độ của chất tức là mật độ

điện tử, do vậy gọi là hiệu ứng mật độ

Để tính đến các hiệu ứng trên, công thức tính sự tiêu hao năng lợng (1-1) có dạng

Trong đó: δ – Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến hiệu ứng mật độ ở năng lợng cao

U – Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến sự giảm khả năng ion hóa ở năng ợng nhỏ

1.1.2 Sự tiêu hao năng lợng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích.

Khi các hạt nặng mang điện có năng lợng nhỏ đi vào môi trờng vật chất, ngoàihiện tợng tơng tác với các điện tử của nguyên tử (ion hóa) chúng còn có thể bị tán xạ

đàn hồi do lực Culông của hạt nhân gây ra (tơng tác với hạt nhân) Tơng tác này cóthể làm cho hạt tới thay đổi năng lợng và hớng chuyển động so với ban đầu

Sự tiêu hao năng lợng riêng của hạt nặng mang điện do tán xạ đàn hồi trên hạtnhân nguyên tử đợc tính nh sau:

Trong đó: N - Là mật độ hạt nhân nguyên tử môi trờng (N=Ne/Z)

Z - Điện tích hạt nhân môi trờng

Mhn - Khối lợng của hạt nhân môi trờng (Mhn≈ A.mp)

A - Số khối của hạt nhân môi trờng

Mp - Khối lợng của prôtôn

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

1.1.3 Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trờng vật chất.

Khi hạt đi vào môi trờng, nó sẽ mất dần động năng trên đờng đi và đến khi độngnăng của hạt bằng không thì hạt dừng lại Nh vậy quãng chạy của hạt chính làquãng đờng hạt đi đợc trong môi trờng vật chất Quãng chạy phụ thuộc vào độngnăng ban đầu, khối lợng và điện tích của hạt Quãng chạy đợc kí hiệu là R và đợctính bằng công thức sau đây:

dE dx





 (1-9)Trong đó E0 là năng lợng ban đầu của hạt trớc khi rơi vào môi trờng

Thay (-dE/dx) từ công thức (1-1) vào (1-9) và xét trờng hợp (β ô 1) ta có:

Nếu ở năng lợng nhỏ thì công thức (1-1) không đúng vì vậy khi tính quãng chạy R

ở các công thức (1-9) và (1-10) sẽ không hoàn toàn chính xác Tính tới điều này,quãng chạy của hạt nặng có điện tích thờng đợc tính theo biểu thức sau đây:

z tơng ứng với quãng đờng đi đợc của hạt từ thời điểm rơi vào môi

trờng đến vị trí mà sự tiêu hao năng lợng riêng tính theo công thức (1-1) không còn

đúng nữa

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Số hạng D ứng với quãng đờng còn lại khi năng lợng của hạt nhỏ Độ lớn của D

đ-ợc xác định bằng thực nghiệm Trong trờng hợp gần đúng ta có thể bỏ qua D

Giả sử ta xét hai hạt có khối lợng M1, M2 và điện tích z1, z2, hai hạt có cùng vận tốcban đầu v1 = v2 = v Xét trong trờng hợp gần đúng, áp dụng công thức (1-10) ta có:

R v z M (1-12)

Nh vậy từ công thức (1-12) nếu biết quãng chạy của một loại hạt ta có thể tính

đ-ợc quãng chạy của hạt kia trong môi trờng khi hai hạt đó có cùng tốc độ ban đầu

R~ 1 /P (1-17)

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Do đó nếu biết quãng chạy của một hạt trong chất khí ở áp suất P1 thì có thể xác

định đợc quãng chạy của hạt này trong chất khí ở áp suất Px nh sau:

Trong đó: R1 – Quãng chạy của hạt tại áp suất P1

Rx – Quãng chạy của hạt tại áp suất Px

Quãng chạy của hạt có điện tích cũng thờng đợc tình bằng công thức bán thựcnghiệm

Ví dụ:

- Quãng chạy của proton (năng lợng từ vài MeV đến 200 MeV) trong không khí

ở điều kiện tiêu chuẩn đợc tính nh sau[14]:

A - Số khối của môi trờng vật chât

Eα - Năng lợng của hạt alpha (MeV)

Trong đó quãng chạy khối bằng khối lợng của vật chất trong một hình trụ caobằng quãng chạy tuyến tính của hạt R(m) và có tiết diện 1 m2 :

Rm   R (1-21)

 - là mật độ khối của vật chất (kg/m3)

Từ công thức (1-16), ta áp dụng cho hạt Alpha và Triti thì quãng chạy củachúng đợc tính theo quãng chạy của proton nh sau:

1.1.4 Năng lợng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa.

Một hạt mang điện khi chuyển động trong môi trờng, nó sẽ làm ion hóa vàkích thích các nguyên tử dọc theo quãng chạy của nó

Năng lợng để tạo ra một cặp ion w lớn hơn năng lợng ion hóa Iion

Năng lợng w đợc xác định bởi bản chất của môi trờng và ít phụ thuộc vào loại

và năng lợng phần tử bức xạ tới tơng tác với môi trờng, do năng lợng ion hóa vànăng lợng kích thích nguyên tử cũng nh tỷ số của xác suất ion hóa và xác suấtkích thích là những đặc trng của môi trờng hãm và không phụ thuộc vào hạt tới.Bảng 1-1: Năng lợng tạo ra một cặp ion-điện tử của một số loại khí với bức xạ

alpha và năng lợng ion hóa của một số loại khí [10]:

đối với từng loại khí ứng với mỗi loại bức xạ tới có năng lợng là Ebucxa Khi đó ta

có số cặp ion-điện tử N đợc tinh nh sau:

Bảng 1-2: Năng lợng trung bình để tạo ra một cặp ion-điện tử trong một số loại

khí đối với bức xạ alpha và điện tử nhanh [12]:

Không khí CH4

w

(eV/cặp ion)

e nhanh 26,4 30,8 34,8 41,3 36,5 33,8 27,3

1.2 Tơng tác của nơtron với vật chất.

Do không mang điện nên khi nơtron đi vào môi trờng vật chất nó tơng tác với

điện tử rất yếu, tơng tác của nó với hạt nhân môi trờng chủ yếu do lực hạt nhângây ra Tơng tác của nơtron với hạt nhân phụ thuộc một cách phức tạp vào độngnăng của nơtrôn, thậm chí khác nhau đáng kể ngay cả đối với những đồng vị củacùng một nguyên tố Loại tơng tác và tiết diện tơng tác đều phụ thuộc vào độngnăng của nơtron

Khi đi qua môi trờng, nơtron có thể tham gia vào các loại tơng tác nh: tán xạ

đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng n, , phản ứng tạo các hạt có điện

tích, phản ứng phân chia hạt nhân Xác suất xẩy ra các quá trình này phụ thuộcvào động năng của nơtron và loại hạt nhân đồng vị tham gia tơng tác

- Khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, nếu tổng động năng của hệ không thay

đổi, nhng có thể đợc phân bố lại cho hai phần tử tham gia tơng tác là nơtron vàhạt nhân bia đợc gọi là tán xạ đàn hồi Giữa nơtron và hạt nhân xẩy ra sự trao đổi

động năng còn trạng thái của hạt nhân không đổi Với các hạt nhân nhẹ khi vachạm thì nơtron bị mất năng lợng nhiều Sau một số va chạm nơtron bị nhiệt hoá

- Cơ chế của tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tơng tác với vật chất nó truyềncho hạt nhân nguyên tử một phần năng lợng làm cho hạt nhân nguyên tử chuyểnlên trạng thái kích thích rồi phát ra các lợng tử gamma hoặc các bức xạ khác đểtrở về trạng thái cơ bản Tán xạ không đàn hồi chỉ xẩy ra khi nơtron tham gia t-

ơng tác có động năng En lớn hơn năng lợng kích thích của hạt nhân bia và chủyếu xẩy ra với các hạt nhân nặng

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Quá trình hấp thụ nơtron thờng dẫn đến các phản ứng hạt nhân sau [13] &[16].

- Bắt nơtron và phát lợng tử gamma:

nZ A,   Z A, 1 (1-26) Hạt nhân mới ở trạng thái kích thích thờng phân rã  

Z A, 1  Z 1,A1 e  (1-27) Phản ứng bắt nơtron gây bởi nơtron chậm có năng lợng từ 0 đến 500 keV có xácsuất lớn và thờng đợc ứng dụng để ghi nhận nơtron

- Phản ứng tạo proton (n,p):

 A Z ,    n  A Z ,  1   p (1-28)

- Phản ứng n , :

 A Z ,    n  A  3, Z  2   24He (1-29)

- Phản ứng phân chia hạt nhân (n,f) thờng xẩy ra đối với các hạt nhân nặng nh:

U, Th, Pu,… khi đợc chiếu bởi nơtron có thể tách ra thành hai mảnh với khối ợng gần bằng nhau, trong mỗi phân hạch phát ra trung bình cỡ 2,5 nơtron ngoài

l-ra còn có nơtron trễ phát l-ra từ các mảnh:

 A Z ,    n  A Z1, 1   A Z2, 2  2,5 n (1-30)

1.3 Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.

1.3.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của đầu dò khí nói chung.

Khi bức xạ tơng tác với vật chất có thể xẩy ra hiện tợng ion hóa sinh ra các

điện tử và ion Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động dựa vào hiệu ứng vật lýtrên, khi các phần tử của bức xạ lọt vào vùng nhạy của đầu dò chúng tơng tác vớimôi trờng vật chất trong vùng nhạy (chất khí) sinh ra các ion và điện tử, nên cácphần tử bức xạ đó mất dần năng lợng Nếu đặt một điện trờng vào phần nhạy đóthì các ion và điện tử sẽ chuyển động định hớng về phía các điện cực trái dấu vàtạo thành tín hiệu điện ở mạch ra của đầu dò (hình1-3) [6] Nếu đo và xử lý tín

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

hiệu điện năng ta sẽ thu đợc các thông tin về bức xạ nh: Cờng độ bức xạ, năng ợng bức xạ,…

chuyển động của các phần tử mang điện trong vùng nhạy của đầu dò khí.

Các điện tử và ion đợc tạo thành trong vùng nhạy của đầu dò sẽ tham gia vàocác quá trình sau:

- Khuếch tán trong chất khí

- Tái hợp với các phần tử mang điện trái dấu

- Chuyển động trôi về các điện cực dới tác dụng của điện trờng

1.3.2.1 Quá trình khuếch tán trong chất khí [15].

Các điện tử và ion đợc sinh ra trong quá trình ion sẽ tham gia chuyển độngnhiệt trong chất khí, chúng chuyển động từ vị trí có mật độ cao đến vị trí có mật

độ thấp Hệ số khuếch tán kí hiệu là D (là số ion hay điện tử đi qua 1cm2 trongmột giây do hiện tợng khuếch tán)

Trong trờng hợp khuếch tán ba chiều nếu mật độ môi trờng không đổi và không

có ảnh hởng của các lực bên ngoài lên các phần tử khuếch tán thì sự thay đổi theothời gian của mật độ các phần tử này sẽ đợc mô tả bằng phơng trình sau đây

P



 (1-34)

Với: 0- Quãng đờng tự do trung bình khi áp suất là p0 = 1 đơn vị áp suất

v - Vận tốc trung bình của ion hoặc điện tử

P - áp suất khí

Hiện tợng khuếch tán chỉ đáng kể khi điện trờng giữa các điện cực nhỏ Khi

điện trờng tăng lên đáng kể thì chuyển động khuếch tán có thể bỏ qua so vớichuyển động dới tác dụng của điện trờng

1.3.2.2 Quá trình tái hợp với các phần tử mang điện trái dấu [10] & [15].

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Hiện tợng mà trong đó hai phần tử mang điện trái dấu đã đợc sinh ra do tơngtác của bức xạ với phần nhạy của đầu dò kết hợp với nhau để tạo thành phần tửtrung hòa thì gọi là hiện tợng tái hợp

Gọi n0 là số cặp ion do nguồn bức xạ tơng tác với vật chất sinh ra trong mộtgiây trong 1cm3 khí và n là số cặp ion có mặt trong 1cm3

Nếu mật độ ion âm và dơng càng lớn thì khả năng kết hợp của chúng càng cao

Ta có tốc độ thay đổi mật độ ion là:

dn n n

dt     (1-35)Với: α - Hệ số tái hợp (cm3/s)

n+ và n- - Mật độ của ion dơng và ion âm

Nếu E=0 thì n+ = n- = n, còn ở trạng thái cân bằng động thì dn 0

Đối với một số loại khí nh: Ôxy, hơi nớc, không khí, các khí halogen,…xácsuất phân tử khí bắt điện tử để tạo thành ion âm là rất lớn (gọi là các khí âm).Còn đối với các một số khí nh: H2, N2, các khí thuộc nhóm hydrocarbon, các khítrơ(Ar, Ne,… ) có xác suất tạo thành ion âm rất nhỏ [9] Do vậy nếu muốn giảmmạnh ảnh hởng của hiện tợng tái hợp thì phải loại trừ hết các khí có khả năng tạoion âm trong vùng nhạy của đầu dò khí

1.3.2.3 Quá trình chuyển động của các ion và điện tử về các điện cực dới tác

dụng của điện trờng.

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Khi điện trờng ngoài đợc đặt vào vùng nhậy của đầu dò thì dới tác dụng của lực

điện trờng các điện tử và ion sẽ chuyển động định hớng về các điện cực tơng ứng

và tạo ra dòng điện trong đầu dò và ở mạch ngoài

Ta có mật độ dòng điện tạo ra do chuyển động định hớng của các hạt mang

điện là j đợc biểu diễn nh sau:

j  j  j  n e   n e  (1-36)Với: n n,  - Là mật độ của các ion dơng và âm

j j,  - Mật độ dòng điện tạo ra do chuyển động định hớng của các ion

d-ơng và ion âm

 ,  - Vận tốc định hớng của các ion dơng và âm

Trong điện trờng E các hạt có điện tích sẽ chuyển động định hớng, nếu các hạt

có điện tích là q chuyển động trên quãng đờng dx, thì hạt mang điện đó thu đợcnăng lợng là q.E.dx, nhng trong quá trình chuyển động trên quãng đờng đó do vachạm với các phân tử trung hòa nên hạt mất một phần năng lợng là  k   với

 là động năng của hạt;  là số lần va chạm trung bình trên quãng đờng mà hạt

đi qua dx và k là năng lợng trung bình hạt bị mất trong một lần va chạm (k < 1).Lúc đầu hạt có động năng nhỏ do vậy trong quá trình chuyển động năng lợng màhạt bị mất do va chạm nhỏ hơn năng lợng thu đợc trong điện trờng nghĩa là .k

  < q.E.dx Nên động năng của hạt tăng dần Nhng vì phần năng lợng củahạt bị mất do va chạm với các phân tử trung hòa cũng tăng lên dần và đạt đến giátrị  .k  = q.E.dx Từ lúc này hạt có động năng trung bình (ở trạng thái cânbằng động) là  không thay đổi

Tốc độ chuyển động của điện tử hoặc ion đợc tính bằng tốc độ chuyển độngtrung bình giữa hai lần va chạm liên tiếp với phân tử khí, nếu vùng nhậy đ ợc đặttrong điện trờng là E [V/m], áp suất khí trong vùng đó là p [atm] và gọi 

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

[m2.atm.V-1.s-1] là độ linh động của ion hay điện tử, ta có vận tốc của ion hay điện

Bảng 1-3: Độ linh động của một số ion ở áp suất p = 760 mmHg [9]

động của điện tử rất lớn so với độ linh động của ion

Thực nghiệm cho thấy khi vùng khí đợc đặt trong điều kiện với tỷ số E/p nhnhau, thì tốc độ trôi của điện tử trong các khí đa nguyên tử nh CO2, CH4, C3H8,

… lớn hơn nhiều so với trong các khí trơ nh Ar, He, …Do vậy trong đầu dò khíngời ta hay dùng hỗn hợp khí trơ và khí đa nguyên tử (thờng < 10%) để làm tăngkhả năng hoạt động nhanh của đầu dò

Bảng 1-4: Tốc độ trôi của điện tử (cm/s) trong các loại khí ở các giá trị E/p

- - - 32 57

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

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

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

0,65 0,9 1,2 1,6 2,6

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

E/p [V/m.atm]1,5x105

1,00,5

Hình 1-4, cho thấy đối với các loại khí CH4 và hỗn hợp khí Ar + 10%CH4, cóhiệu ứng bão hòa đối với tốc độ trôi của điện tử, Tốc độ trôi sẽ đạt giá trị lớn nhấtứng với một giá trị điện trờng tơng đối lớn và sau đó có thể giảm dần nh tronghỗn hợp khí Ar+10%CH4 [10]

1.3.3 Các vùng điện áp đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.

Hình vẽ (1-5) mô tả sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu ra với điện áp đặt vàovùng nhạy của đầu dò Dựa vào sự phụ thuộc này ngời ta chia thành các vùng

điện áp đặc trng của đầu dò [10]

Hình 1-5: Sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu vào điện áp đặt vào vùng nhạy của

đầu dò khí

Vùng 1: Khi tăng điện áp đặt vào vùng nhạy của đầu dò thì biên độ tín hiệu

cũng tăng lên Ban đầu điện áp đặt vào còn nhỏ nên điện trờng yếu Do vậy cácion và điện tử đợc tạo thành có thể bị tái hợp thành phân tử khí trung hòa và dẫn

đến số ion và điện tử đến đợc các cực tơng ứng ít hơn số ion và điện tử tạo thành.Nếu UAK tiếp tục tăng thì điện trờng tăng dẫn đến xác suất tái hợp giảm xuống vìvậy biên độ tín hiệu ở mạch ngoài tăng lên

Vùng 2: Nếu tiếp tục tăng điện áp, dẫn đến điện trờng đủ mạnh để làm cho các

ion và điện tử đợc tạo thành chuyển động về các cực của đầu dò và lúc này có thểvẫn còn hiện tợng tái hợp nhng rất nhỏ ta có thể bỏ qua Nếu bức xạ ion hóa vàcác khí trong đầu dò không thay đổi thì có bao nhiêu ion và điện tử đợc tạo thành

đều chuyển động hết về các điện cực tơng ứng, dẫn đến biên độ tín hiệu ra khôngthay đổi Đây là vùng bão hòa và ta thấy đờng cong ở trên có dạng nằm ngang

Đây chính là vùng hoạt động của buồng ion hóa

Vùng 3: Tiếp tục tăng điện áp Lúc này xẩy ra hiện tợng ion hóa thứ cấp Do

điện tử có khối lợng nhỏ nên chúng nhận đợc năng lợng lớn và chuyển động tơng

đối mạnh trong vùng nhậy trong quá trình chuyển động về anốt chúng va chạmvới các phân tử khí và ion hóa các phân tử này và làm tăng thêm số điện tử vềanốt, nghĩa là số điện tử đợc sinh ra nhỏ hơn số điện tử về anốt Đây gọi là hiện t-ợng khuếch đại khí Nếu ta có N0 là số hạt có điện tích đợc sinh ra do bức xạ ionhóa và N là số hạt có điện tích về anốt thì ta có hệ số khuếch đại khí đợc tính nhsau f = N/N0 Từ hình 1-5, ta thấy biên độ tín hiệu ra tỷ lệ tuyến tính với điện áp

đặt vào đầu dò ứng với một điện áp thì hệ số f không thay đổi Biên độ tín hiệuthu đợc tỷ lệ tuyến tính với số cặp ion - điện tử tạo ra do bức xạ ion hóa Nghĩa là

tỉ lệ với năng lợng bớc xạ bị hấp thụ trong vùng nhậy của đầu dò Đây chính làvùng hoạt động của ống đếm tỉ lệ

Vùng 4: Do sự khuếch đại khí tăng lên mạnh mẽ đã dẫn đến xuất hiện một lợng

lớn ion dơng Do ion dơng có khối lợng lớn hơn điện tử rất nhiều nên vận tốcchuyển động định hớng trong điện trờng cũng rất nhỏ dẫn đến chúng bị phân tántrong vùng nhạy của đầu dò Các ion này tập trung với mật độ lớn sẽ tạo thành

đám mây điện tích dơng và chúng gây nhiễu điện trờng, dẫn đến kìm hãm quá

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

trình ion hóa thứ cấp và lúc này sự khuếch đại khí không còn tỉ lệ tuyến tính nữa.Vùng này đợc gọi là vùng tỉ lệ hạn chế.

Vùng 5: Khi điện áp tăng lên cao lúc này điện trờng trong vùng nhậy của đầu dò

rất lớn và vận tốc chuyển động của điện tử tăng lên mạnh mẽ làm cho quá trìnhion hóa thứ cấp chiếm u thế hoàn toàn Mỗi điện tử trên quãng đờng chuyển động

đến anốt đợc nhân lên nhiều lần và tạo thành một dòng thác điện tử, mỗi điện tửtrong đó lại có thể tạo ra một dòng thác điện tử khác và dẫn đến hiện tợng phóng

điện trong đầu dò Vùng này có biên độ tín hiệu ra tăng rất nhanh và không phản

ánh bất cứ tính chất nào của bức xạ tới Đây là vùng Geiger – Muller Đầu dòhoạt động trong vùng này gọi là ống đếm Geiger - Muller

Vùng 6: Nếu tiếp tục tăng điện áp Thì quá trình tạo dòng thác điện tử càng tăng

mạnh và dẫn đến hiện tợng phóng điện tự duy trì

Nh vậy ta thấy tùy thuộc vào vùng điện áp đặt vào vùng nhậy của đầu dò mà

đầu dò có thể hoạt động nh một buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ hay ống đếmGeiger - Muller

1.3.4 ảnh hởng của áp suất.

Đối với chất khí, nếu áp suất tăng nghĩa là mật độ các phân tử khí tăng Dẫn

đến xác suất va chạm của ion và điện tử với phân tử khí tăng lên Nh vậy khảnăng tái hợp cũng tăng lên và làm giảm biên độ xung ra Từ công thức (1-37) tốc

độ trôi của điện tử và ion tỷ lệ với E/p, nghĩa là nếu muốn giữ cho tốc độ chuyển

động của ion hay điện tử không thay đổi khi tăng áp suất khí trong vùng nhạycủa đầu dò thì phải đồng thời tăng điện áp hoạt động của đầu dò

Nếu áp suất tăng còn làm giảm quãng chạy của bức xạ ion chiếu tới

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

1.3.5 Phân loại và nguyên tắc hoạt động của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.

1.3.5.1 Phân loại đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.

Trong thực tế ta có thể phân loại theo ba cách nh sau:

Dựa vào vùng điện áp làm việc của đầu dò ta có thể chia thành các loại đầu dònh: Buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger - Muller

Dựa vào chế độ hoạt động của đầu dò ta có: Đầu dò hoạt động ở chế độ dòng

và đầu dò hoạt động ở chế độ xung

Dựa vào cấu tạo ta chia làm hai loại đầu dò chính là: Đầu dò khí có các bảncực phẳng song song và đầu dò khí có dạng hình trụ Hai loại đầu dò này có đặc

điểm khác nhau ở chỗ, với đầu dò loại các bản cực phẳng song song thì điện ờng trong vùng nhạy của đầu dò là đều còn với đầu dò có dạng hình trụ thì cờng

tr-độ điện trờng càng gần dây anốt thì càng lớn

1.3.5.2 Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động theo chế độ dòng.

a Nguyên tắc hoạt động

Hình 1-6: Sơ đồ nguyên tắc của đầu dò ion hóa dòng

Nguyên tắc hoạt động của loại đầu dò này là, khi có bức xạ ion hóa rơi vàovùng nhạy của đầu dò, bức xạ đó sẽ làm ion hóa các phân tử khí trong vùng nhạy

và xuất hiện các phần tử có điện tích (ion và điện tử), dới tác dụng của điện trờng

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

U0

Bức xạ ion hóa

chúng chuyển động về các điện cực trái dấu [6] Và xuất hiện dòng điện ở mạchngoài, ta đo và sử lý tín hiệu điện đó từ đó xác định đợc các đặc trng của bức xạion hóa.

b Dòng điện ion hóa trong đầu dò

Hình 1-5, cho thấy khi điện áp giữa các cực của đầu dò còn thấp, nên điện ờng giữa hai cực của đầu dò nhỏ Trong trờng hợp này tốc độ trôi của các phần tửmang điện còn nhỏ và mật độ các hạt mang điện lớn dẫn đến sự tái hợp xẩy ramạnh mẽ và số hạt có điện tích về các điện cực rất nhỏ Khi tăng dần điện áp thì

tr-điện trờng trong vùng nhậy cũng tăng lên làm cho tốc độ trôi của các phần tửmang điện tăng lên và quá trình tái hợp giảm Do đó khi điện áp tăng thì cờng độdòng điện ion hóa cũng tăng Tiếp tục tăng điện áp đến một mức nào đó toàn bộcác phần tử mang điện do ion hóa đều bị điện trờng kéo về các điện cực tơng ứng,lúc này hiện tợng tái hợp còn rất nhỏ ta có thể bỏ qua, đây là chế độ hoạt động ổn

định và dòng điện đạt giá trị bão hòa

Giả sử ta có số ion đợc sinh ra trong một đơn vị thời gian bởi bức xạ là N0, khi

đó ta có dòng điện bão hòa bởi bức xạ ion hóa là:

Nếu khoảng cách giữa hai điện cực và điện áp đặt vào các điện cực không thay

đổi, và ta tăng dần áp suất P trong vùng nhạy thì sự phụ thuộc I0 vào P nh sau: Với một chùm bức xạ có cờng độ không đổi thì nồng độ các phần tử mang điện

đợc sinh ra do hiện tợng ion hóa tỷ lệ với áp suất khí Khi áp suất tăng lên thì I0

cũng tăng tỷ lệ với P, do số cặp ion đợc tạo thành trong mỗi đơn vị thời giantrong một đơn vị thể tích khí tăng lên nhanh hơn so với sự mất điện tích do quátrình tái hợp Nhng nếu áp suất tăng lên rất lớn thì I0 giảm rất nhanh và tỷ lệnghịch với áp suất P , do lúc này hiện tợng tái hợp chiếm u thế

1.3.5.3 Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động theo chế độ xung [11].

Hình 1-8: Sơ đồ nguyên tắc của đầu dò bức xạ ion hóa xung.

Xét trờng hợp đầu bức xạ ion hóa có hai điện cực phẳng và song song là Anốt(A) và Katốt (K) Mạch ngoài gồm điện trở R, điện dung C0 để thu nhận tín hiệu

ra từ đầu dò và C là điện dung ký sinh

Khi các điện tử và ion chuyển động theo điện trờng ở trong vùng nhạy của đầu

dò thì chúng làm xuất hiện dòng điện cảm ứng ở mạch ngoài của đầu dò Dòng

điện này chạy qua điện trở R làm giảm điện thế tại Anốt và điện cực của tụ điện

C0 Vì vậy làm xuất hiện một tín hiệu điện ở mạch ra của đầu dò

1.3.5.4 Đầu dò bức xạ ion hóa xung có lới.

Các hạt cùng năng lợng rơi vào vùng nhạy ở vị trí khác nhau sẽ tạo ra các xung

có biên độ khác nhau do thời gian góp điện tử khác nhau Nh vậy việc nghiên cứuphổ năng lợng của hạt gặp khó khăn Để khắc phục nhợc điểm đó ngời ta dùng

đầu dò xung có lới

Hình 1-9: Đầu dò bức xạ ion hóa có lới

Trong đầu dò xung có lới thì tất cả các ion và điện tử đợc tạo ra bởi bức xạ ionhóa đều nằm trong khoảng từ Katốt đến lới Khi các ion và điện tử chuyển độngtrong khoảng Katốt và lới thì tín hiệu ra vẫn bằng không Chỉ khi đã đi qua khỏilới thì các điện tử này mới tạo ra dòng điện cảm ứng trong mạch ra và tạo nên tín

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

   

hiệu điện Nh vậy thời gian thu điện tử đối với tất cả các điện tử đợc tạo thànhtrong khoảng từ Katốt đến lới là bằng nhau Do đó tín hiệu ra ở mạch ngoàikhông phụ thuộc vào vị trí ion hóa của bức xạ.

Các đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa làm việc ở chế độ xung

Khi thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa, chúng ta cần phải khảo sát một số

đặc trng của đầu dò nh: Độ phân giải theo thời gian, hiệu xuất ghi bức xạ, đặc

tr-ng đếm, … Để đánh giá chất lợtr-ng của đầu dò

- Độ phân giải theo thời gian

Với đầu dò bức xạ ion hóa xung, độ phân giải theo thời gian là thời gian tốithiểu giữa hai lần xuất hiện hạt liên tiếp để cho hai hại đó không bị ghi nh mộtxung, đây là một trong những đặc trng quan trọng của đầu dò bức xạ ion hóaxung

-Hiệu xuất ghi nhận bức xạ của đầu dò ion hóa xung

Tỉ số giữa số hạt đếm đợc với số hạt rơi vào vùng nhạy của đầu dò đợc gọi là hiệuxuất ghi nhận bức xạ của đầu dò

- Đặc trng đếm và Plato

Một trong những đặc trng chính của đầu dò bức xạ ion hóa xung là đặc trng

đếm, là sự phụ thuộc của tốc độ đếm xung vào điện áp nuôi Khi cờng độ bức xạtrong vùng nhạy và các điều kiện đo không thay đổi Giữa điện áp U0 và Up đờng

đặc trng đếm hầu nh nằm ngang (Hình 1-10) đoạn này gọi là Plato, tức là tốc độ

đếm không đổi Đầu dò có chất lợng tốt khi đoạn Plato dài và có độ dốc nhỏ

1.3.5.5 Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ.

Đầu dò khí phẳng có điện trờng ở giữa các điện cực coi nh là đều, khi tăng

điện thế giữa các điện cực thì đến một giới hạn nhất định nào đó sẽ xẩy ra sự ionhóa thứ cấp Nguyên nhân cơ bản khởi tạo các thác lũ điện tử trong đầu dò dọctheo vết của hạt bức xạ Nh vậy, dù các hạt tới có cùng năng lợng thì biên độxung tín hiệu tạo ra sẽ khác nhau và phụ thuộc vào vị trí ion hóa ban đầu Đểkhắc phục hạn chế trên ngời ta sử dụng mô hình đầu dò khí hình trụ [9] & [15]

0 1

2

1.ln

U E

r r

độ điện trờng càng yếu Nh vậy các tại các vị trí cách xa dây anốt thì các ion và

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

điện tử chỉ chuyển động với vận tốc nhỏ về các cực tơng ứng, nhng khi các điện

tử cách dây anốt khoảng vài lần đờng kính của dây thì chúng đợc gia tốc rấtmạnh và các điện tử này tạo ra hiện tợng ion hóa thứ cấp, tạo nên thác lũ điện tử

và ta thu đợc tín hiệu ra lớn Nh vậy ảnh hởng của vị trí ion hóa ban đầu rất nhỏ

và có thể bỏ qua

Chơng II Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng

khí có dạng hình trụ.

Đầu dò đợc thiết kế có vỏ là một ống trụ rỗng bằng kim loại và một đoạn dâykim loại thẳng nằm trùng với trục của ống trụ này Vỏ trụ đợc dùng làm Katốtcòn dây kim loại là Anốt hình (2-1)

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

Hình 2-1: Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí dạng hình trụ.

2.1.1 Vỏ trụ katốt.

2.1.1.1 Lựa chọn vật liệu.

Với nhiệm vụ của luận văn này thì vỏ của đầu dò phải đạt đợc các điều kiệnsau:

- Phải dẫn điện tốt, vì vỏ của đầu dò đóng vai trò là cực katốt

- Phải giữ đợc chân không và giữ đợc áp suất hỗn hợp khí khi nạp vào đầu dò, với

đề tài này ta khảo sát ở áp suất khí tối đa là 2,5 atm (áp suất tuyệt đối)

- Trong quá trình hút, nạp khí áp suất trong đầu dò thay đổi từ 2.10-2 mmHg đến2,5 atm Vì vậy mà vỏ có khi phải chịu một lực nén của khí quyển lên bề mặt vỏ(quá trình hút chân không), ngợc lại khi nạp khí thì vỏ lại chịu một lực đẩy từtrong ra ngoài Nh vậy vật liệu để làm vỏ đầu dò phải đáp ứng đợc yêu cầu trên

- Mặt khác, vỏ đầu dò phải mỏng nhất có thể để các bức xạ ion hóa dễ dàngxuyên qua lớp vỏ vào vùng nhạy của đầu dò

- Vỏ đầu dò phải có khả năng chịu va đập, chống mài mòn cơ học và hóa học, dễgia công, giá thành rẻ

Căn cứ vào những điều kiện trên em đã chọn vật liệu làm vỏ đầu dò là thépkhông gỉ, đây là loại vật liệu cứng, chịu đợc nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chẩytrên 10000C), không bị ôxy hóa trong không khí Trên thị trờng có nhiều loại ốngthép không gỉ với đờng kính khác nhau nên có thể dễ dàng lựa chọn

Trong thiết kế cơ khí ta có công thức tính toán bề dầy vỏ thiết bị chịu áp lực nhsau [3]:

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

d = d0 + c (2-1) Trong đó: d - là bề dầy thực của vỏ trụ.

d0 - bề dầy tối thiểu của vỏ

c - hệ số bổ xung bề dầy tính toán (là đại lợng cần chú ý khi thiết bịlàm việc trong điều kiện có ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học)

Trong quá trình thực nghiệm của đề tài này ta tiến hành đo trong điều kiệnkhông có ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học vì vậy ta có thể bỏ qua hệ số c

0 .

2 .

t h

P D

 

  (2-2)

Trong đó: P - áp suất trong đầu dò [N/mm2]

Dt : Đờng kính trong của vỏ trụ [mm]

h : Hệ số bền mối hàn (với thép không gỉ thì nếu hàn giáp mối hai

phía thì h  , nếu hàn một phía 1 h  0,9)

 : ứng suất cho phép của vật liệu [N/mm2], là đại lợng để tính độbền của thiết bị

2.1.1.2 Lựa chọn kích thớc vỏ của đầu dò khí.

Trong chế tạo đầu dò khí em chọn vỏ đầu dò có đờng kính trong là Dt = 38 mm

và độ dầy là d = 1mm Nếu chọn d < 1mm thì trong quá trình hàn dễ bị thủng và

bị bẹp khi va chạm, ngợc lại nếu d > 1mm thì ảnh hởng đến bức xạ tới Nếu chọnd=1mm thì từ công thức (2-2) ta có áp suất tối đa mà vỏ đầu dò có thể chịu đợclà:

2 .h

t

d P

Vậy: p  7,368( / N mm2)= 75,1 atm.

Với kích thớc trên đầu dò có thể chịu đợc áp suất tối đa là 75,1 atm, trong khi

đó đầu dò chỉ hoạt động với áp suất thử nghiệm cao nhất là 8 atm, nh vậy là rất

an toàn khi sử dụng

2.1.2 Dây Anốt.

Lựa chọn vật liệu

Với đầu dò có dạng hình trụ hoạt động ở chế độ xung điện tử thì dây anốt cónhiện vụ là điện cực thu tín hiệu, vì vậy yêu cầu vật liệu làm dây anốt phải cótính dẫn điện tốt

Bảng 2-1: Điện trở suất của một số vật liệu [1].

TT Tên kim loại Ký hiệu Điện trở suất ( mm m2 / )

Với những u điểm trên em đã chọn đồng làm dây anốt

Trong thiết kế đầu dò bức xạ ion hóa dạng hình trụ thì dây anốt đóng vai trò làcực thu tín hiệu Dựa vào công thức (1-39), ta tính đợc sự phụ thuộc của cờng độ

điện trờng ngay sát bề mặt dây anốt với các bán kính dây anốt khác nhau theo

điện áp khi áp suất khí là 1atm và bán kính trong của vỏ trụ katốt là r1 = 19 mm.Bảng 2-2: Giá trị cờng độ điện trờng trên bề mặt anốt theo bán kính dây anốt (r2);

điện áp U đặt vào đầu dò khi áp suất P= 1atm và bán kính trong của vỏ trụ katốt

r1=19mm

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc

LuËn v¨n cao häc Vò §×nh Phíc

0 5 10 15 20 0.00

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Hình 2-2: Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của cờng độ điện trờng E vào khoảng cách

từ tâm anốt trong đầu dò khí hình trụ với bán kính dây anốt r2 =0,25mm, P=1 atm

Khi lựa chọn dây anốt ta chú ý một số đặc điểm sau:

- Đờng kính dây anốt càng nhỏ thì vùng điện trờng mạnh xung quanh dây anốtcàng hẹp

- Cờng độ điện trờng càng gần dây anốt thì càng mạnh và ngợc lại

- Đờng kính dây anốt càng nhỏ thì càng khó tạo ra sự đồng đều dọc theo sợi dây,dẫn đến điện trờng dễ bị méo

Trong thiết kế đầu dò này em đã chọn dây anốt có bán kính là r2=0,25 mm Đồthị hình (2-2) ta thấy trong đầu dò khí hình trụ cờng độ điện trờng tính theokhoảng cách từ tâm dây anốt, thì vùng điện trờng mạnh xung quanh dây anốt rấthẹp, càng xa dây anốt thì cờng độ điện trờng giảm rất nhanh Nh vậy miền

khuếch đại khí rất hẹp nên ta hạn chế đợc sự phụ thuộc của tín hiệu ra vào vị tríion hóa ban đầu của bức xạ.

2.1.3 Lựa chọn vật liệu cách điện cho đầu dò.

Vật liệu cách điện phải đạt các yêu cầu sau [1]:

- Cần có điện trở đủ lớn để đảm bảo cách điện tốt

- Tổn thất năng lợng điện trong vật liệu cách điện nhỏ

- Gia công dễ dàng, dễ thay thế và giá thành phù hợp

Vật liệu cách điện đợc chọn để làm giá đỡ dây anốt và làm đế lắp đặt mạch điệncủa đầu dò (xem hình 2-5) là teflon

Bảng 2-3: Một số tính chất của teflon (polytetrafloetylen) [5].

Điện trở suất

(Ωcm)

Hằng số điện môi tơng đối.

Cờng độ điện ờng đánh thủng (kV/mm).

tr-Nhiệt độ nóng chẩy ( 0 C )

Độ thấm

n-ớc sau 24h (%).

Vật liệu cách điện giữa điện cực và vỏ đầu dò phải có điện trở suất lớn, chịu đợc

áp suất khí trong đầu dò và chống đợc dòng rò giữa các điện cực Điện cực cónhiệm vụ đa cao áp vào đầu dò và lấy tín hiệu ra vì vậy nếu xẩy ra hiện tợng rò

điện thì ảnh hởng đến tín hiệu ra và gây ra nhiễu Vì vậy trong khi thiết kế em đãchọn nhựa epocxi Sau đây là một vài tính chất của nhựa epocxi

Bảng 2-4: Một số tính chất của nhựa epocxi [5]

Điện trở suất

(Ωcm)

Hằng số điện môi tơng đối.

Cờng độ điện ờng đánh thủng (kV/mm).

tr-Nhiệt độ nóng chẩy ( 0 C).

Giới hạn bền cơ học (kg/cm 2 ).

10  10 3 4 20 80  140 0 C 800 900 

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc