Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm vật lý: Chế tạo hệ thống đầu dò điều khiển từ xa cho các thí nghiệm về phóng xạ ở phổ thông

Có thể thu được bức xạ điện từ năng lượng cao không chỉ trong phân rã phóng xạ hoặc trong các phản ứng hạt nhân mà còn trong các máy gia tốc điện tử bêtatrôn, xincrôtrôn.Trong trường hợp

BỘ GIÁO ĐỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SỰ PHAM TPHCM

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Anh Đức

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc B

Khóa: 42

TP.HCM, tháng 07 năm 2020

MỤC LỤC

MÔOĐAU acc acc nan 000000000009 1

Ì, Eý och Bb i sessssossauiinỷinnoiortotiotiitittiiiI0000001011014G13043314083081ã001001804300ã0qã2gm 1

Bs, CÁchiHf0 cÏrsennsenueeninnitiiotntitiiotiitoiiioiiEHEGHEHIEIEHBUI3 100-0808 nai 1

4 Phương pháp nghiên cứu - «SH nu tư nu nu ngưng ng ngu 1

Š, (lniirú6cäsikR6BlNỆNsssesoaaaoaaearootiiroiinoadtioitriioiauitditoooaoarsasa 1

CHƯƠNGI: CƠ SỜ LY THUVET sscsssssccssssssscsccsssssssssscassssssssssnsssesscsncnissssocvncniasssesncssssses 2

1.I1Eý thuyết về ghốnG 59 naanggỹakgganttgiioitG010014GG01000101400011G0303510314633803388036686616616 30 2

1.2 Giới thiệu máy Ludlum Model 2200 và dau dò nhấp nháy Model 44-10 48

TROIS Punt Tot Co =) 2? ai {an na ree 49

1.2.2 Đầu dd nhấp nháy model 44-10 ccccescssssssssssscssssessssscssssssessssesssessssessessassssesses 51L8: Øân:đồ/Geiper.-Mullir(SBTHAeeaoeaeeeiireoiaaaiioioiiaaiaiooagoinoaaea 52

1.3.2 Cấu tạo của đầu đò -2cs+222v2EEELxtTErLrEEEEkrrrErkrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrred 531.3.3 Ưu điểm của loại ông đếm này -255ccscccecrverrsereserrerrsereeeerci 53l4 NhưggđlNheosoeaeeanrnnnoiiintiitiiiiottitiitittottiist0E03005020380030001800001903008003308.001 53

1.4 Nguồn phóng xa sử dung trong thi nghiém ccssscsssessesssesssesnecssecsneeseessceneessees 54

1.5 Lý thuyết về mạch vi xử lý Arduino -cssccsccsecsscosessesssrssesssessesscsz 55

1/5 Giữ thiỆNaaesrsnasasrassrrainirinsinoinnittitoitniintiiiititS11118105102021085158551581615588585585083885E 55

1.5.2 Các phan chính của mach ssccccssescsseesssseecsseessseeesssessssesessecesseessseesssuesssneessneees 561.5.3 Chức năng (vai trò) của mach Arduino trong hệ thong máy đếm 57

VDA INEÔñHBgfflỆBIHRHBG::::::::::::5:::::s::2i:i2i221101111121122121201141116116911363146318365139ã04053065536 57

DiS ĐộngE:cơ DƯỚC:.::::::::::cccc:oeciciccocsoeoosiiarono2-L2122102272083551525025555555836518368555555568965855585655 63

2.1.6 Mach điều khién GME GỠ DƯỢC:.:.: ic:c2222222222:20c24252252422202265356325152022523632g235355a053655 64

2.1.7 Vi xử lý Arduino ỦnO << SA c94884884188884844884880884894864054 65

2.1.8 Sơ đồ mạch điện của hệ thong Saussdnasessesuesnasesusivasuasecssusessesesivedsessuieessasessuaessnasesaei 66

2:2 PhẪn HiỀNH:;-:- :-siscccoiioeostoito602001131011236040001301960003613695013616320089136020360360350361613508319108083g2 67

CHƯƠNG III: TIEN HANH DO DAC VÀ XỬ LÝ SO LIỆU .-<- 68

3.1 Do sự thay đổi cường độ phóng xạ vào khoảng cách ‹.sc‹s«©5sscssee 68

3.1.1 Do bang máy LUDLUM MODEL 220W0 c - 683.1.2 Do băng hệ thông của chúng tôi s 2c 25s kSESEcStSExEEEE21Execrkrkvee 70

3.1 Do kha nang đâm xuyên của tia phóng xạ qua từng vật liệu « 72

BB) ۇelbfetifnliaflussnsnaaannnonnnnnniiniiiditliiiintitiltti800300020000100208200000084 72

3:2:2 Kétqua: Đo với nguồn phóng xạ C8137 sissssissssessssessssscsnesesssssssoaincsasssseassssssasaves 72DED) IRlllNgapioinioinobioiitiioiiiiiiiidiitiigi0101300101330100061801001653011000818330688908333643108380683 75Sid) Nhược điẾNăhogagninbioiioiiiiiiittoiiiii65160040G10161863460631613813803363316363483636386366160616 75

3:5) Hướng phát ttn Vb 500 gesegiobiiioioiiibiooiiiii1600011003010610G036301G430386300G3603148366018g36 75

SiG: (Ret ld CGO Ôseanssaonaanoioioiotoiotoniotiittoii0000010031106105001031G01G13333388860308183188188 76

TÀI LIEU THAM KHAO.issscssssssssssssssssessssssssssssscsssssssessssssnessssssnscessssseceesssnseesssnnsecessnnees 77

0 Ee 77

II: cố ốc ae 77

DANH MỤC HÌNH ANHHình |: Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân ÌN¡ -<c~<e<x 4

Hình 2: Quang chạy của các hat alpha trong không khí phụ thuộc vào năng lượng 7

Hình 3: Sự phụ thuộc của số cặp bị ion hóa với quãng chạy §Hình 4: Đặc trưng hap thụ các tia Beta - - QcS S111 eg 9

Hình 5: Quy luật giảm cường độ bức xạ y theo ham mũ 10

Hinh 6: Quá trình tương tác tia y với nguyên tỬ Ăn ng ni II

Hình 7: Quá trình xảy ra của hiệu ứng quang điện - 13

Hình 8: Pho năng lượng của các electron giật lùi -.-.- -ccc<< << se sees 13Hình 9: Sự phụ thuộc tiết điện tích phân hiệu ứng quang điện vào hv - oo 14

Hình 10: Quá trình tạo cặp -Qc con HH HH Ki Ki Hi Ki no mm 1S

Hình 11: Tiết điện tương tác của bức xa Gamma trong Si và Ge - 15

Hình 12: Ba hiệu ứng phụ thuộc vào điện tích Z của chất hấp thụ ‹ ¿c5 se 16 Hình 13: Sơ đồ mạch khuếch WRAY RUN 1111711171707107/71/171/1117/1/1/01/1/1/1/170100/70/000¡ï 1 19

Hình 14: Sự phụ thuộc của biên độ xung vào thời gian t -.-.- << «+ 22 Hình 15: Sự phụ thuộc biên độ xung vào sự tăng thời gian 23

Hình 16: Sự phụ thuộc tốc độ dém vào điện AD Vis os oc seca 2226421226405 156455854 648564 832 24

Hình 7? TH NPHIOHIIHQHCUDNi:srsisisiziziiraizisiziatsizr1iti27s:aizininisr2szizrsiziaisïz: 39

Hình 18: Trường hợp đêm được và không đếm được của ông đềm 33

HH (9: Bien OG XUHEL66i0it121026100710111000000010101011000131001101011151000191610155600 33

Hình 20: Hình anh đo xung trên dao động kíÍ - cẶcĂ ene 35

Hình 21: Sự phụ thuộc hiệu suất ghi bức xạ y vào năng lượng của chúng 44

Hình 22: Sự khác biệt khi loại trừ phông NEN oc ccccccccueccecsuuccccuuuceeeuueececuueeecen 46

Hình 23: Đồ thị tương quan giữa InN và khoảng cách d 5< 48Hình 24: Sơ đồ mạch đo tuyệt đối - - cv vn nghe 49Hình 25: Cau tạo của mạch điện ống đếm Geiger-muller -‹-‹ 50Hình 26: Bộ nguồn chuân RSS-§ cà {22s ssescreressssc.-.-.Ð

Hình 27: Các tính chất của C5-Ï37 c co c0: h0 n6 14011442144614166616 62145547 51Binh (28: Mach aFduine: «05 652.35ciccesccccascccscscscsasesceascscsaacscessescessacces sacs seis 33

Hình 29: Các phân chính trên mạch - ng v3 mm 53

Hinh 30: SBTÍÍÀ -.-: -.-. -c< c2 c2 2< S2 2 B212 s2 214221224 ee k2 n4 canh 56

Machitang jap) i cic iscccccccsccccccsssacciscssaccsasssesasesssacaissssasacssesacavese: 57

Sơ đồ mạch điện mạch (RE (ÑH:(i0t406200014212114140211140616122426062226560622E 58WiBiIIHINIBILUA EÌ(sss14i4141413111321515151111141333431343444343144338434312134394333932 58

Mach chuyền tín hit 0cccccccceccuceveceececcusueeeeeeeceusueeeseceeseuens 60

So d6 mach dién mach chuyén 2110110027 ốố.ốẽốố.ố 60

T21 11 4163 1t) (: 111 1 11 111111111111117111/171111111717171117111/177/1117/1111171111171/T7T 61 Ban vẽ kĩ thuật động cơ bước -.- He 61

Mach điều khién động cơ bước TB6560 cccccceccceeceeueueueuenerevens 62

Sơ đỗ mạch điện THG560\ :.:0ccissescscsessicsssesssssesssasescscsasssesasescd 62

ATrdUINOGIỨHÔ:::::¿:::z: 222: 2222212640262 626202028103 oa 8553 626203 Sa 6562.13.65 6563 63 65 0 63

Sơ đồ mạch điện Arduino Uno Sinh 63

Mã code chạy hệ thông phan l - - - ¿ - Ă S12 1211121 131k vstsrz 65

Mã code chạy hệ thong phan 2 -.-.- c2 121215115112 65

Nguôn chuẩn “Co và hộp chì chứa nguồn - co ccằ: 66

Đồ thị hàm số nội suy từ số liệu bảng L ẶẶ 7 c2 s e2 67

Đồ thị hàm số nội suy từ bang 2 2 vs nghe 69

Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua chì - 71

Đồ thị và ham số nội suy tính đâm xuyên qua nhôm - 7I

Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua nhựa eee 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Kết quả số liệu đo được bang máy LUDLUM MODEL 2200 67

Bảng 2: Kết quả số liệu đo bằng hệ thông của chúng tôi -.-¿< ¿<2 <3 s5: 69

Bảng 3: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua chỉ << 25s <s x2 70Bảng 4: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhôm -.- 22232323 sxs2 7IBang 5: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhựa -.-.- 27c ccccccccssè 72

LOI CAM ON

ừ những ngày đầu thực hiện luận văn đến khi hoàn thành được luận văn, đó

là cả một quá trình có gắng học tập và làm việc nghiêm túc, sửa chữa nhữngthiếu sót và trưởng thành lên từng ngày của bán thân em Tuy nhiên, sẽ

không thê có được một sản phẩm hoàn chỉnh như ngày hôm nay nếu thiếu đi sự giúp

đỡ, hỗ tro, động viên tận tình của quý thay cô, bạn bẻ và gia đình Vi vậy, xin cho

phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến:

- Thay Th.S Lê Anh Đức, giảng viên đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, diu đắt em thựchiện luận văn Với kinh nghiệm, sự nhiệt huyết cùng lòng yêu nghề của mình thầy

đã truyền đạt tận tình cho em các kiến thức chuyên môn Thầy đã chỉ bảo cho em

những lúc khó khăn Những góp ý của thay thực sự rất quý báu và giúp ích rất nhiều

để em có thê hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình

- Quý thay, cô giảng viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ ChiMinh đã day dỗ, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, sự nhiệt huyết với nghề cho em

và các bạn sinh viên khác trong suốt quá trình học tập tại trường

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến các bạn bè, anh chị, ba mẹ đã truyền

cảm hứng cho em dé có thê vượt qua những lúc khó khăn nhất

TP.Hồ Chi Minh, thang 07 năm 2020

Sinh viên

Nguyễn Quốc B

MO DAU

1 Lý do chon đề tài

Trong sách giáo khoa Vật lý 12 không có một bài thí nghiệm nào về đo lường

cũng như phát hiện ra phóng xa, dé học sinh có cái nhìn trực quan hơn về phóng xạ.

Bing các thiết bị don giản, chúng ta thực sự có thé thiết kế ra một bộ thi nghiệm đềphát hiện ra các tia phóng xạ, từ đó kiểm tra các đặt trưng của sự tia phóng xạ như:bức xạ nên, chu kì bán rã, sự phụ thuộc của cường độ phóng xạ vào khoảng cách Việc làm như vậy nhằm khai thác có hiệu quả khả năng vận dụng kiến thức đã họcvào thực tế và nâng cao hứng thú học tập của học sinh

2 Mục đích của đề tài

Chế tạo máy đếm tia phóng xạ bằng đầu dò Geiger-Muller điều khiên tự động

nhằm cho học sinh có thé thực hiện các thí nghiệm về phóng xạ.

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Đọc các tài liệu có liên quan đến đầu giò Geiger-Muller và vi xử lí Arduino

Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Chế tạo ra sản phẩm.

- Tiền hành đo lường rút ra kết quả và đánh giá tính chính xác, khả năng ứng dụngthực tiễn của hệ thông

5 Cấu trúc của khóa luận

Chương I: Cơ sở lý thuyết.

Chương II: Thiết kế hệ thống

Chương III: Tiến hành đo đạc, xử lý số liệu và kết luận.

Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYET1.1 Lý thuyết về phóng xạ [1]

Các phương pháp ghi nhận hạt nhân và tia vũ trụ được sử dụng ngày nay rat đa

dang nhưng không phải là van năng Đối với mỗi bài toán cần phải chọn một phương

pháp thích hợp nhất Muốn vậy nhà thực nghiệm phải có sự hiéu biết về tính chất vật

lý của các đối tượng cần ghi nhận, về nguồn gốc của bức xạ hạt nhân và các tính chất

chung của chúng Phan này sẽ trình bày các van đẻ nói trên

1.1.1 Các hạt alpha (ơ)

Các hat a là hạt hạt nhân của nguyên tử Heli (*He) do các chất phóng xạ phát ra.Trong các hạt nhân nặng phóng xạ tự nhiên, có nhiều hạt nhân, như U, Th, Ra, v.v

có tính chất phóng xạ ơ Các hạt œ cũng được phát ra từ một số chất phóng xạ nhân

tạo Những chất này năm ở giữa hoặc cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố (Gd Tb,

Pu, Am, v.v ).

Năng lượng của các hạt œ được phat ra bởi các hat nhân phóng xạ khác nhau năm

trong vùng tir 3 đến 9 MeV Các đồng vị phóng xạ khác nhau có thé phát ra một hoặc

một số nhóm hạt œ đơn năng

Năng lượng của một nhóm hạt œ đã cho thì phụ thuộc vào trạng thái năng lượng

của hạt nhân phát bức xạ và hạt nhân là sản phâm phân rã Theo đó, các hạt « đôikhi còn được gọi là các hạt có quãng chạy ngắn hoặc quãng chạy dài so với các hạtđược tạo thành khi chuyên từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bảncủa hạt nhân con Chang hạn, hạt a xuất hiện trong kết quả phân rã a từ trạng tháikích thích của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con sẽ có năng lượng

lớn hơn Các hạt œ như vậy được gọi là hạt a quãng chạy dài Các hạt œ quãng chạy

ngắn được gọi là những hạt xuất hiện trong chuyển đời từ trạng thái cơ bản của hạtnhân mẹ về trạng thái kích thích của hạt nhân con

1.1.2 Các hat Beta (B) positron, neutrino

Các electron phát ra trong phân rã cua các hat nhân phóng xạ được gọi là các hat

f° Khác với phô năng lượng gián đoạn của các hat a, phô nang lượng của các hạt ƒ'

là phỏ liên tục Năng lượng của chúng thay đôi từ 0 đến một giá trị giới han Eg nào

đó đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ Thí dụ, năng lượng cực đại phô ƒ* của 3?P bằng 1,7 MeV, của “C bằng 0,155 MeV Năng lượng giới hạn nhỏ nhất được biết

ngày nay là năng lượng của các hạt j3 do triti phát ra (2H, Ezi=l8 keV).

Các positron do các chất phóng xạ phát ra được gọi là các hat beta cộng P* ; phô

* cũng liên tục, thay đôi từ 0 đến một giá trị cực đại nao đó đặc trưng cho mỗi đồng

vị Thông thường các hạt Bt được các đồng vị có không đủ neutron so với đông vị

bên của nguyên tố này phát ra Người ta biết nhiều đồng vị có khả nang phát ra cảpositron lẫn electron Một trong những đông vị đó là “Cu Trong phân rã của đồng

vị nay, các electron va positron được phat ra với cường độ gan như nhau Electron

va positron có khối lượng như nhau và có cùng điện tích đơn vị (của electron là điệntích âm của positron la điện tích đương) Khối lượng tĩnh của các hạt nảy, biêu diễn

ra đơn vị năng lượng (m,c?), có giá trị bang 51 IkeV

Dạng liên tục của phô j' và B* được giải thích là, trong phân rã beta của hạt nhân

phóng xạ không phải chỉ có một mà là hai hạt được phát ra Hạt thứ hai đó là neutrino

trong phân rã B*và phan neutrino trong phân rã j' Năng lượng phân rã, như vậy,

được phân bồ giữa ba hạt: hạt B, neutron (hoặc phản neutron va hạt nhân con 1a hạtthu một năng lượng giật lùi rất nhỏ nào đó

Neutrino là hạt không có điện tích Giới hạn trên đo được bang thực nghiệm đôi

với giá trị khối lượng của nó bằng zaanmi trong đó me là khối lượng electron

Neutrino do Pauli đưa ra dé giải thích phổ năng lượng liên tục của các hat beta, đã

được Fermi sử dụng dé xây dựng lý thuyết phân ra beta Theo lý thuyết này, khối lượng neutrino phải bằng không.

Có thé thu được các electron nhanh bằng các máy gia tốc: betatrôn cho electron

nang lượng hàng chục MeV; xincrôưôn cho các electron năng lượng hang trăm

-hàng nghìn MeV và các máy gia tốc thăng Các cặp electron và positron được tạo

thành trong tương tác của các tia gamma năng lượng cao (hơn 1,022MeV) với vật

chất

Electron và positron luôn luôn có mặt trong thành phần mềm của tia vũ trụ

1.1.3 Tia gamma và tia Roentgen

Mỗi động tác phân ra phóng xa phat ra hạt tích điện đều dan tới sự hình thànhmột hạt nhân mới là sản phẩm phân rã Thường hạt nhân mới này được hình thành

ở trạng thái kích thích.Thời gian ton tại của hạt nhân ở trạng thái kích thích có thê

rat khác nhau Nó có thê có giá trị đo bằng đơn vị ngày, giờ, phút và những phan rấtnhỏ của giây Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phâm phân rã bị kích thíchchuyển về trạng thái cơ bản hầu như một cách tức thời ngay sau động tác phân rã

(sau 1013-10) kèm theo sự giải phóng năng lượng dư Chuyên dời từ trạng thái

kích thích thường xảy ra theo kiểu nhảy bậc qua các trang thái kích thích trung gianvới năng lượng nhỏ hơn Hình dưới mô tả sơ 46 các mức (tức là các trạng thái) củahat nhân “Ni bị kích thích và được tạo thành trong kết quả phân rã của hạt nhân

Co,

2158

1332

00

Hình 1: Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân Ni

Chuyên dời vẻ trạng thái năng lượng thấp hơn có thê xảy ra hoặc bằng cáchphát bức xạ điện từ (các tia ý) hoặc băng cách phát ra các electron biến hoán trong.Năng lượng các electron biến hoán trong sẽ bằng hiệu năng lượng kích thích của hạt

nhân và nang lượng liên kết electron trên vỏ điện tử tương ứng của nguyên tử Như

vậy sẽ xuất hiện các electron biến hoán trong K L, M v.v tương ứng với mỗichuyên đời hạt nhân

Nếu các hạt nhân phóng xạ phân rã và phát ra các hạt bêta thi phô electron thựcnghiệm sẽ bao gồm cả phan liên tục ứng với các hạt j3 lẫn phần gián đoạn, ứng vớinhững vạch hoàn toàn xác định của các electron biến hoán trong

Năng lượng kích thích của các hạt nhân thu duoc trong phan rã phóng xa của

các đồng vị khác nhau, có thê có gia trị từ một vai keV đến một vai MeV Khi nang

lượng kích thích cao thi chuyển đời của hat nhân vẻ trang thái co ban thường xảy raqua một số tương đối lớn những trạng thái kích thích trung gian Điều này dẫn tới

xuất hiện trong phô một số lớn các lượng tử y năng lượng khác nhau cũng như một

số tương ứng các vạch electron biến hoán trong Xác suất biến hoán phụ thuộc vàonhiều nhân tô: Nó giảm theo sự tăng lên của nâng lượng chuyền dời, tăng theo số Z

của nguyên tố và phụ thuộc vào độ đa cực của chuyền dời.

Biến hoán điện tử dan tới kết qua là, ở một trong các vỏ của nguyên tử, trong

một thời gian ngắn (cỡ 10-10''5s), sẽ không có electron Ví dụ, biến hoán trên vỏ

K tạo thành một vị trí trống ở vỏ này và sau thời gian ngắn nói trên, nó sẽ được lấp

day bởi các electron từ những vỏ khác Quá trình này toa ra một năng lượng bằng

hiệu năng lượng liên kết electron ở vỏ có vị trí trồng vừa xuất hiện và ở vỏ mà từ đóelectron chuyên về vị trí trông nói trên Nang lượng này được toa ra dưới dang các

tia Roentgen đặc trưng hoặc được truyền cho một hay một số electron trên các vỏ

cao hơn Electron nay thu được một động nang và đời bo nguyên tử Hién tượng phát

ra các electron thay cho các lượng tử Roentgen được gọi là hiệu ứng Auger, còn bản

than các electron nay thì được gọi là các electron Auger.

Năng lượng cực đại của các tia Roentgen đặc trưng có giá trị khác nhau đối vớicác nguyên tố hoá học khác nhau và thay đôi từ vài eV đối với các nguyên tô nhẹ

đến hàng trăm keV đối với các nguyên tô nặng.

Có thể thu được bức xạ điện từ năng lượng cao không chỉ trong phân rã phóng

xạ hoặc trong các phản ứng hạt nhân mà còn trong các máy gia tốc điện tử (bêtatrôn,

xincrôtrôn).Trong trường hợp này, các electron nhanh bị một bia hãm lại sẽ làm xuất

hiện các lượng tử của bức xạ điện từ Ngay nay năng lượng của các lượng tử thu

được bang cách nói trên có thô đạt giá trị hàng tỷ electron vôn

Bức xạ điện từ năng lượng rất lớn cũng có mặt trong thành phân của các tia vũ

trụ.

1.1.4 Proton và neutron (nuclon)

Proton (p) va neutron (n) là những thành phan cau trúc cơ bản của hạt nhânnguyên tử Do đó chúng được gọi bằng một tên chung là nuclon

Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro Có thé thu được các proton trạng thái

tự đo bằng cách ion hoá các nguyên tử hydro Có thể thu được các proton nhanh với

năng lượng hàng triệu eV trong các xyclotron, và năng lượng hàng tỷ hoặc hàng

chục tỷ eV trong các máy gia tốc xincrôfazotrôn Cũng có thể thu được những chùm

proton bằng các máy gia tốc thăng Proton tới Trái Đất trong thành phan của bức xạ

Vũ trụ so cấp Chúng chiếm khối lượng chủ yeu (95%) của tắt cả các hạt vũ trụ sơ

cấp.

Neutron là hạt trung hoà về điện và có khối lượng lớn hơn khối lượng proton

một chút Neutron được Chadwich khám phá vào nảm 1932 khi dùng hạt œ bắn vào

bia berili Cac neutron được tạo thành trong phản ứng

*Be + œ—> *C + n.

Ngày nay phan ứng này thường được sử dụng dé thu neutron (Các nguồn:

Ra+Be: Po+Be).

Cũng có thé thu được các chùm hạt neutron tự do bằng những phan ứng hạt

nhân khác Ví dụ, trong máy phát neutron thì neutron được tạo thành trong các phản

ứng:

D(d,n) "He hoặc T(d,n)*He.

Năng lượng neutron thu được trong phản ứng T(d,n)*He bằng 14MeV Những

nguồn neutron khác ngày nay là các lò phản ứng hạt nhân, trong đó neutron được

tạo thành từ quá trình phan chia hạt nhân uranium hoặc plutonium.

Neutron có mặt với một lượng không lớn trong thành phan của các hat vũ tru

thứ cấp, được tạo thành trong quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp với khí

quyên Như đã nhắc tới ở phan trên, khối lượng neutron lớn hơn khôi lượng protonchút Hiệu khối lượng của chúng, biểu dién ra đơn vị năng lượng, có giá trị bằng1,299MeV Do vậy có thé chờ đợi rằng neutron là một hạt không bền và phải phân

rã dé biến đổi thành proton ra hạt proton Thực vậy, thực nghiệm đã chứng minhrang neutron có tính phóng xạ protom và phân rã với chu kỳ bán rã T,›=12,8 min vànăng lượng giới han của phô proton băng E,»=782 keV

Từ lý thuyết của Dirac thì cần phải tồn tại với electron một phản hat Đó làpositron Những hạt như vậy hiện nay đã được biết Việc sử dụng lý thuyết này chocác nuclon đã dẫn tới đề nghị về sự tồn tại của phản proton phan neutron 1955 phảnproton được phát hiện bằng thực nghiệm Chúng được tạo thành khi các proton đượcgia tốc tới năng lượng 6,3 GeV tương tác với vật chất Ngưỡng phản ứng hạt nhânvới sự tạo thành phan proton các nuclôn liên kết có giá trị cỡ gan 4,3 GeV Chang

bao lâu sau khi khám phá ra phản proton ta đã phát hiện được phản neutron và phản

proton bởi dau điện tích và momen từ ngược nhau của chúng Neutron khác phan

neutron bởi hướng spin so với hướng momen từ Neutron có hướng spin ngược chiều

so với hướng momen từ Còn phan neutron thì có hướng spin và hướng momen từ

trùng nhau.

1.1.5 Mezon

Mezon là những hạt có khối lượng năm giữa giá trị khối lượng của electron và

proton, thực nghiệm đã phát hiện được cả mezon tích điện (dương và âm) lẫn mezon

trung hoà về điện Chúng có thé được chia ra làm ba nhóm: p- mezon, x-mezon vàk-mezon Lúc dau, tat cả các hạt này déu đã được phát hiện trong thành phan của tia

vũ trụ Chúng xuất hiện trong quá trình tương tác của bức xạ năng lượng cao với vậtchất

Lan đầu tiên u-mezon đã được Anderson và Nedermayer khám phá vào năm

1936 trong thí nghiệm sử dụng buông Wilson Vết của các hạt có khả năng đâm

xuyên lớn đã được ghi nhận trong những tam hap thụ đặt trong thẻ tích lam việc của

buồng Các vết này có mật độ giống các vết được tạo thành bởi những electron nănglượng cao Độ cong nhỏ của các vết trong từ trường chứng tỏ rằng các hạt tạo rachúng có xung lượng lớn Trong khi đó nêu các hạt này là electron thi chúng phảimat nhiều năng lượng dé phát ra bức xạ hãm Nhưng trên thực tế thì điều này đã

không xảy ra Các số liệu thu được nhờ buồng Wilson đã cho phép đánh giá khốilượng của những hạt được phát hiện có giá trị cỡ gần 207me, trong đó me là khối

lượng của điện tử electron Hạt mới này sau đó được đặt tên là u-mezon.

1.1.6 Tương tác của các bức xạ với vật chất

1.1.6.1 Tương tác của hat a với vật chất

Trên ví dụ về các hạt @ ta hãy xét một số van dé về tương tác của các hạt nặng

tích điện với vật chất.

Các hat œ với điện tích gấp đôi điện tích cơ bản và khối lượng gần bằng 7300lần khối lượng của electron (Ma = 7300m.), khi đi qua vật chat, gây ra sự ion hoárất mạnh các nguyên tử của vật chất này Chúng mat năng lượng chủ yếu do quá

trình ion hoá các nguyên tử môi trường Độ hao năng lượng ion hoá riêng của các

hạt œ có thé được biểu diễn bằng công thức Bethe:

dE 4ne1z?

dX mv?

2 2trong đó B = z In; v là tốc độ và z là điện tích của hạt œ; N là số nguyên tử trong

Icm? vật chất; z là nguyên tử số của vật chất; [ là thé ion hoá trung bình của nguyên

Hình 2: Quang chạy của các hat alpha trong không khí phụ thuộc vào năng lượng

Hình trên giới thiệu đường cong Bragg, mô tả sự phụ thuộc độ ion hoá riêng

vào quãng đường còn lại của hat a Từ hình vẽ ta thay rõ, ở cudi quãng đường thì độ

ion hoá riêng tăng lên, sau đó giảm xuống không ở vài milimet cuối cùng (trong

không khí).

Năng lượng của các hạt alpha do các hạt nhân phóng xạ phát ra có giá trị vài

MeV Quang chạy của chúng trong không khí ở áp suất khí quyền cỡ vài cm Ví dụ

hat alpha do Po” phát ra có năng lượng 5,3 MeV, quãng chạy của chúng trong không

khí có giá trị gần bang 3,8cm Độ ion hoá riêng trung bình của hat alpha trong khôngkhí ở áp suất khí quyền băng ~4 10! cặp ion/em Quỹ đạo của hat alpha là một đườngthăng

Hiển nhiên là ở trong các chất đặc hơn thì độ ion hoá của hạt alpha sẽ lớn hơn

Nó cũng phụ thuộc vào nguyên tử số Z của môi trường mà các hạt alpha đi qua

Nếu trong không khí và ở áp suất khí quyên, quãng chạy của hat alpha cỡ vài

em thì trong các vật ran quãng chạy của chúng chỉ cỡ vai chục um Ví du, quãngchạy của hat alpha, do 2!"Po phát ra, trong nhôm chi cỡ gần 20um Dé so sánh quãng

chạy của các hạt trong nhũng vật liệu khác nhau, người ta không sử dụng đơn vị độ

đài mà sử dụng don vị g/cm? hoặc đơn vị ug/cm” Như vậy, quãng chạy của hat alpha

do các chất phóng xa phát ra, có giá trị không lớn, nhưng mật độ ion hoá của chúng

thì rat lớn Các tính chat này sẽ quyết định khả năng cũng như hiệu suất ghi hạt alphabằng loại detector này hoặc loại detector khác

Số cap lôn trên mm

1 0

Khoảng cách từ điểm cuối của quãng chay, cm

Hình 3: Sự phụ thuộc của số cặp bị ion hóa với quãng chạy1.1.6.2 Tương tác của các electron với vật chất

Khi đi qua vật chat, các hat proton mat năng lượng của mình thông qua hai

quá trình cơ bản:

1/ lon hoá và kích thích các nguyên tir vật chất

2/ Phát bức xạ điện từ khi electron bị ham trong điện trường của hạt nhân hay

của electron nguyên tử (sự phát bức xạ hãm).

Các dâu vét với mật độ như nhau của các giọt, tạo ra bởi các electron và mezon

` £ a ye " £ a 2.8 £

thường được quan sát thây trong buông Wilson Sự ion hoá gây ra bởi các hạt siêu

nhanh có độ ion hoá nhỏ nhật và thường được gọi là sự ion hoá cực tiểu.

Dac trưng hắp thu của tia B

Các tia 8 giảm theo hàm mé kha chiếu day chất hấp the ting

AJAg = exp (ad) u=0017E1*

R=S42-133 (E>0,8 MeV)

R = 407E'TM (0.15 MeV <E<08 MeV)

Quỹ dao của các tia 0` Trajectory of B-rays

Quá trình mất năng lượng của các tia 3 là g/t va chạm với các électrôn quỹ đạo cùng khốc lương và tin xạ (Beemsxtrahlung) ở Íramwrswese

too 2V 30% +02 %40 466

Chute dầy chất háp dre d (mựcm?›

Hình 4: Đặc trưng hap thụ các tia Beta Khác với các hạt nặng tích điện là những hạt trong thực tế đi qua vật chất theo

một quỹ đạo thăng, các electron nhanh, trên đường chuyên động của mình chịu một

số lớn lần tán xạ trên các hạt nhân và các electron nguyên tử và bị tán xạ nhiều lần

Quang chạy của các electron trong vật chat, do đó, có một độ thăng giáng lớn Quỹ

đạo chuyên động của nó là một đường zikzak phức tạp và được đo không phải bang

đoạn đường thực tế mà nó đi qua như trong trường hợp của hạt alpha mà băng chiều

day lớp vật chất có khả năng ham hoan toàn electron lại néu hướng chuyên động của

chúng vuông góc với mặt phăng của lớp vật chat này.

Độ hao năng lượng do phát ra bức xạ tăng tỷ lệ tuyến tính với sự tăng nănglượng của các electron còn độ hao năng lượng do ion hoá đối với các electron năng

lượng rat lớn thì tăng phụ thuộc vào năng lượng theo quy luật hàm log:

9

dE 2ne*Z , E2 ‘

dX mac? "mc?

E > mạc?

Do đó khi các electron có năng lượng lớn thì dang hao phi năng lượng do phát

bức xạ trở nên trội hơn so với dạng hao phí năng lượng do ion hoá.

Với cùng năng lượng thì độ hao năng lượng do phát bức xạ hãm doi với cáchạt nặng tích điện sẽ có giá trị nhỏ hơn nhiều so với độ hao năng lượng loại nay của

các electron vì độ hao năng lượng do phát bức xạ hãm tỷ lệ nghịch với bình phương

khối lượng của hạt:

dE 1

AX yaa ' m2

1.1.6.3 Tương tac của bức xa gamma với vật chất

Giống như các hạt trung hoà vẻ điện, các tia gamma không gây ra sự ion hoá trực

tiếp Việc ghi nhận chúng chi kha di nêu chúng tạo thành trong detector các hạt tích

điện thứ cấp

Khi đi qua vật chất, các tia y bị suy giảm theo định luật hàm số mũ:

NOx) = Ne"

Hình 5: Quy luật giảm cường độ bức xạ + theo hàm mũ

trong đó No là số lượng tử y trong chùm ban đầu, N là số lượng tử y đi qua lớp vật

chất chiều day x; p là hệ số suy giảm tuyến tinh, đo bằng đơn vị em'! Đối với các

photon năng lượng IMeV, chiều dày lớp chì suy giảm một nửa hay chiều đày lớp

chi can thiết dé ham một nửa các photon bằng 0,95em Đôi với không khí, chiều day

lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đối với nhôm 3,7 em

Như vậy, hệ số suy giảm tuyến tính liên hệ với tiết điện tán xạ hoặc hắp thụ

toàn phan o trên một nguyên tử vật chat băng biéu thức sau:

10

Hình 6: Quá trình tương tac tỉa ÿ với nguyên tử

tắt cả các loại tương tác của chúng với vật chất này Đó là hiệu ứng quang điện, hiệu

ứng Compton, tạo cặp và hiệu ứng tương tác với các hạt nhân Hiệu ứng cuối cùng

chỉ xảy ra với xác suất nhỏ, đo đó với mục đích nghiên cứu quá trình ghi nhận bức

xạ y, chúng ta sẽ chỉ khảo sát ba hiệu ứng đầu

Đối với hệ số suy giảm toàn phan, có thê viết biêu thức sau:

H=t+tƠx +,

trong do + là hệ số hấp thụ quang điện; o 1a hệ số tan xa Compton; z là hệ số hap

thụ do quá trình tạo cặp.

1.1.6.3.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiệu ứng tương tác của lượng tử y với electron nguyên

tử, trong đó năng lượng hve của lượng tử y bị tiêu hao dé thắng sự liên kết của

electron trong nguyên tử và truyền cho nó một động năng, nghĩa là:

hva= Eu + Ex.

Trong biểu thức trên Ex, là năng lugng liên kết của electron trong nguyên tir;

Fy là động năng của quang điện tử Sơ đồ mô tả hiệu ứng quang điện được giới thiệu

ở hình trên Sự xuất hiện điện tử Auger và tia X trên hình này đã được giải thích ở

phan 1.1.

11

Hiệu ứng quang điện không thẻ xảy ra trên electron tự do vì dé thoả mãn định

luật bảo toàn xung lượng thì ngoài lượng tử y và electron thì phải có mặt một hạt thứ

ba Hạt đó là hạt nhân nguyên tử Electron liên kết với hạt nhân cảng mạnh thì xácsuất hiệu ứng quang điện trên nó càng lớn, nếu năng lượng của lượng tử y lớn hơnnăng lượng liên kết của electron Đó là đặc điểm của hiệu ứng quang điện Nó giảithích vì sao tiết điện hiệu ứng quang điện đối với các electron vỏ K luôn luôn lớn

hơn so với tiết điện hiệu ứng này đối với các electron ở những vỏ cao hơn Nó cũng

giải thích vì sao tiết điện hấp thụ quang điện các tia y tăng nhanh theo sự tăng nguyên

tử số của chất hấp thụ.

Nếu năng lượng của lượng tử gamma tới lớn hơn nhiều so với năng lượng liênkết của electron vỏ K (hv; >> Ex.) và nếu khi đó quang điện tử xuất hiện lại không

phải là electron tương đối tính, nghĩa là E„<m,c, thì tiết điện toàn phần của hiệu ứng

quang điện trên vỏ K được biéu diễn bằng công thức sau :

5s 2

1374" ` hvạ

trong đó, @o= 6.651.10?5 em? là tiết điện tán xạ Thomson trên electron tự đo; Z là nguyên tử số của chất hấp thụ.

Công thức trên chỉ ra sự tăng rất mạnh (Z°) của tiết điện hiệu ứng quang điện

theo sự tăng của Z cũng như sự giảm rất nhanh của hiệu ứng này theo sự tăng năng

lượng của lượng tử gamma.

Phân bố góc của các quang điện tử so với hướng của các lượng tử gamma tới

phụ thuộc vào năng lượng của các lượng tử này Nếu năng lượng của các lượng tửgamma tương đối nhỏ thì phần lớn các quang điện tử bay ra dưới góc gan bằng 90°

Năng lượng của các lượng tử gamma tăng lên thì góc bay ra của các quang electron

điện sẽ giảm.

Electron giật lùi

Hình 7: Quá trình xảy ra của hiệu ứng quang điện

Theo sự tăng năng lượng của các tia gamma thì tiết điện của hiệu ứng quangđiện giám va quá trình chủ yếu làm suy giảm chùm lượng tử gamma trở thành quá

trình tan xạ Compton Hiệu ứng Compton là hiệu ứng tan xạ của lượng tử gamma

trên electron tự do Một phần năng lượng của lượng tử gamma được truyền cho

electron giật lùi Trong vùng năng lượng mà hệ số suy giám ụ được gây ra bởi quá

trình này, đó là vùng giữa 0,5 và SMeV đổi với chi là giữa 0,05 và 15MeV đối với

nhôm, năng lượng của bức xạ tới trở nên lớn hơn so với năng luợng liên kết của

electron trong nguyên tử Hệ số tán xạ Compton ox tỷ lệ với nguyên tử số Z

Như vậy có thê mô ta tan xạ của lượng tử y trên electron nang lượng đủ lớn

N, hv

Compton

Hình 8: Phố năng lượng của các electron giật lùinhư một quá trình va chạm của hai hạt Sơ 46 quá trình tán xa Compton được biéu

dién trên hình Lượng tử y tới với năng lượng hvobi lan xạ trên electron tại điểm A

Lượng tử y bị tan xạ với năng lượng hv bay ra dưới góc tan xạ 0 so với phương

chuyên động ban đầu của lượng tử tới, còn electron giật lùi thì bay ra dưới góc giật

lùi @ và năng lượng T Từ các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng suy ra

13

rằng, với hv, cho trước thì giữa các góc t và @ có mồi liên hệ đơn trị, còn năng lượng

của lượng tử bị tan xạ E„= hv và năng lượng của electron giật lùi T thi hoàn toàn

được xác định bằng các đại lượng 0,9, hvo đã cho Ta có những biéu thức chủ yếu

bay ra với năng lượng nhỏ dưới góc gan bằng 90° Nếu lượng tử y bị tán xạ một góc

180° thì electron bay ra theo hướng về phía trước với động nang cực dai

Sự phụ thuộc xác suất tích phân hiệu ứng tán xạ Compton vào năng lượng củacác lượng tử y đối với chì được biéu diễn trên hình dưới bằng đường cong số 2

với vật chât làm xuât hiện một cập electron - positron với năng lượng T và TỶ tương

Năng lượng toàn phần của cặp bằng năng lượng hvo của lượng tử y tới, còn

động năng E¿ của nó thì bằng:

Đề thoả mãn các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng thì quá trình

tạo cặp phải dién ra trong sự có mặt của một hạt thứ ba là hạt nhân hay điện tử Trong

trường hợp này, xung lượng của lượng tử y được phân bố giữa các hạt của cặp và

15

hạt thứ ba Tiết điện tạo cặp trong trường Coulomb tỷ lệ với bình phương nguyên tử

số (Z?) của vật chất và tăng lên theo sự tăng năng lượng của các tia y Đường cong

số 3 trên hình 9 biéu diễn sự phụ thuộc vảo năng lượng của xác suất tạo cặp

Cũng trên hình 9, các đường cong đậm nét biéu dién sự phụ thuộc của hệ sỐ Suy

giảm toàn phần pt = 1 + ơi + 7, của các tia y đối với chì, thiếc, đồng và nhôm Rõ

ràng rằng, jt đối với các chất khác nhau có giá trị cực tiêu ở những năng lượng khác

nhau Ví dụ, đối với chì, cực tiêu của p năm ở vùng gan 4 MeV, còn đối với đồng

gan I0MeV Hình I1 giới thiệu tiết điện tương tác

Hình 12: Ba hiệu ứng phụ thuộc vào điện tích Z của chất hap thụ

Hình trên giới thiệu vùng nang lượng mà một trong ba hiệu ứng quang điện,

Compton hay tạo cặp đóng vai trò quan trong, phụ thuộc vào điện tích Z của chất

hấp thụ

1.1.7 Lý thuyết về các ống đếm phóng điện qua khí

Nghiên cứu cơ chế khuếch đại khí, đã chỉ ra rằng trong điện trường cường độ E

đủ cao, electron khi chuyên động về anot, tạo ra các thác electron Nhờ vậy, hiệu

ứng ion hoá do hạt tích điện tạo ra trong thé tích làm việc của detector, tăng lên và

biên độ xung tăng lên Trong vùng làm việc của ông đếm tỷ lệ, khuếch đại khí thường

không lớn và hầu như hoàn toàn được gây ra bởi sự khuếch đại do ion hoá va chạm

của clectron với các nguyên tử hoặc phân tử khí trung hoà chứa trong ống đếm Vì

hệ số y (xác suất photon hoặc ion dương tao ra electron tự đo) có giá trị nhỏ và về

độ lớn chi có giá trị cỡ gan 10“ nên tích số ym, xác định xác suất các hiệu ứng thứ

cấp (hiệu ứng quang điện và hiệu ứng ion dương bit electron ra khỏi catot), trong

vùng khuếch đại này nhỏ hơn nhiều so với đơn vị

16

Việc tăng hiệu điện thé V đặt vào hai cực của detector dẫn tới sự tăng hệ số khuếch

đại khí m và các hiệu ứng thứ cap bắt đầu đóng vai trò quan trọng Cùng với sự tăng

của tích số ym, hệ số khuếch đại khí toàn phần M lớn hơn m rõ rệt và khi ym gan

bang đơn vị thi sẽ tiễn tới những giá trị tương đôi lớn (10*- 105) Trong trường hợp

này hiệu ứng ion hoá trong thé tích làm việc của detector có thé trở nên rất lớn, đặc

biệt là đối với các hạt ion hoá mạnh và các điện tích sẽ làm sai lệch đáng kê cường

độ điện trường Vì mức độ sai lệch điện trường phụ thuộc vào mật độ điện tích mà

mật độ điện tích không gian thì được xác định băng các hạt được ghi nhận, nên vùng

hoạt động này của detector đã không còn là vùng tỷ lệ nữa (vùng tỷ lệ giới hạn).

Cuối cùng, với một hiệu điện thé V nào đó hệ số m đạt giá trị sao cho tích số ym

trở nên bang đơn vị Điều này có nghĩa là lúc này mỗi thác electron có khả năng, tạo

ra một electron tự do Electron tự do này, lại tạo thành một thác electron mới với

ym=l va cũng kém theo sự xuất hiện một electron tự đo dé tạo thành một thác

electron tiếp theo, v.v Néu như khi ym <1, mỗi thác electron sau yếu hơn thác trước

một chút và sự phóng điện do hạt tạo ra trong ống dém bị tắt dan theo thời gian, thì

khi ym = 1, sự phóng điện, về nguyên tắc, có thê kéo dai bao lâu cũng được Sự

phóng điện tự duy trì như vậy được gọi là sự phóng điện tự lập Hiệu điện thể Va,

tại đó sự phóng điện có tính chất tự lập được gọi là thế mỗi của sự phóng điện qua

khí hay thé mdi phóng điện.

Vì cả sự khuếch đại khí lẫn các hiệu ứng thứ cấp đều là những hiện tượng thống

kê nên giá trị ngẫu nhiên của các đại lượng m và y có thể khác nhiều so với giá trị

trung bình của chúng Vì vậy tích số ym có thé nhận được những giá trị lớn hơn đơn

vị một chút khi V<V„, nhưng cũng có thê nhỏ hơn đơn vị ngay cả khi V>Vm.

Như vậy, đại lượng Vụ, cũng chịu những thăng giáng thống kê Tuy nhiên, trong

thực tế, do có sự phụ thuộc mạnh của hệ số khuếch đại khí M vào điện thé đặt vào

vùng phóng điện nên thế môi của sự phóng điện Vm được xác định một cách tương

Tuy nhiên, do sự giới hạn của dòng bởi điện tích không gian nên khi V>V„ thì

hệ số M mặc dù rất lớn nhưng van có thé có một giá trị hữu hạn Thực vậy, khuếch

đại càng lớn thì điện tích không gian càng lớn, nhưng điện tích không gian càng lớn

thì nó làm suy giảm điện trường càng mạnh và điều này dẫn tới sự suy giảm giá trị

hiệu dụng của hệ số khuếch đại khí M Sự tự điều chỉnh đặc biệt này dẫn tới kết quả

17

là khi điện thé V>V,, thi dòng I qua ống đếm có giá trị tương đối lớn, nhưng hoàn

toàn xác định.

1.1.7.1 Ong đếm geiger không tự tat

Có thé sử dụng sự phóng điện tự duy trì qua chất khí dé ghi nhận các hạt ion hoa

và bức xạ gamma với một điều kiện bắt buộc là sự phóng điện trong ống đêm phải

được đập tắt càng nhanh càng tốt Chỉ khi thực hiện được điều kiện này thì thiết bị

phóng điện qua khí mới có khả năng, sau một thời gian đủ nhỏ, ghi nhận được sự

xuất hiện trong nó một hạt tiếp theo bằng một sự phóng điện mới

Như ta đã biết, các tính chất cơ bản của sự phóng điện qua khí được xác định chủ

yếu bằng cau hình của điện trường mà cau hình này lại phụ thuộc vào hình dang của

các điện cực Theo quan điểm ghi nhận hat thì sự phóng điện quảng sáng qua khí là

rất đáng quan tâm vì nó có các đặc trưng cho phép ngắt sự phóng điện băng những

phương pháp tương đối đơn giản Sự phóng điện quang sáng xuất hiện trong các

trường hợp khi có điện trường rất không đồng nhất Loại điện trường này xuất hiện

khi bán kính mặt cong của một trong các điện cực (hoặc của cả hai) rất nhỏ so với

khoảng cách giữa chúng Điều này quy định hình dạng của các ống đếm Geiger

Chúng thường có dạng hình tru, trong đó catot là hình trụ bán kính lớn, còn anot là

một sợi chỉ kim loại mảnh năm đọc theo trục của hình trụ

a Hình dang và biên độ xung Cơ chế dap tắt phóng điện

Khi sử dụng ông đếm Geiger, khoảng phóng điện qua khí thường được mắc theo

sơ dé thông thường qua một điện trở R (hình dưới) Nếu thế nuôi Vo>Vm thì khi hạt

ion hoá bay vào ống đếm, trong đó sẽ xuất hiện một chớp phóng điện

điêu kiện cần và đủ là hạt được ghi nhận tạo thành trong thé tích làm việc của ống

đếm dù chỉ một cặp ion) Các electron do hạt được ghi nhận tạo thành, sau thời gian

L, địch chuyền về anot và tạo ra trong vùng ion hoá tạo thành những thác lớn electron

Cùng với sự ion hoá, xung quanh anot sẽ xuất hiện sự kích thích rất mạnh của các

18

phân tử hay nguyên tử khí Khi trở về trạng thái cơ ban, những phân tir, nguyên tử

này phát ra về phía catot bức xạ tử ngoại Do hiệu ứng quang điện xảy ra từ các vi

trí khác nhau của catot, các electron bay ra và khi tới vùng ion hoá va chạm, đến lượt

mình lại tạo ra những thác electron ion mới Kết quả là sau khoảng thời gian rất ngắn

cỡ I07s, toàn bộ ống đếm trở được bao bọc bằng sự phóng điện qua lớp khí

Trong thời gian cua giai đoạn phóng điện, trong vùng ion hoá va chạm có một

lượng lớn ion được tạo thành Chúng tích tụ gần sợi chỉ anot, tạo ra ở đây điện tích

dương Các thác electron sé lần lượt kế tiếp nhau đến chừng nào mật độ điện tích

chưa hạ thấp được cường độ điện trường ở gần sợi chi anot đến giá trị mà tại đó sự

tạo thành tiếp theo của các thác này trở thành không thể xảy ra được nữa Đến đây

giai đoạn phóng điện thứ nhất kết thúc

Trong diễn biến của giai đoạn phóng điện tích cực, do quá trình thu electron về

anot tạo ra một dòng điện lớn chạy qua ống dém, tạo ra sự tăng nhanh của điện

Nhung vì thời gian thu electron nhỏ vô cùng nên xung thé trên sợi chỉ của Ong đếm

trong thời gian giai đoạn phóng điện tích cực không kip dat giá trị lon; nói cách khác,

vì trong quá trình thu electron, các electron chi đi qua một phần không đáng kê của

hiệu điện thé toàn phan đặt vào ông đếm nên thành phan điện tử của xung nhỏ Như

vậy, sự khởi đầu của xung ở lỗi ra ống đếm Geiger được đặc trưng bằng một mat

tăng rất dốc, hơn nữa ban thân xung sẽ bị dich về phía trước so với thời điểm hạt đi

qua ông đếm một thời gian tr nào đó Có thé đánh giá được thời gian trễ lớn nhất của

xung nếu coi rằng electron gây ra phóng điện được tạo thành ở gần catot Đối với

các ống đếm kích thước trung bình, thời gian này có giá trị gần 107s Còn nếu

electron được tạo thành một cách ngẫu nhiên ở gần anot thì thực tế sẽ không có sự

chậm tré của xung.

Đề ý rằng thời gian trễ của xung rất nhỏ còn thành phan điện tử của nó thì chỉ

chiếm một phần không đáng kê so với thành phan ion, ta có thê một cách gần đúng

thu được hình dạng biên độ của xung 6 lỗi ra ông đếm Geiger, bằng việc chỉ khảo

sat tính chất của các ion đương Khi các ion đương dịch chuyên từ vùng ion hoá va

chạm về catot, qua ng đếm có dong phóng điện quang sáng I qua khí mà độ lớn của

nó được xác định bằng độ lớn điện ấp trong ống dém và điện trở trong Rin của nó

Vì ở mạch ngoài ống đếm có mắc điện trở R nên dòng qua nó kèm theo sự tích điện

Do đó ở thời điểm t nào đó hình thành một xung thé AV(0, có dau ngược với dau

điện thé đặt vào ông đếm Hiệu điện the V, tác

dụng giữa các điện cực của ông đếm, trong trường hợp này sẽ không phải là đại

lượng không đôi mà giảm theo sự tăng của xung AV( :

19

Dong I(t) qua éng dém, & mach ngoai bi phan thanh hai nhanh: mot phan di qua

tự điện C, phan còn lại qua điện trở tai R:

d(AV) AV

+ —

I@)=CTu +R

Phương trình vi phân cho phép tim sự phụ thuộc biên độ xung vào thời gian t

được viết dưới dang:

Hoàn toàn hiền nhiên rang có thé ngắt sự phóng điện qua khí vào một thời điểm

tuỳ ý bằng cách hạ đột ngột hiệu điện thé V tác dụng giữa các điện cực của khoảng

phóng điện qua khí Dé dập tắt phóng điện quâng sáng trong ông đếm Geiger Chi

cần hạ thế giữa các điện cực của nó xuống đại lượng Vụ, nghĩa là loại bỏ điện áp

(Vo-Vm) của Ong đếm Đề đưa ông đếm ve trạng thái làm việc cần lại nâng điện áp

giữa các điện cực của nó lên giá trị ban đầu Trong trường hợp ngược lại, khi nâng

điện thé V lên, ống đếm lại sẽ phóng điện.

Dé dang thấy rằng trong các điều kiện nhất định, biên độ xung AV tạo thành trên

tụ điện C khi có dong phóng điện quảng sáng đi qua mach ống đếm, có thẻ đạt giá

trị gan bang đại lượng (Vo-Vm), như vậy, tác dụng giữa các điện cực ông đếm, trên

thực tế sẽ băng không Dé tự điện có thé tích điện đến một giá trị hiệu điện thể AV

so sánh được với độ quá điện áp đặt vào ống đếm thì trước hết cần phải thoả mãn

điều kiện tốc độ tích điện của nó bằng đòng qua ông đêm (qua điện trở trong Rin của

ống đếm) phải lớn hơn nhiều lần so với tốc độ tích điện qua điện trở ngoài R Yêu

cau này sẽ được thoả mãn khi R>>Rin Đôi với các ống đếm kích thước trung bình,

Rin thường có giá trị cỡ 107Q Điều nảy có nghĩa là R phái không nhỏ hơn 10-100.

20

Khi R>>Ri, thì biéu thức đối với biên độ xung sẽ được rút gọn thành:

AV(Q) = (Vo-Vim)

Nhung vi sự tăng của xung bị giới hạn bằng thời gian thu ion đương nên đến

thời điểm các ion này tới catot (t=T,) xung AV chi đạt được độ lớn:

AV(T,) = (Vo-Vm)

Số phận tiếp theo của sự phóng điện được xác định bằng độ lớn của xung AV(T;),

phụ thuộc vào tỷ số giữa thời gian thu ion đương T, và hang số thời gian R„C Vì

thời gian thu ion dương trong ống dém có kích thước trung bình cỡ gần 10s, còn tụ

điện C thường không nhỏ hơn 10 pF nên T: và RioC thường có cùng bậc giá trị Do

đó độ lớn của xung sau giai đoạn phóng điện đầu tiên sẽ nhỏ hơn điện áp (Vo-V„)

đặt vào ống đếm Trong trường hợp này, do sự trung hoà của các ion dương trên

catot tạo ra, các electron thứ cấp khi đi vào vùng ion hoá va chạm sẽ tạo ra những

thác electron đủ mạnh và trong ống đếm xuất hiện giai đoạn phóng điện tích cực thứ

hai Giai đoạn này diễn ra cũng như giai đoạn thứ nhất, nhưng trong khoảng phóng

điện qua khí với độ quá điện áp nhỏ hơn (độ quá điện áp ở thời điểm T sẽ bang

V.-AV(T,) - Vn Trong giải đoạn phóng điện thứ hai, ở thời điềm ion đương tới catot,

độ lớn của xung AV (2T ) sẽ nhỏ hơn một chút so với AV(T-) Sau đó, néu xung

AV (2T+ ) nhỏ hơn hiệu số (Vo-Vm) thì trong ống đếm sẽ xuất hiện giai đoạn phóng

điện tích cực thứ ba và cứ như vậy đến chừng nào xung tông cộng của tắt cả các giai

đoạn phóng điện chưa dat giá trị lớn hơn (Va-V„¿;) Đến thời điểm này thì độ quá

điện áp trên ông đếm sẽ giảm tới giá trị nhỏ hơn so với (Vinin-Vm), nghĩa là hầu như

bằng không Trong những điều kiện như vậy dòng phóng điện quảng sáng sẽ nhỏ

hơn một giá trị tới hạn và sự phóng điện sẽ nhanh chóng bị dập tắt

Sự tăng lên theo nhiều bậc của xung được chỉ ra trên đường a hình bên dưới Phù

hợp với quá trình lặp lại nhiều lần, tng thời gian tăng của xung sé lớn hơn một vài

lần thời gian thu ion dương T, Trong thực tế thì thường không thé quan sát được

những bậc nhây của thé trên tụ điện ứng với những giai đoạn phóng điện riêng biệt

vì các quá trình xảy ra trong thời gian phóng điện qua ông dém bị chồng lên nhau

Ví dụ, các electron thứ cap có thê xuất hiện ở catot do những photon phát ra từ các

phân tử và nguyên tử bị kích thích

21

Biên độ xung

Ú bạ, đ ly, Hh,

Hình 14: Sự phụ thuộc của biên độ xung vào thời gian t

(không kịp trở về trạng thái cơ bản trong thời gian giai đoạn phóng điện tích cực

t

thứ nhất) trước khi các ion đương tới được catot Do đó độ lớn của xung AV tăng lên

một cách tương đối trơn tru

Không loại trừ khả năng xung AV ở thời điểm T- đạt giá trị lớn hơn hiệu số Vo —

V min một chút và do đó đủ dé dập tắt phóng điện trong ống đếm bằng bậc thứ nhất

của xung Vì trong trường hợp này tích số R„C phải nhỏ hơn nhiều với thời gian thu

ion đương T:, ty số AV(T,) bằng Vạ — Vinin được thoả mãn một cách cực kỳ hiếm và

chỉ trong những điều kiện đặc biệt, khi tụ điện C rất nhỏ Vì để thu được những xung

một bậc, người ta thuờng phải đặt vào ống đếm những độ quá điện áp lớn hơn chế

độ làm việc như vậy của ông dém đôi khi được gọi là chế độ quá điện áp Xung bậc

một được biêu diễn bằng đường b trên hình

b Thời gian phân giải chất khi trong ống đếm

Vì sự phóng điện quang sáng qua khí do hạt ion hoá gây ra trong ông đếm Geiger

sẽ kéo dài đến chừng nào xung thé trên tự điện C không bù trừ được độ quá điện áp

trên khoảng phóng điện qua khí, nên trong toàn bộ thời gian tăng của xung, ống đếm

không thê phản ứng được với sự rơi của một hạt tích điện tiếp theo vào nó Nếu điện

trở R lớn vô cùng thì điện dung C giữ được điện tích, còn ống đếm giữ được trang

thái không nhạy lâu tùy ý Trên thực tế, điện trở R mặc dù lớn nhưng chỉ có giá trị

hữu hạn Do đó theo thời gian, điện dung C phóng điện và độ quá điện áp trong

khoảng phóng điện qua khí được khôi phục dan Tuy vậy do độ lớn của điện trở tải

R bị hạn chế bởi điều kiện R>>Rin,, nên sự phóng điện của điện dung € xảy ra vô

nm t2

cùng chậm Do vậy xung với mặt tăng tương đối nhỏ (10°1s) có mặt giảm dài theohàm mũ, xác định bằng hang số thời gian RC (102).

Vo-Vin

Biên độ xung

| TH TẾ ae Ly RỂ ¿

Thời gian, ms

Hình 15: Sự phụ thuộc biên độ xung vào sự tăng thời gian

Dạng điền hình của xung ra của ống đếm Geiger được biêu diễn trên hình Hạtion hoá có thê phóng điện qua khí dẫn tới tạo thành xung với biên độ bằng (Vạ— Vin) chỉ khi nó tới sau hạt tới trước nó một khoảng thời gian rất lớn dé tụ điện C phónghết điện Tuy nhiên, có thê dé dàng thay rằng ống đêm sẽ nhạy đối với cả những hạttới nó sớm hơn nhiều so với thời điểm tụ điện C mat hoàn toàn điện tích của mình

Khi đó sự phóng điện trong ống đếm sẽ diễn đường bình thường, nhưng biên độ

xung nhỏ hon, phù hợp với độ quá áp trong khoảng phóng điện qua khí ở thời điểmnày Dạng xung tương ứng đựợc biêu diễn bằng đường nét đứt trên hình Khoảng

cách giữa hai thời điểm hạt tới ống đếm liên tiếp nhau càng nhỏ thì biên độ xung thứ

hai càng nhỏ Hạt thứ hai chi được ghi nhận trong trường hợp néu biên độ xung do

nó tạo thành lớn hơn ngưỡng làm việc của thiết bị điện tử sử dụng dé đếm xung.

Điều này có nghĩa là trên thực tế khả năng đếm của ông đếm Geiger phụ thuộc vào

độ nhạy của thiết bị điện tử Vì ống đếm Geiger có biên độ xung đủ lớn (hàng chục vôn) nên các thiết bị điện tử được sử đụng có ngưỡng hiệu điện thế phải tương đối

cao Do đó thời gian dém 2 xung liên tiếp của các ông đếm Geiger thường có giá trịmột vai ms Có thẻ tăng khả năng đếm của các ông đếm Geiger lên một bậc nếu sửdung nguyên lý dap tất cưỡng bức sự phóng điện Một sơ đô điện tử bat kỳ dé daptat cưỡng bức sự phóng điện trong ống đếm Geiger dựa trên nguyên tắc sau:

- Khi ở đầu vào của sơ đồ có một xung thế nhỏ ứng với sự khởi đầu của sự phóng

điện trong ông đếm, thì trong sơ đồ sẽ xuất hiện rất nhanh một xung lớn Xung này

có dau và biên độ sao cho nó có thê hoàn toàn ngắt được điện áp ( V0 - Vm ); còn

độ dai t của xung dập tat phóng điện thì phải lớn hơn một chút so với thời gian khửion hoá chat khí trong ông đêm: t > Ts.

Độ lớn của điện trở tải R không quá lớn (thường 10°-10°Q) Như vậy, khi sử dụng

sơ đồ dé dập tắt sự phóng điện cưỡng bức thi thời gian phân giải của ông đếm Geiger

sẽ bằng thời gian thu ion đương trên catot

c Các đặc trưng của ống đếm

Dặc trưng đếm của ong dém Geiger là sự phụ thuộc tốc độ đếm hạt n vào

điện thé V¿ đặt vào ông đếm (khi cường độ bức xạ không thay đôi) Hình dưới giới

thiệu một đường đặc trưng đếm điền hình của ống đếm Geiger.

cần thiết dé xuất hiện sự phóng điện tự lặp còn chưa được thoả mãn và biên độ xung

rất nhỏ, thì toc độ dém hạt n băng không Khi điện thé Vo lớn hơn thé Vm một chútthì biên độ xung tương đôi nhỏ Trong vùng này của điện thế, có sự thăng giáng đáng

kẻ của các xung theo biên độ xuất hiện do những thăng giáng trong sự phát triển và

dap tat phóng điện, và một phan đáng ké của các xung không được đếm Theo sự

tăng điện thé Vo, biên độ xung sẽ tăng lên rất mạnh, do đó độ thăng giáng của xung

theo biên độ sẽ giảm đi, dẫn tới sự tăng nhanh tốc độ đếm n Cuối cùng, khi Vo đạtmột giá trị điện thé V'¿ nào đó: Vo << V'¿ thì biên độ các xung bằng nhau và tốc độđêm n bằng số hạt rơi vào thé tích làm việc của ống đếm trong Is

Tăng tiếp theo điện thé V, thì tốc độ đếm hạt không thay đôi, điều này dan tới

sự tôn tại một đoạn bằng phang của đặc trưng đếm (đó là đường đứt đoạn trên hình)

gọi là vùng Plateau Tuy nhiên, thực tế chi ra rằng, khi tăng điện thé đặt vào ốngđêm thì tốc độ đêm không giữ được sự không đôi mà tăng lên một cách chậm chap.Một sự tăng nào đó của tốc độ đêm có thé được giải thích bằng hiệu ứng biên Thực

vậy, ống đếm nào cũng có một độ dai nhất định, do đó có một thé tích làm việc nhất

định nào đó Khi tăng điện thé thì độ dai làm việc của ống đếm có thé tăng lên mộtchút do sự võng xuống của điện trường ở hai đầu sợi chỉ anot Tuy nhiên một phan

lớn hơn các xung dư thừa tao ra độ đốc thay được của vùng Plateau là những xung

giả Chúng xuất hiện trong ống dém do sự phóng điện tự phát với xác suất tăng lên

theo điện thế Vụ, Nguyên nhân của sự xuất hiện những xung giả có thé là các trạng

thái siêu bền của những nguyên tử bị kích thích có thời gian sống lớn hơn thời giankhử ion hoá chất khí trong ống đếm: làm xuất hiện trong ông đếm những photon saukhi phóng điện đã kết thúc, làm cho độ điện áp giữa các điện cực được khôi phục chỉmột phân, có thê dẫn tới xuất hiện xung giả

Do đó khi nạp khí vào ống đêm can tránh những chất có xác suất tạo thành

trạng thái siêu bền Hoặc xung giả đôi khi có thê là những electron tách ra khói mặt

catot do sự biến thiên của công thoát khi nó bị các ion dương bắn phá Đề khắc phục

điều này, khi chế tạo ông đếm, người ta thường xử lý mặt trong của chúng sao choloại trừ được khả năng xuất hiện những bọt ở bẻ mặt không bên trên catot (khi chế

tạo ống đếm bằng nhôm, người ta mạ đồng hoặc mạ crém lên mặt trong của nó).

Nếu tiếp tục tăng điện thế trên ông dém thì với một giá trị thế Vo nào đó gan

bằng Vo2 (xem hình trên), số xung giả sẽ bat dau tăng lên rất nhanh, trong ông đếm

sẽ xuất hiện sự phóng điện liên tục, không dập tắt được nữa

Có thé đánh giá độ dài vùng đếm của ống đếm Geiger từ những suy luận

sau:

Giả sử ta đặt vào ống đếm một điện thé Vo nào đó: V.>Voi, nhưng Vo<Vor

Dòng phóng điện xuất hiện trong ống đếm khi có hạt ion hoá bay vào nó, sẽ tích điện

cho tụ điện C đến một giá trị hiệu điện thế ngày càng lớn AV Nhưng AV càng lớn

thì thế V tác dụng giữa các điện cực ống đếm càng nhỏ Khi thế V tiến gần đến đại

lượng Vinin, thì dòng phóng điện sẽ giảm xuống giá tri gần bằng Imin, ở giai đoạn nàycủa quá trình phóng điện, độ lớn xung AV tiến gần rất chậm đến giá trị biên độ của

đ(AV)

dt

đếm, ở mạch ngoài sé chạy qua điện trở tải R Vay ở thời diém dập tắt sự phóng điện,điều kiện sau phải được thoả mãn:

Tmnin(R + Rin) > (Vo — Vinin) hay TinioR > (Vo = Vmin)

mình Do đó có thê coi trong thời gian này = 0 và toàn bộ dòng Imin qua ống

(vì Rin << R) Hiền nhiên là chỉ có thé tăng thế V, trên ông đếm đến chừng nào sự

phóng điện bị đập tắt, nghĩa là đến chừng nào hiệu (Wo — Vain) còn chưa bằng tích

số IminR Giá trị Vo lớn nhất ứng với điểm cudi của vùng đếm và được ký hiệu là

Vụa.Vì điện thé Vo) và Vu; gần bằng nhau về độ lớn nên có thé coi độ dai vùng đếm

(Voi — Vinin)>> mir.

Biết độ lớn điện trở tai R và dong phóng điện quang sáng cực tiêu Imin, ta cóthé tính được giá trị tuyệt đối độ dai vùng đêm Đối với đa số các chất khí nạp vào

ống dém Geiger như hydro hoặc không khí thì dòng có giá trị cực tiêu tương đối lớn,

bang gan 107A Trong trường hợp này, khi điện trở tai R ~10°Q thì độ dai vùng đếm

có thé gần bang 100 V; còn néu giảm R xuống 10°Q thì đại lượng IminR chỉ bằng gan

10V, nghĩa là thực tế không có vùng plateau trên đặc trưng đếm

Trong các chất khí tro tỉnh khiết thì quang sáng rất ôn định và Imin~10°A Do

đó khi nạp argon vào ống đếm, người ta không sử dụng loại khí tinh khiết mà sử

dụng chất khí này với khoảng từ 2 đến 3% tạp chất là không khí mà ta gọi là argon

kỹ thuật Ngoài ra hỗn hợp không khí làm giảm số xung giả trong ống đêm, tăng tốc

độ chuyên dời của các nguyên tử argon bị kích thích từ những trạng thái siêu bền về

trạng thái cơ bản (nhờ những va chạm loại hai).

Người ta thường đánh giá chất lượng của ống đếm Geiger qua dang đường đặc

trưng đếm của nó Những ống đếm tốt có vùng đếm từ 100 đến 300V với độ dốc

plateau không lớn hơn 3-5% trên 100V Hiệu điện thé nuôi ống đếm thường được

Khi làm việc với những nguồn cường độ nhỏ cần phải tính đến phông gây ra

bởi tia vũ tru, độ phóng xạ của môi trường và sự nhiễm ban phóng xạ của vật liệu

làm thành ống đếm Cường độ của phông có thê được đánh giá nếu coi rằng mỗi cm?

bẻ mặt ống đêm cho gần một xung trong một phút (trên mặt nước biên).

1.1.7.2 Cac ống đếm tự tắt

Các ống đếm Geiger loại không tự tắt làm việc với điện trở tải R lớn có khả năng

phân giải rat tôi Việc sử dung những sơ đồ điện tử dé dap tắt cưỡng bức sự phóng

điện làm tang khả nang phân giải nhưng làm phức tạp dang kê thiết bị thí nghiệm

đặc biệt là trong trường hợp phải sử dụng đồng thời một số lượng lớn ống đếm

Geiger Năm 1937, Trost đã nghiên cứu và thấy rang, néu cho thêm vào ống đếm

26

chứa argon một lượng nhỏ vài phan tram hơi rượu etylic (C2HsOH) thì sự phóng

điện do hạt ion hoá gây ra trong ông đếm tự bị đập tắt không phụ thuộc vào độ lớn

của điện trở tải R Sau đó người ta đã chứng minh được rằng khi bỗ sung thêm vào

chất khí chính chứa argon một lượng nhỏ hơi của những liên kết hữu cơ khác có

chứa các phân tử phức tạp đa nguyên tử, ví dụ ctilen (C2H4), rượu metylic (CH:OH)

hay metylal (CH2(OCH3)2) v.v thì ông đếm cũng có khả nang tự đập tắt phóng điện

Những chất này được gọi là chất dập tắt Ngoài ra, một số chất khí vô cơ với cấu

trúc tương đối phức tạp như BFs, cũng có tính chat đập tắt phóng điện

a Cơ chế đập tắt phóng điện

Ông đềm tự tắt được chứa một hỗn hợp hai hoặc một số chất khí Chất khí chínhchiếm 90% Chất khí còn lại làm nhiệm vụ dập tắt phóng điện, chiếm gần 10% Các

thành phần của hỗn hợp khí làm việc trong ông đếm phải thoả mãn một điều kiện

bất buộc sau: thế ion hoá chất khí dap tat phải nhỏ hơn mức thé kích thích dau tiên

của chất khí chính

Ta hãy xét cụ thé ông dém Geiger chứa khí argon với tạp chất hơi rượu etylic

Thế ion hoá của argon bằng 15,7eV, thế kích thích đầu tiên của nó bằng 11,57eV,

thé ion hoá của rượu bằng 11,3 eV Giả sử ống đếm được mắc vào sơ 46 bình thường

và điện thé ứng với gần điểm giữa của đường đặc trưng đếm Hạt ion hóa đi qua ống

đếm, tạo ra các cặp ion (dé xuất hiện sự phóng điện qua khí, chỉ cần một cặp ion là

đủ) Sau khoảng thời gian rất nhỏ t các electron đến vùng ion hoá va chạm, và phụ

thuộc vào SỐ cập lon sơ cấp, tại một hoặc một sô vị trí của sợi chỉ của ống đếm sẽ

xuất hiện các thác electron Cùng với sự ion hoá ở xung quanh sợi chỉ anot còn xảy

ra sự kích thích mạnh các phân tử và nguyên tử chất khí Các nguyên tử argon bị

kích thích, khi trở về trạng thái cơ bản, phát ra những photon với bước sóng nhỏ (gần

10”m) ứng với mức kích thích đầu tiên của argon (11,57eV) Các phân tử rượu hấp

thụ mạnh bức xạ này, vì năng lượng ion hoá của rượu nhỏ hơn một chút so với năng

lượng của các lượng tử ánh sáng do các nguyên tử argon phát ra, trong chất khí bắt

đầu có sự ion hoá quang mạnh của các phân tử rượu Xác suất rượu hap thụ ánh sáng

đo argon phát ra lớn đến mức quãng chạy của photon trong ống đếm thường không

vượt quá Imm Các photon trong khi ion hoa các phân tử rượu tạo thành những

electron tự do ở ngay gan vị trí xuất hiện của mình Những electron này sẽ cho khởi

đầu của những thác electron mới (từ phía trái và phải của thác ban đầu) v.v Như

vậy sự phóng điện qua khí được bat đầu ở một hoặc một số vị trí gần sợi chi anot

của ống đếm, sẽ được lan truyền từ những vị trí này sang trái và sang phải dọc theo

sợi chỉ anot đến chừng nào sự phóng điện lan truyền ra toàn bộ ống đếm

27

Quá trình tạo thành các thác electron ion trong vùng ion hoá làm xuất hiện một

số lớn ion đương, tạo ra điện tích không gian Điện tích này làm suy giảm cường độ

điện trường ở gan sợi chỉ anot của ống đếm đến giá tri mà tại đó giai đoạn phóng

điện tích cực kết thúc

Tính chat thú vị của sự phóng điện quang sáng diễn ra trong một hỗn hợp khídập tat nao đó là: thực tế không xảy ra hiệu ứng quang điện trên catot của ông đêm

Thực vậy như đã chỉ ra ở trên, bức xạ tử ngoại mạnh do các nguyên tử bị kích

thích của chất khí chính phát ra, được các phân tử của chất khí dap tắt hap thụ ở ngay

gần vị trí tạo thành của nó nên không tới catot được Trong quá trình phát triển sự

phóng điện xuất hiện một số lớn các phân tử chất khí đập tắt bị kích thích Các phân

tử phức tạp của khí đập tắt có khả năng phân ly thành những gốc thành phần của

chúng Do đó không có bức xạ sóng ngắn của khí dập tắt do sự phân ly của các phân

tử bị kích thích Còn bức xạ sóng dài do các phân tử khí dap tat phát ra từ những

mức kích thích thấp thì mặc dù tới được catot nhưng có năng lượng nhỏ nên không

gây ra hiệu ứng quang điện.

Mặc dù trong cơ chế phát triển phóng điện đã xét ở trên, các quá trình riêng biệt

xảy ra nhanh vô cùng, sự lặp lại nhiều lần của quá trình tạo thành các thác electron

doi hỏi một khoảng thời gian nao đó tương đối lớn dé sự phóng điện có thé lan

truyền ra toàn bộ chiều dài ống đếm.

Thực nghiêm chi ra rằng, trong ông dém tự tắt, sự phóng điện thực tế lan truyền

đọc theo sợi chỉ anot với một tốc độ v hữu hạn, phụ thuộc vào các thông số của ống

đêm (vào kích thước của nó, ban chất và áp suất của khí) và tăng lên theo sự tăng

của điện thé đặt vào ống đếm

Dối với các ống đếm kích thước trung bình, chứa những hỗn hợp khí dap tắt

thông thường, tốc độ lan truyền phóng điện doc theo sợi chỉ anot nam trong khoảng

từ 107 đến 10° cm/s, còn thời gian lan truyền thì nằm trong khoảng từ 10° đến 105%.

Sau khi kết thúc giai đoạn phóng điện tích cực đòng trong mạch ông dém được gây

ra chỉ bằng sự trôi của các ion đương về catot

Đặc điểm quan trọng nhất của sự phóng điện quang sáng trong ống dém tự tắt là

sự vắng mặt hau như hoan toàn các hiệu ting thứ cấp dẫn tới quá trình trung hoà của

các ion đương trên catot trong ông đếm không tự tat Vì xác suất ion hoá va chạm tỷ

lệ bậc nhất với hiệu số năng lượng electron va năng lượng ion hoá phân tử hoặc

nguyên tử, còn thế năng ion hoá phân tử khí dập tắt nhỏ hơn thế ion hoá của chất khí

chính nên trong các thác electron chỉ có những ion của chất khí dap tit duge tao

thành Các ion dương của chat khí chính cũng được tạo thành trong vùng ion hoá va

28

chạm, nhưng trên đường chuyên động về catot trải qua một số lớn lần va chạm nhiệt(104-105), trong đó có khoảng gan 10% va chạm với các phân tử khí đập tắt Khi vachạm với các phân tử khí dập tắt, do sự khác nhau về thé ion hoá nên ion của chatkhí chính có một cơ hội nào đó lấy electron của khí dập tắt và bị trung hoà Do đó,các phan tử tải điện đương tới catot chủ yếu là những ion của khí đập tắt Khi ionđến cách bề mặt catot một khoảng bằng một vài bán kính nguyên tử (~107 em) thì

electron bị birt ra Vì quá trình này chi tiêu hao một phần the năng của ion, nó chiếmelectron vào một trong các mức kích thích Phân tử bị kích thích vừa được tạo thành,

không kịp electron thứ hai, vì năng lượng kích thích bị tiêu hao rất nhanh cho sựphân ly phân tử Như vậy, sự trung hoà của các ion khí dập tắt trên catot của ốngdém và không dẫn tới tạo thành electron tự đo dé lặp lại một giai đoạn tích cực mớicủa sự phóng điện Hoàn toàn hiển nhiên rằng trong trường hợp này xung ở lỗi raống đếm sẽ có đặc trưng một bậc không phụ thuộc vào hiệu điện thé trên tụ điện C,

xác định độ lớn của sự quá áp tác dụng giữa các điện cực ống đếm ở thời điểm trung

hoà của ion trên catot Hơn nữa, trong mạch điện của ống dém tự tắt thì độ lớn của

trở tải R tương đối nhỏ (thường không lớn hơn 10°Q, tụ C ở thời diém ion đương tới

catot phóng điện, còn độ quá điện áp trên ống đêm thì thực tế được khôi phục hoàn

toàn.

Thí nghiệm với hạt cườm có thẻ là khang định thực nghiêm vẻ bức tranh phát

triển phóng điện trong ông dém tự tắt mô tả trên đây Nội dung thí nghiệm như sau:

Hai ống đếm được gắn với nhau sao cho ống đếm nọ là phần tiếp theo của ông đếm

kia, sợi chỉ anot của các ông đếm được nói với nhau qua một hạt cườm thuỳ tinh bánkính nhỏ (1-2mm ) sao cho giữa chúng không có tiếp xúc điện Mỗi ống đếm được

mắc với một thiết bị điện tử ghi của mình như chi ra ở hình đới

Nếu nạp vào ống đếm khí argon kỹ thuật không có tạp chat của khí dập tắt thicác xung thực tế sẽ xuất hiện đồng thời trong cả hai ông đếm, không phụ thuộc vào

sự kiện hạt ion hoá đã bay vào ông dém nào trong chúng Còn néu bô sung vào argon

kỹ thuật từ 5 đến 10% hơi rượu thì sự phóng điện chỉ xuất hiện ở dng đêm bị chiếu

Thực vậy trong trường hợp này sự phóng điện sẽ được lan truyền đọc theo sợi chỉ

và hạt cườm, néu đường kính của nó lớn hơn quãng chạy của các photon trong hỗn

hợp làm việc của các chất khí, sẽ là vật cản, không cho phép sự phóng điện lan truyền

từ ống đếm nọ sang ông dém kia Giảm đường kính hạt cườm xuống giá trị mà sự

phóng điện chuyên được từ ống đếm này sang ống đếm khác, ta có thé đánh giá hộ

số hap thu photon của chất khí dap tắt

b Hình dạng và biên độ xung

Cũng như trong ông đêm Geiger không tự tắt, sự xuất hiện phóng điện trong ống

dém tự tat bị chậm so với thời điểm hạt đi qua ông đếm một thời gian bằng thời gian

trôi của các electron sơ cấp ty (~107s) Khác với ông đếm không tự tắt, trong đó sựphát triển phóng điện diễn ra qua hiệu ứng quang điện trên catot, trong ông đếm tự

tắt, sự phóng điện lan truyền dọc theo sợi chi anot, phan mở đầu của xung ở ngỏ ra

của ống dém tự tắt có mặt tăng nhanh hơn so với mặt tăng của xung ống đếm không

tự tắt Bỏ qua thời gian chậm tự, nhỏ so với tông độ dài của xung và coi rằng thành

phần điện tử của nó là tương đối nhỏ, ta có thé tính được dang xung AV(t) ở lỗi ra

ống đếm tự tat theo dang dòng I(t) do sự dịch chuyên của các ion đương gây ra

Quá trình trong các thác electron riêng biệt ở ống đêm tự tắt thực tế diễn ra mộtcách độc lập Điều này cho ta khả năng tinh dang của dòng ion I(t), xuất phát từnhững suy luận sau Giả sử một thác electron nào đó chiếm một đoạn AI nào đó củasợi chỉ anot Nếu tống điện tích toa ra trong một lan phóng điện bằng q còn độ dàiống đếm là | thì có thé coi rằng điện tích tạo thành trong một thác là:

Aq =TÁI

Dong AI do một thác tạo thành phải giảm theo thời gian cũng giống như quy luật

với ông dém tý lệ, nghĩa là:

qAl 1

21.Inkt + tạ

Ta

Al(Q =

còn số thác thì tăng lẽn theo thời gian vì sự phóng điện lan truyền đọc theo sợi chỉ

anot với tốc độ v Giả sử thời gian tạo ra một thác là At và v = ^ là tốc độ lan truyền

sự phóng điện, ta sẽ thu được:

qv At

2b inikt + to

Ta

Al(t) =

(cho rang sự phóng điện xuất hiên ở cuối sợi chỉ anot và chỉ lan truyền từ vị trí xuất

hiện về một phía) Chuyên sang những đại lượng nhỏ vô cùng và lay tích phân theo

Kết thúc giai đoạn phóng điện tích cực, khi điện tích đương đã đạt giá trị cực đại

q của mình, dòng đi qua ống đếm được xác định chỉ bằng sự dịch chuyền của các

ion dương đến thời điểm này đã kịp ra khỏi vùng ion hoá va chạm Tiếp theo, khi

đám mây ion đi vào các điện trường với cường độ càng ngày càng yếu, độ lớn của

dong giảm, cũng như trong ống đếm tỷ lệ, gần tỷ lệ nghịch với thời gian Như vậy,

đối với khoảng thời gian tính từ thời điểm xuất hiện phóng điện đến lúc hoàn thànhgiai đoạn tích cực, sự phụ thuộc của xung AV vào thời gian có thé thu được từ

phương trình vi phần sau:

dav) Vw fon

dt" RC 2¢1.Im to

Tạ Nghiệm của nó có dạng:

t ro t t

AV(t) = — ier | exc n(—+1)de

2Ccl In 0 tọ

a

Trong sự phụ thuộc của biên độ xung vào thời gian, cần nhắn mạnh ring, ở các

điều kiện tương đương khác, độ lớn của AV tỷ lệ thuận với v - tốc độ truyền sự phóng

điện đọc theo sợi chỉ anot.

Khi kết thúc giai đoạn phóng điện tích cực, nếu điện trở tải R không nhỏ lắm thì trong đa số các trường hợp biên độ xung AV đạt giá trị từ 10V đến 30V Các xung với biên độ lớn như vậy có thẻ dé đàng được ghi nhận bằng thiết bị điện tử nên không

có sự cần thiết phải chọn điện trở tải R quá lớn Trên thực tế người ta chọn điện trở

tải R sao cho hang số thời gian mạch ngoài RC của ống dém lớn hơn hai, ba lần thời

gian lan truyền phóng điện Điều này có nghĩa là, với điện dung C~10pE và thời gian

truyền phóng điện cỡ 105- 10%s, điện trở tải R có thẻ có độ lớn 10-105 Với giá

trị điện trở tải R như vậy thì thời gian tăng và giảm của xung sẽ gần bằng nhau Tăng

điện trở R thì độ dài mặt giảm của xung sẽ tăng phù hợp với độ lớn của RC, còn biên

độ xung thì tăng lên không đáng kê Do tính chất đặc biệt của sự phát triển và dap

tắt phóng điện trong ống đếm tự tắt, khi tăng độ quá áp trên ống đếm, biên độ xung

tăng chậm hơn nhiều so với độ quá áp trong ống đềm tự tắt, sự phóng điện tự nó bị

đập tắt mà không cần tác dụng từ bên ngoài nên ta hãy xét trường hợp điện trở của

d(})

đt

tụ điện lớn hơn nhiều lân điện trở tải R khi có toc độ tăng của xung ion

Trong trường hợp này có thê bỏ qua dòng ion qua điện dung C và coi rằng AV(t) =

I(t)R Khi đó biên độ xung AV(t) sẽ tăng theo thời gian truyền sự phóng điện dọc

theo sợi chi ống đếm, cũng giống như dong I(t):

Hình 18: Trường hợp đếm được và không đếm được của ống đếm

Hình trên mô tả thí nghiệm nghiên cứu dạng xung ion ở dau ra ông đếm tự tắt có

điện trở tải nhỏ R =500, điện dung tưcmg đương C = 60pF (RC=§.10'3s), Dòng hạt

chuẩn trực chiều vào ông đêm sao cho, trong một trường hợp sự phóng điện xảy ra

ở giữa ống đếm, còn trong trường hợp thứ hai thì sự phóng điện xảy rà ở một trong

hai đầu óng đêm Thanh phan điện tử của xung trong thí nghiệm này không được ghi

nhận vì thiết bị điện tử được sử dụng không có đủ bê rộng dải truyền qua

w t2

Các số liệu thực nghiệm mô tả ở hình trên phù hợp tốt với công thức tính dòng

ion: trong trường hợp đầu xung đạt giá trị biên độ 2,5 V của mình sau thời gian6,8.10°’s(hinh a), trong trường hợp thứ hai, thời gian tăng của xung lớn gấp hai lan,

còn biên độ thì hau như nhỏ hơn hai lần (hình b) Mỗi quan hệ như vậy của biên độ

và thời gian tăng của xung được giải thích là, trong trường hợp thứ nhất khi sự

phóng điện bat đầu ở giữa ống đếm và lan truyền ngay về cả hai phía, tốc độ hiệu

dụng sự truyền phóng điện bằng 2V Khi biết thời gian truyền phóng điện và độ dàiphan làm việc của sợi chi ông đếm, ta có thê tính được tốc độ v Trong trường hợp

này v = 107 cm/s, Còn sự phụ thuộc biên độ xung vào thời gian truyền phóng điện

đọc sợi chỉ anot của ông đếm thì rất yếu

Như vậy mặc dù đối với một ống đếm đã cho, ở một độ quá điện áp nhất định,thông số tốc độ v là không đổi, nhưng các giá trị hiệu dụng của nó, với các địnhhướng khác nhau của quỹ đạo hạt trong ống đếm, có thé khác nhau một số lần Do

đó khi R hoàn toàn nhỏ, thời gian tăng và biên độ xung trong dng đếm tự tắt có thé

rất khác nhau

Với những giá trị lớn hơn của điện trở tải R vẫn có thê có sự phụ thuộc biên độxung vào tốc độ hiệu dụng truyền phóng điện dọc theo sợi chỉ ống đếm nhưng ở mứcyêu hơn nhiều vi trong trường hợp này các xung có biên độ bang nhau Với giá trị

điện trở tải R đủ lớn, hằng số RC sẽ lớn hơn thời gian truyền phóng điện trong ống

dém thì mọi xung thực tế sẽ có cùng một biên độ mặc dù tốc độ tăng của xung ở

phan đầu của nó có thé rất khác nhau.