Tìm hiểu buồng ion hóa và ống đếm tỉ lệ

MỤC LỤC Mục lục……………………………………………………………………………1 Lời nói đầu……………………………………………………………………… 3 I.Các đặc trưng cơ bản của detector………………………………………………4 1. Hàm đặc trưng……………………………………………………………….4 2. Đặc trưng thời gian của detector…………………………………………….4 3. Độ phân giải năng lượng…………………………………………………….4 4. Hiệu suất ghi…………………………………………………………………4 5. Đặc trưng vôn-ampe của ống đếm chứa khí…………………………………5 II. Buồng ion hóa………………………………………………………………….6 1. Cấu tạo………………………………………………………………………6 2. Nguyên tắc hoạt động……………………………………………………….7 2.1. Nguyên tắc……………………………………………………………7 2.2. Hoạt động…………………………………………………………….11 2.2.1. Các phương pháp đo dòng ion hóa……………………………….11 a. Phương pháp lệch không đổi …………………………………11 b. Phương pháp nạp điện dung………………………………… 12 c. Phương pháp bù trừ………………………………………… 13 2.2.2. Buồng ion hóa xung………………………………………………14 3. Ứng dụng buồng ion hóa……………………………………………………15 a. Đo năng lượng các tia gamma………………………………………… 15 b. Xác định chu kì bán rã của nguồn phóng xạ…………………………….16 c. Đo liều bằng buồng ion hóa kiểu tụ điện………………….………… 18 d. Xác định liều nơtrôn…………………………………….…………… 19 III. Ống đếm tỉ lệ……………………………………………………….……… 20 1. Cấu tạo chung ống đếm tỉ lệ……………………………………….………20 1 2. Nguyên tắc hoạt động của ống đếm tỉ lệ…………………………….…….21 3. Các đặc trưng cơ bản của ống đếm tỉ lệ…………………………….…… 25 a. Phân giải thời gian của ống đếm tỉ lệ…………………………….…….25 b. Vùng tỉ lệ giới hạn……………………………………………….…… 26 4. Các ứng dụng của ống đếm tỉ lệ……………………………………….… 27 Kết luận………………………………………………………………….…….….28 Tài liệu tham khảo…………………………………………………….……….…29 Nhận xét của giảng viên hướng dẫn……………………………………….…… 30 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, các nguồn bức xạ ion hóa được sử dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, xây dựng, y tế, thăm dò và khai thác khoáng sản … Việc sử dụng các nguồn bức xạ ion hóa ngày càng trở lên phổ biến và thường xuyên hơn. Bên cạnh 2 những lợi ích to lớn mà chúng đem lại thì vẫn còn những rủi do tiềm ẩn mà những bức xạ ion hóa này gây ra . Khi sử dụng những nguồn bức xạ ion hóa không đảm bảo an toàn hay gặp phải những sự cố gây rò rỉ phóng xạ thì những bức xạ này sẽ gây ảnh hưởng đến cơ thể sống và làm ô nhiễm môi trường. Cơ thể con người không thể nhận biết tức thời tác động của bức xạ ion hóa, do đó đòi hỏi cần phải có thiết bị nhạy với những bức xạ ion hóa này để ghi đo và nhận biết chúng. Nhận biết được tầm quan trọng của thiết bị ghi đo bức xạ, và dưới sự hướng dẫn của cô Hoàng Ngọc Liên trong học phần đồ án thiết kế em đã tìm hiểu đề tài các loại detector trong thiết bị ghi đo bức xạ. Detector là một bộ phận chính để ghi bức xạ trong thiết bị ghi đo bức xạ. Có rất nhiều loại detector trong thực tế dưới đây em tìm hiểu về hai loại cơ bản đó là buồng ion hóa và ống đếm tỉ lệ. 3 I. Các đặc trưng cơ bản của detector bức xạ hạt nhân 1. Hàm đặc trưng G(E,V) Hàm đặc trưng được định nghĩa là xác suất hạt với những tính chất đã cho, kích thích trong detector một tín hiệu nhất định. Dạng tường minh của hàm G được xác định bằng những tính chất của bức xạ và những quá trình xảy ra trong detector. 2. Đặc trưng thời gian của detector. Trong các phép đo năng lượng của hạt cũng như cần tính đến các đặc trưng thời gian của detector. Nếu có nhiều hạt rơi vào detector trong khoảng thời gian Δt nhỏ hơn so với độ dài tín hiệu ra của detector thì kết quả phép đo không còn chính xác. Khi đó khoảng thời gian nhỏ nhất mà 2 hạt liên tiếp đi vào detector mà nó vẫn ghi nhận được 2 tín hiệu ra được gọi là độ phân giải thời gian của detector. Sau khi detector ghi nhận một hạt bức xạ, trong một khoảng thời gian nó mất khả năng ghi nhận những hạt tiếp theo người ta gọi khoảng thời gian đó là thời gian chết. 3. Độ phân giải năng lượng. Độ phân giải năng lượng η của detector là tỉ số bề rộng ΔE ở nửa độ cao của phân bố G(E,V) thu được với các hạt đơn năng, trên giá trị trung bình E của năng lượng trong phân bố này, độ lớn : η = ΔE/E . 4. Hiệu suất ghi. Hiệu suất ghi của detector là tỉ số của xung ghi nhận được trên số hạt rơi vào detector. Độ nhạy của detector là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trong một đơn vị thời gian trên dòng hạt ở nơi đặt detector. Độ sáng L là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trên số hạt do nguồn phát ra. 4 5. Đặc trưng vôn-ampe của ống đếm chứa khí. Hình 1 : Đường đặc trưng vôn-ampe. Đoạn I hiệu điện thế giữa hai bản cực thấp nên tỉ lệ tái hợp giữa các electron và ion dương chiếm ưu thế do đó vùng này không được ứng dụng. Đoạn II tương ứng chế độ làm việc của buồng ion hóa, trên đoạn này hiệu điện thế giữa hai cực đủ lớn để mọi ion sinh ra đều được thu về hai bản cực. Đoạn III là vùng hoạt động của ống đếm tỉ lệ, điện thế ở gần anốt đủ lớn để gây ion hóa thứ cấp. Đoạn IV tính tỉ lệ bị vi phạm nên không được ứng dụng, được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn. Đoạn V vùng hoạt động của ống đếm Geiger-Muller . Đoạn VI vùng phóng điện không có ứng dụng. 5 II. Buồng ion hóa. 1.Cấu tạo Buồng ion hóa có nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào nhiệm vụ thực tế, do đó hình dạng của hai bản cực cũng có nhiều dạng khác nhau. Hình 2 : các loại bản cực của buồng ion hóa Buồng ion hóa phẳng có hai bản cực như hai bản cực của một tụ điện nó tạo ra một điện trường đều giữa hai bản cực. Buồng ion hóa trụ có cấu tạo katốt làm vỏ hình trụ còn anốt là một sợi mảnh hoặc là một hình trụ nhỏ rỗng được đặt tại tâm của vỏ katốt. vì tín hiệu đo được là rất nhỏ do đó để giảm tác hại của dòng dò giữa anốt và katốt người ta bố trí thêm một điện cực bảo vệ làm triệt tiêu ảnh hưởng của dòng dò đến tín hiệu ra. 6 Thể tích làm việc của buồng ion hóa từ vài chục đến vài chục lít. bên trong thể tích làm việc của buồng được bơm các loại khí như : không khí He, Ne, Ar, … .Áp suất trong buồng phải được giữ ổn định. 2.Nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa. 2.1. Nguyên tắc hoạt động . Buồng ion hóa là thiết bị đo độ ion hóa gây ra bởi các hạt mang điện hoặc bức xạ trung hòa về điện. Để đơn giản ta xét nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa phẳng. Hình 3 : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa 7 Khi các hạt bức xạ ion hóa rơi vào thể tích làm việc của buồng ion hóa chứa khí nó sẽ ion hóa môi trường trên đoạn đường nó di chuyển trong buồng và tạo ra các electron và ion dương. Lúc này hai bản cực đóng vai trò như một tụ điện , dưới tác dụng của lực điện trường giữa hai bản tụ, electron sẽ di chuyển về phía bản cực dương còn các ion dương sẽ di chuyển về phía bản cực âm. Do đó trong mạch sẽ suất hiện dòng điện và ampe kế sẽ đo được dòng ion hóa. Sự phụ thuộc của độ lớn dòng ion hóa vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện với cường độ dòng bức xạ không đổi gọi là đặc trưng vôn-ampe của buồng Hình 4 : Đặc trưng vôn-ampe của buồng ion hóa Trên đoạn OA dòng ion hóa tăng theo điện thế ở hai đầu tụ. Đoạn AB dòng ion hóa đạt trạng thái bão hòa tức là mọi ion sinh ra đều được thu về hai điện cực. = e.N 8 e: điện tích nguyên tố N: số cặp ion hóa Nguyên nhân gây ra sự thay đổi dòng theo sự thay đổi điện thế trên đoạn OA : sự khuếch tán của các ion từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp dưới tác dụng của chuyển động nhiệt. số ion đi qua diên tích trong đơn vị thời gian đặt vuông góc với trục x, tỉ lệ với tốc độ giảm nồng độ ion dọc theo trục x: : là gradien mật độ ion hệ số khuếch tán Khi tăng hiệu điện thế đến một giá trị đủ lớn thì ảnh hưởng chuyển động nhiệt của các electron và ion dương sẽ kết thúc. Quá trình tái hợp trung hòa của các phần tử mang điện trại dấu Tốc độ tái hợp: : mật độ ion dương mật độ ion âm hệ số tái hợp 9 Sự tái hợp có thể xảy ra giữa các ion âm ,ion dương cũng như giữa các electron và ion dương. Trên thực tế người ta nạp thêm vào chất khí mà các nguyên tử của nó không có khả năng bắt electron nghĩa là không tạo ra ion âm. Do đó chỉ còn sự tái hợp của electron và ion dương . Khi tăng hiệu điện thế giữa 2 bản cực đến giá trị đủ lớn nào đó thì sự tái hợp giữa các electron và ion dương sẽ không xảy ra và mọi điện tích sẽ được thu về 2 cực. Tốc độ chuyển động của các ion dưới tác dụng của điện trường tỉ lệ với độ linh động của các ion : v = µ.E µ: độ linh động E: cường độ điện trường Độ linh động của ion phụ thuộc vào loại khí và áp suất khí, độ linh động của electron lớn hơn ion dương gần 3 bậc . Để thu được dòng ion hóa bão hòa ta cần đặt vào hai đầu bản cực một hiệu điện thế sao cho sự ảnh hưởng của khuếch tán và tái hợp là không còn. 2.2. Hoạt động của buồng ion hóa 2.2.1. Các phương pháp đo dòng ion hóa a. Phương pháp lệch không đổi Điện cực thu được nối đất qua một điện trở rất lớn ( Ω ) 10 [...]... M có thể phụ thuộc vào bản chất các hạt ion hóa vùng làm việc mà biên độ xung không tỉ lệ tuyến tính với năng lượng mất trông ống đếm gọi là vùng tỉ lệ giới hạn 4 Ứng dụng ống đếm tỉ lệ Xác định năng lượng của bức xạ ion hóa nhờ vào tỉ lệ giữa xung ra và năng lượng hạt bị mất Là thành phần chủ yếu trong máy năng phổ bức xạ gamma và Renghen Trong nhiều phòng thí nghiệm ống đếm tỉ lệ được sử dụng để... được liều lượng bức xạ nơtrôn 18 III Ống đếm tỉ lệ 1 Cấu tạo Ống đếm tỉ lệ có cấu hình phổ biến là hình trụ 19 Hình 5 : Cấu tạo ống đếm tỉ lệ Vỏ của ống đếm thường được làm bằng kim loại và được sử dụng làm katốt, anốt thường là một thanh kim loại mảnh được đặt tại tâm của ống , người ta thiết kế một cửa sổ trên thân ống để cho bức xạ dễ dàng đi vào ống đếm Giữa anốt và katốt được cách điện với nhau rất... bằng: M= Đặc trưng của ống đếm tỉ lệ a Phân giải thời gian của ống đếm tỉ lệ 3 Thời gian thu ion dương khi R=∞ xác định bằng : Với các ống đếm trung bình s khi RC ~ thì độ dài của xung bằng tổng thời gian tăng và giảm Để giảm thời gian phân giải của ống đếm thì ta giảm giá trị của R tuy nhiên vẫn không vi phạm tính tỉ lệ, nhưng nếu RC nhỏ cỡ thì tính tỉ lệ bị vi phạm b Vùng tỉ lệ giới hạn Khuếch đại... ion hóa, nếu toàn bộ quãng chạy của hạt nằm trong thể tích làm việc của buồng thì xác định được năng lượng của hạt này Biến thiên theo thời gian : (t) = (1) :là vị trí ion dương :là vị trí ion âm Nếu hiệu ứng ion hóa xảy ra trong buồng trên khoảng cách đến cực thu thì : (2) , :là tốc độ của ion dương và electron Thế (2) vào (1) được : Buồng ion hóa làm việc ở chế độ thu hết ion dương gọi là buồng ion. .. gọi là buồng ion hóa xung ion 14 Buồng ion hóa xung electron: Khi đó Hiệu ứng ion hóa xảy ra các điện cực thu một khoảng thì sau thời gian chuyển động của các electron đến điện cực này sẽ xuất hiện ở lối ra: =Q Điện thế trên tụ : Trong trường hợp này biên độ xung sẽ nhỏ và phụ thuộc vào vị trí xảy ra ion hóa Để tránh sự phụ thuộc biên độ xung vào vị trí ion hóa, người ta đặt một lưới vào giữa 2 điện... khác và ion hóa chúng tạo ra các cặp electron và ion dương tiếp theo, càng về gần anốt sự phát triển thác electron -ion dương càng mạnh 22 Sự khuếch đại dòng khí được đặc trưng bởi hệ số khuếch đại khí K K= i: dòng đi qua ống đếm : dòng tạo ra khi không có khuếch đại khí Có thể xác định hệ số khuếch đại khí qua số cặp ion đi qua thể tích ống : K= n : số cặp ion hóa sau khi có khuếch đại : số cặp ion hóa. .. thời gian t I= 2.2.2 Buồng ion hóa xung 13 Buồng ion hóa hoạt động ở chế độ xung cho phép ghi nhận các hạt tích điện riêng biệt khi những hạt này tạo ra một hiệu ứng ion hóa Đại lượng RC có độ lớn so sánh được với thời gian thu các điện tích Xét hoạt động của buồng ion hóa phẳng: giả sử tại thời điểm t = 0 hạt được ghi nhận tạo ra N cặp ion, các electron với độ linh động gần 1000 lần ion dương sẽ thu nhanh... sơ cấp Hệ số khuếch đại khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố : kích thước hình học của ống , loại khí và áp suất khí trong ống, điện thế đặt vào ống Xét quá trình xảy ra trong ống dựa vào lý thuyết của Townsend Theo lý thuyết này các electron và ion được tạo ra trong khoảng không gian phóng điện, dưới tác dụng của điện trường ngoài chúng nhận năng lượng và gây ra ion hóa thứ cấp Hệ số đặc trưng cho quá trình... một chiếc bút hình trụ, có hai phần để đo liều thấp và liều cao 17 Ban đầu khóa K1 đóng, K2 mở để nạp hiệu điện thế cho tụ sau đó buồng ion hóa được tháo ra và đeo cho nhân viên làm việc trong môi trường có bức xạ, sau một khoảng thời gian định kì, buồng ion hóa được lắp lại vào mạch Lúc này khóa K1 mở, K2 đóng để đo hiệu điện thế trên tụ, với độ lệch điện thế △U bộ chỉ thị sẽ hiện giá trị liều mà... ngắt khóa K và bật đồng hồ bấm giây thì điện tích từ cực thu của buồng ion hóa sẽ bắt đầu đi tới bản cực trái của tụ và kim điện kế sẽ bị lệch Bằng cách dịch chuyển con trỏ của biến trở ta đưa điện kế về vị trí ban đầu tiếp tục làm như vậy đến thời điểm t khi con trỏ nằm cuối cùng của biến trở Điện tích truyền cho tụ được bù trừ bởi lượng điện tích Q = I.t đi tới từ điện cực thu của buồng ion hóa trong . Hoàng Ngọc Liên trong học phần đồ án thiết kế em đã tìm hiểu đề tài các loại detector trong thiết bị ghi đo bức xạ. Detector là một bộ phận chính để ghi bức xạ trong thiết bị ghi đo bức xạ. Có. nhau cho phép xây dựng đồ thị I-t trong bán thang logarit. 16 Đường 1: mẫu chỉ có 1 đồng vị phóng xạ Đường 2: mẫu chứa nhiều đồng vị Từ đồ thị ta tính được chu kì bán hủy : T = c. Đo liều. Buồng ion hóa là thiết bị đo độ ion hóa gây ra bởi các hạt mang điện hoặc bức xạ trung hòa về điện. Để đơn giản ta xét nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa phẳng. Hình 3 : Sơ đồ nguyên tắc