Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng những nội dung đợc 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 cao học mà tôi đợc giao.
Tôi xin chịu trách nhiệm trớc pháp luật về những nội dung đợc trình bày trong
luân văn này.
Vũ Đình Phớc.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
1
MC LC
Lời cam đoan 1
Tóm tắt nội dung luận văn 4
SUMMARY CONTENTS OF THESIS 5
Lời nói đầu 6
Chơng I. Ghi nhận bức xạ ion hóa 9
1.1. Tơng tác của hạt nặng có điện tích với vật chất 9
1.1.1. Tiêu hao năng lợng do ion hóa và kích thích nguyên tử của hạt nặng có điện
tích 9
1.1.2. Sự tiêu hao năng lợng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích 14
1.1.3. Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trờng vật chất 15
1.1.4. Năng lợng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa 18
1.2. Tơng tác của nơtron với vật chất 20
1.3. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí 21
1.3.1. Cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của đầu dò khí nói chung 21
1.3.2. Quá trình chuyển động của các phần tử mang điện trong vùng nhạy của đầu
dò khí 22
1.3.3. Các vùng điện áp đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí 28
1.3.4. ảnh hởng của áp suất 30
1.3.5. Phân loại v nguyên tắc hoạt động của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí 31
Chơng II. Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí
Phụ luc IV 112
Phụ luc V 121
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
3
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 là
phiên 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
239
Pu
trong dải áp suất từ 1,2 atm đến 2,5 atm (áp suất tuyệt đối), ở ba tỷ lệ khí Ar :
CO
2
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.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
4
4. Đã ghi nhận đợc nơtrôn thông qua phản ứng (n,). Trong đề tài này nơtrôn đ-
ợc ghi nhận thông qua phản ứng sau:
6 3
3.3. Finding working electric tension area of probe from 20v to 250v.
4. Recorded neutron through reaction (n, ). In this topic, neutron is recorded
through the reaction as follows:
n +
6
3
Li
3
1
H + + 4,785 MeV
These achieved results in the topic will be very important experience and
contents for the next researches to improve the ionizing radiation probe through
type of cylinder shaped gas in particular as well as the ionizing radiation probe in
Vietnam 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 có
nhiều nguồn phát bức xạ nơtrôn. Đồng thời trong môi trờng luôn tồn tại nhiều
loại 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 cấp
thiết 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 sử
dụng 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 ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kể cả trong nghiên cứu cơ bản cũng nh vật lý
năng 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 mà
các 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,
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
7
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 u
nhất. Khảo sát những đặc trng quan trọng của đầu dò bằng nguồn alpha
239
Pu
và
ghi nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,). Với những nhiệm vụ khá lớn nh trên
lại thực hiện trong thời gian làm luận văn khá hạn hẹp và điều kiện thực nghiệm
khó khăn. Hơn nữa với những hạn chế về kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm
thực nghiệm nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều thiếu sót không thể
tránh khỏi. Tuy nhiên với sự chỉ bảo, hớng dẫn và giúp đỡ của các thầy, cô và các
anh, 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 nghiệm
rất sâu sắc và đã khích lệ tinh thần giúp em hoàn thành bản luận văn này. Xin
chân thành cảm ơn Th.S. Lơng Hữu Phớc, KS. Trần Hoài Nam đã giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tại Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và
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 tôi
trong suốt quá trình học tập.
Học viên
Vũ Đình Phớc
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
8
Chơng I. Ghi nhận bức xạ ion hóa
1.1. Tơng tác của hạt nặng có điện tích với vật chất.
2
2 4
2
2
2
2 .
4 . .
ln
.
1
e
e
ion
e
m v
dE z e
S N
dx m v
I
ữ
= =
ữ
ữ
Trong trờng hợp ô 1 (v ô c nghĩa là động năng của hạt không quá lớn). Thì ta có
công thức Bohr tính độ tiêu hao năng lợng riêng của hạt do ion hóa sau đây:
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
10
2
2 4
2
2 .
4 . .
ln
.
e
e
ion
e
m v
dE z e
S N
dx m v I
= =
ữ
(1-2)
Ta có mật độ electrôn của chất tỷ lệ thuận với mật độ chất
:
e
m v
Z N
dE z e
S
dx m v A
I
ữ
= =
ữ
ữ
(1-4)
Từ công thức (1-4) ta thấy độ tiêu hao năng lợng còn tỷ lệ thuận với mật độ chất,
tức là nếu chiều dầy chất hấp thụ đợc biểu diễn theo chiều dầy khối
.x
(có thứ
nguyên [g/cm
2
]) thì tiêu hao năng lợng trên một đơn vị độ dài khối
( )
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 electrôn
của chất hấp thụ, tỷ lệ với bình phơng điện tích của hạt z
2
và tỷ lệ với
2
1
v
(hay là tỷ
lệ nghịch với động năng hạt nặng) và độ tiêu hao năng lợng riêng (dE/dx) phụ
thuộc rất mạnh vào điện tích và tốc độ của hạt tới. Độ ion hóa riêng (số cặp ion sinh
ra trên một đơn vị quãng đờng) tăng lên khi tốc độ hạt giảm xuống. Đờng cong mô
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
11
tả sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đờng đi của hạt trong chất hấp thụ đợc gọi
là đờng cong Bragg (xem hình 1-1).
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
12
x
Hình 1-1: Sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đờng đi
của hạt . Trong đó:
x - Quãng đờng đi của hạt nặng có điện tích ở trong môi
trờng; y-Độ ion hóa riêng.
y - Độ tiêu hao năng lợng riêng.
y
0
Hình 1-1, mô tả đờng cong Bragg đối với hạt alpha có năng lợng ban đầu
7,68E MeV
S N M
dx E m I M
= =
(1-5)
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 l-
ợng riêng càng lớn.
Khi hạt tới có động năng nhỏ, điện tích của nó có thể bị thay đổi do có thể nó bắt
thêm điện tử của nguyên tử môi trờng hoặc bị nguyên tử lấy mất điện tử. Nói chung
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
13
( )
dE
dx
E
Hình 1-2: Sự phụ thuộc (-dE/dx)
vào động năng của hạt.
thì 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 giảm
xuống 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
nh sau:
ữ (1-6)
Trong đó: 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 l-
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, ngoài
hiện 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 có
thể 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 hạt
nhân nguyên tử đợc tính nh sau:
( )
2
2 2 4
2
2
2
tan
2. .
4 . . .
. .ln
.
1
tan
. 2. .
4 . .
. . .ln
.
1
e e
e
xa
hn e
m Z m v
dE z e
S N
dx M m v
I
ữ
= =
ữ
ữ
(1-8)
Trong đó: N - Là mật độ hạt nhân nguyên tử môi trờng (N=N
năng ban đầu, khối lợng và điện tích của hạt. Quãng chạy đợc kí hiệu là R và đợc
tính bằng công thức sau đây:
( )
0
0
E
dE
R
dE
dx
=
(1-9)
Trong đó E
0
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 ( ô 1) ta có:
2
( )
M
R f v
z
=
(1-10)
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
15
Hàm số f(v) có dạng nh nhau đối với các hạt nặng có khối lợng khác nhau nhng
1
, z
2
, hai hạt có cùng vận tốc
ban đầu v
1
= v
2
= v. Xét trong trờng hợp gần đúng, áp dụng công thức (1-10) ta có:
2
1 2 1
2
2 1 2
( )
.
( )
R v z M
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.
2
2 1
1 2
2
1 2
( ) . . ( )
2 2
1 2
1 2
;
2 2
M v M v
E E= =
.
1 1 2
2 1
2 2 1
.
E M M
E E
E M M
= =
; thay vào công thức (1-14) ta có:
2
2 1 2
1 1 2 1
2
1 2 1
( ) . .
z M M
R E R E
z M M
=
ữ
Do đó nếu biết quãng chạy của một hạt trong chất khí ở áp suất P
1
thì có thể xác
định đợc quãng chạy của hạt này trong chất khí ở áp suất P
x
nh sau:
1
1
.
x
x
P
R R
P
=
(1-18)
Trong đó: R
1
Quãng chạy của hạt tại áp suất P
1
.
R
x
Quãng chạy của hạt tại áp suất P
x
.
Quãng chạy của hạt có điện tích cũng thờng đợc tình bằng công thức bán thực
nghiệm.
Ví dụ:
- Năng lợng của hạt alpha (MeV).
Trong đó quãng chạy khối bằng khối lợng của vật chất trong một hình trụ cao
bằng quãng chạy tuyến tính của hạt R(m) và có tiết diện 1 m
2
:
.
m
R R
=
(1-21)
- là mật độ khối của vật chất (kg/m
3
).
Từ công thức (1-16), ta áp dụng cho hạt Alpha và Triti thì quãng chạy của
chúng đợc tính theo quãng chạy của proton nh sau:
2
1
( ) . . .
2 4
p
p p
p
m
M E
R E R E R
=
ữ
ữ
(2-23)
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 và
kích 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 I
ion
.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
18
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 và
năng lợng kích thích nguyên tử cũng nh tỷ số của xác suất ion hóa và xác suất
kích 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]:
Khí Ar O
2
N
đối với từng loại khí ứng với mỗi loại bức xạ tới có năng lợng là E
bucxa
. Khi đó ta
có số cặp ion-điện tử N đợc tinh nh sau:
bucxa
E
N
w
=
(1-25)
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]:
Khí Ar O
2
N
2
He H
2
Không
khí
CH
4
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
19
w
e nhanh 26,4 30,8 34,8 41,3 36,5 33,8 27,3
26,3 32,2 36,4 42,7 36,4 35,1 29,1
Quá trình hấp thụ nơtron thờng dẫn đến các phản ứng hạt nhân sau [13] &
[16].
- Bắt nơtron và phát lợng tử gamma:
( ) ( )
, , 1n Z A Z A
+ + +
(1-26)
Hạt nhân mới ở trạng thái kích thích thờng phân rã
.
( ) ( )
%
, 1 1, 1Z A Z A e
+ + + + +
(1-27)
Phản ứng bắt nơtron gây bởi nơtron chậm có năng lợng từ 0 đến 500 keV có xác
suất lớn và thờng đợc ứng dụng để ghi nhận nơtron.
- Phản ứng tạo proton (n,p):
( ) ( )
, , 1A Z n A Z p
+ +
(1-28)
- Phản ứng
thì các ion và điện tử sẽ chuyển động định hớng về phía các điện cực trái dấu và
tạo thành tín hiệu điện ở mạch ra của đầu dò (hình1-3) [6]. Nếu đo và xử lý tín
hiệu điện năng ta sẽ thu đợc các thông tin về bức xạ nh: Cờng độ bức xạ, năng l-
ợng bức xạ,
1.3.2. Quá trình 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 vào
các 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.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
22
Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý của đầu dò bức xạ
ion hóa bằng khí. Ký hiệu A-anốt; K-katốt; U
0
-
độ chênh lệch điện thế đợc cung cấp bởi nguồn
một chiều; T-khóa đóng ngắt mạch.
A
V
0
K
T
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 động
nhiệt 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 1cm
2
2
2
n d n
D
t dx
=
(1-33)
Với: n - Mật độ các phần tử mang điện (cm
-3
).
D - Hệ số khuếch tán (cm
2
/s).
Ta có công thức tính hệ số khuếch tán nh sau [9]:
0
.
3
v
D
P
=
(1-34)
Với:
0
- Quãng đờng tự do trung bình khi áp suất là p
+
=
(1-35)
Với: - Hệ số tái hợp (cm
3
/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
0
dn
dt
=
.
Ban đầu n tăng và gần nh tỷ lệ với thời gian, nhng dần dần mật độ ion tăng làm
cho quá trình tái hợp tăng lên do vậy n tăng chậm và đạt đến giá trị không đổi, ta
có trạng thái cân bằng động.
Hệ số tái hợp phụ thuộc vào tốc độ tơng đối của các hạt có điện tích, tốc độ này
càng nhỏ thì hệ số tái hợp càng lớn. Trong những điều kiện nh nhau thì tốc độ
chuyển động của ion nhỏ hơn rất nhiều so với của điện tử. Do đó hệ số tái hợp
của các ion âm và ion dơng lớn hơn rất nhiều so với hệ số tái hợp của ion dơng
với điện tử.
,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 đợc
năng lợng là q.E.dx, nhng trong quá trình chuyển động trên quãng đờng đó do va
chạm 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
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
25
Copyright: Tài liệu đại học ©